что называется скоростью химической реакции

Скорость химической реакции, ее зависимость от различных факторов

Содержание:

Скорость химической реакции — изменение количества одного из реагирующих веществ в единицу времени. Скорость химической реакции занимает разный промежуток времени при определенных условиях. Например, в водных растворах они проходят быстрее, чем на твердых поверхностях. Самые быстрые процессы случаются во время взрыва смесей газов. Понятие скорости реакции описывает изменение количества реагента и продукта реакции за промежуток времени. В зависимости от условий протекания реакции разделяют гомогенные и гетерогенные процессы.

Гомогенные и гетерогенные химические реакции

Гомогенные реакции протекают в однородно среде: газообразной или водной. Взаимодействие реагентов происходит не точечно, а во всем объеме. Скорость для такой реакции рассчитывают по формуле:

Δn : ΔtV = V_{гомогенная},

Отношение химического количества вещества к объему, выражают как концентрацию ∆с. Следовательно, формула приобретает упрощенный вид:

Δc : Δt = v_{гомогенная}

Такая формула подходит для реакций, где все вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии, например: газы, жидкости.

Гетерогенные реакции характеризуются процессами, происходящими на поверхности соприкосновения двух веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях. Например, между газом и жидкостью, газом и твердым веществом, жидкостью и твердым веществом, двух несмешивающихся жидкостей. Для такого процесса характерна формула:

Δc : ΔtS = моль : с*м 2 = v гетерогенной, где

Расчет по формуле имеет погрешности. Для процессов соблюдают определенные условия протекания: температуру, концентрацию, площадь, катализатор. При их изменении происходит влияние на скорость химической реакции.

Температура

Повышение температуры ускоряет химический процесс. Это изменение описывает правилом Вант-Гоффа, оно говорит:

Внутри пробирки молекулы из-за увеличения температуры не увеличивают подвижность. Но начинают постоянно ударятся друг о друга, за счет чего процесс проходит быстрее. Это правило описывают формулой:

Это правило не всегда работает, так как некоторые вещества способны испарятся при увеличении температуры, а также полностью разлагаться или расщепляется.

Экзотермические и эндотермические реакции

Экзотермические реакции сопровождаются выделением большого количества тепла. Процесс легко и быстро проходят. Все окислительно-восстановительные реакции выделяют много тепла. Оно представляет собой энергию и записывается как +Q.

Эндотермические, наоборот, требуют получения большого количества энергии от внешних факторов. Чтобы такие реакции протекали, реагенты долго нагревают. Они протекают медленно и долго, имеют обозначение в виде –Q.

Концентрация реагирующих веществ

При увеличении концентрации исходных реагентов увеличивается столкновение молекул, благодаря чему скорость химической реакции увеличивается. Этот правило описывает закон действующих масс:

Правило выражается в виде формулы: k₁С_H х С_j У =v, где

Этот закон не учитывает концентрации реагентов, находящих в твердом состоянии, так как их показатели постоянные. Реакция протекает на отведенной поверхности, где концентрация не меняется.

Действие катализатора

Катализаторы – это вещества, которые способствуют увеличению скорости химической реакции, прокладывают правильный путь к концу процесса. Использование катализаторов называется катализом. Выделяют два вида:

Эти вещества используются в промышленности, бывают разной природы: ферменты, газы, твердые вещества, ингибиторы.

Природа реагирующих веществ

Природа реагентов зависит от энергии активации – минимальный запас энергии, который сохраняет молекула, чтобы произошло соприкосновение с другой молекулой.

Значение влияет на скорость химической реакции:

Скорость активации с промежуточными значениями характеризуется средней скоростью реакции. Половина частиц активно сталкивается, а вторая половина находится в спокойном состоянии.

Поверхность соприкосновения реагирующих веществ

Чем больше площадь исходного реагента, тем меньше скорость химической реакции. Например, вещества в виде порошка растворяются быстрее, чем твердые. Это также зависит от состояния кристаллической решетки, состояния ионов.

Влияние на скорость химической реакции

Факторы

Результат

Природа реагентов

Чем активнее исходное вещество, тем скорее протекает реакция

Концентрация исходных веществ

При увеличении концентрации исходных реагентов, реакция ускорятся

Площадь соприкосновения

Чем больше площадь соприкосновения, тем выше скорость

Температура

На каждые 10°С скорость увеличивается в 2-4 раза

Источник

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции — изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. Является ключевым понятием химической кинетики. Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение умножается на −1.

Например для реакции:

выражение для скорости будет выглядеть так:

.

В 1865 году Н. Н. Бекетовым и в 1867 году Гульдбергом и Вааге был сформулирован закон действующих масс:

Скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведенным степени, равные их стехиометрическим коэффициентам.

Для элементарных реакций показатель степени при значении концентрации каждого вещества часто равен его стехиометрическому коэффициенту, для сложных реакций это правило не соблюдается. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

Если мы рассмотрим самую простую химическую реакцию A + B → C, то мы заметим, что мгновенная скорость химической реакции величина непостоянная.

Литература

Полезное

Смотреть что такое «Скорость химической реакции» в других словарях:

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ — основное понятие химической кинетики. Для простых гомогенных реакций скорость химической реакции измеряют по изменению числа молей прореагировавшего вещества (при постоянном объеме системы) или по изменению концентрации любого из исходных веществ … Большой Энциклопедический словарь

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ — основное понятие хим. кинетики, выражающее отношение количества прореагировавшего вещества (в молях) к отрезку времени, за которое произошло взаимодействие. Поскольку при взаимодействии изменяются концентрации реагирующих веществ, скорость обычно … Большая политехническая энциклопедия

скорость химической реакции — [reaction rate] величина, характеризизующая интенсивность химической реакции. Скоростью образования продукта реакции называют количество этого продукта в результате реакции за единицу времени в единице объема (если реакция гомогенна) или на… … Энциклопедический словарь по металлургии

скорость химической реакции — основное понятие химической кинетики. Для простых гомогенных реакций скорость химической реакции измеряют по изменению числа молей прореагировавшего вещества (при постоянном объёме системы) или по изменению концентрации любого из исходных веществ … Энциклопедический словарь

Скорость химической реакции — величина, характеризующая интенсивность реакции химической (См. Реакции химические). Скоростью образования продукта реакции называется количество этого продукта, возникающее в результате реакции за единицу времени в единице объёма (если… … Большая советская энциклопедия

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ — осн. понятие хим. кинетики. Для простых гомогенных реакций С. х. р. измеряют по изменению числа молей прореагировавшего в ва (при пост. объёме системы) или по изменению концентрации любого из исходных в в или продуктов реакции (если объём системы … Естествознание. Энциклопедический словарь

МЕХАНИЗМ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ — Для сложных реакций, состоящих из неск. стадий (простых, или элементарных реакций), механизм это совокупность стадий, в результате к рых исходные в ва превращаются в продукты. Промежуточными в вами в этих реакциях могут выступать как молекулы,… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Реакции нуклеофильного замещения — (англ. nucleophilic substitution reaction) реакции замещения, в которых атаку осуществляет нуклеофил реагент, несущий неподеленную электронную пару.[1] Уходящая группа в реакциях нуклеофильного замещения называется нуклеофуг. Все … Википедия

Реакции химические — превращения одних веществ в другие, отличные от исходных по химическому составу или строению. Общее число атомов каждого данного элемента, а также сами химические элементы, составляющие вещества, остаются в Р. х. неизмененными; этим Р. х … Большая советская энциклопедия

скорость волочения — [drawing speed] линейная скорость движения металла на выходе из волоки, м/с. На современных волочильных машинах скорость волочения достигает 50 80 м/с. Однако даже при волочении проволоки скорость, как правило, не превышает 30 40 м/с. При… … Энциклопедический словарь по металлургии

Источник

Физическая химия

Химическая кинетика

Законы химической термодинамики позволяют определить направление и предел протекания возможного при данных условиях химического процесса, а также его энергетический эффект. Однако термодинамика не может ответить на вопросы о том, как осуществляется данный процесс и с какой скоростью. Эти вопросы – механизм и скорость химической реакции – и являются предметом химической кинетики.

1. Скорость химической реакции

Дадим определение основному понятию химической кинетики – скорости химической реакции:

Скорость химической реакции есть число элементарных актов химической реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности (для гетерогенных реакций).

Скорость химической реакции есть изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени.

Первое определение является наиболее строгим; из него следует, что скорость химической реакции можно также выражать как изменение во времени любого параметра состояния системы, зависящего от числа частиц какого-либо реагирующего вещества, отнесенное к единице объема или поверхности – электропроводности, оптической плотности, диэлектрической проницаемости и т.д. и т.п. Однако наиболее часто в химии рассматривается зависимость концентрации реагентов от времени. В случае односторонних (необратимых) химических реакций (здесь и далее рассматриваются только односторонние реакции) очевидно, что концентрации исходных веществ во времени постоянно уменьшаются (ΔС_исх 0). Скорость реакции считается положительной, поэтому математически определение средней скорости реакции в интервале времени Δt записывается следующим образом:

В различных интервалах времени средняя скорость химической реакции имеет разные значения; истинная (мгновенная) скорость реакции определяется как производная от концентрации по времени:

Графическое изображение зависимости концентрации реагентов от времени есть кинетическая кривая (рисунок 2.1).

Рис. 2.1 Кинетические кривые для исходных веществ (А) и продуктов реакции (В).

Истинную скорость реакции можно определить графически, проведя касательную к кинетической кривой (рис. 2.2); истинная скорость реакции в данный момент времени равна по абсолютной величине тангенсу угла наклона касательной:

Рис. 2.2 Графическое определение V_ист.

Необходимо отметить, что в том случае, если стехиометрические коэффициенты в уравнении химической реакции неодинаковы, величина скорости реакции будет зависеть от того, изменение концентрации какого реагента определялось. Очевидно, что в реакции

концентрации водорода, кислорода и воды изменяются в различной степени:

Скорость химической реакции зависит от множества факторов: природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, природы растворителя и т.д.

Одной из задач, стоящих перед химической кинетикой, является определение состава реакционной смеси (т.е. концентраций всех реагентов) в любой момент времени, для чего необходимо знать зависимость скорости реакции от концентраций. В общем случае, чем больше концентрации реагирующих веществ, тем больше скорость химической реакции. В основе химической кинетики лежит т. н. основной постулат химической кинетики:

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях.

Коэффициент пропорциональности k есть константа скорости химической реакции. Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л.

Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ определяется экспериментально и называется кинетическим уравнением химической реакции. Очевидно, что для того, чтобы записать кинетическое уравнение, необходимо экспериментально определить величину константы скорости и показателей степени при концентрациях реагирующих веществ. Показатель степени при концентрации каждого из реагирующих веществ в кинетическом уравнении химической реакции (в уравнении (II.4) соответственно x, y и z) есть частный порядок реакции по данному компоненту. Сумма показателей степени в кинетическом уравнении химической реакции (x + y + z) представляет собой общий порядок реакции. Следует подчеркнуть, что порядок реакции определяется только из экспериментальных данных и не связан со стехиометрическими коэффициентами при реагентах в уравнении реакции. Стехиометрическое уравнение реакции представляет собой уравнение материального баланса и никоим образом не может определять характера протекания этой реакции во времени.

В химической кинетике принято классифицировать реакции по величине общего порядка реакции. Рассмотрим зависимость концентрации реагирующих веществ от времени для необратимых (односторонних) реакций нулевого, первого и второго порядков.

Источник

Научная электронная библиотека

§ 2.1.4. Скорость химических реакций

Раздел химии, изучающий скорости химических реакций называется химической кинетикой.

Если под скоростью движения подразумевают векторную величину где t – время; S – вектор перемещения, то скоростью химической реакции по веществу А (v(А)) называется скалярная величина ,
где С(А) – концентрация или масса реагирующего вещества. Другими словами, если под скоростью движения подразумевают скорость направленного приращения расстояния, то скоростью химической реакции по веществу А называется абсолютное значение скорости приращения концентрации или массы вещества А. Например, если скорость реакции

по кислороду равна 0,01 моль/л∙с[20], то при тех же самых условиях скорость этой же реакции по NO окажется равной 0,02 моль/л∙с, потому что, согласно уравнению реакции, оксида азота (II), расходуется в 2 раза больше, чем кислорода. При этом, скорость реакции по оксиду азота (IV) также равна 0,02 моль/л∙с. Во избежание зависимости значения скорости от выбора вещества пользуются понятием «скорость химической реакции».

Скоростью химической реакции (v) называется скалярная величина где n – стехиометрический коэффициент при реагирующем веществе или продукте реакции. Иными словами, скоростью химической реакции называется отношение скорости химической реакции по веществу к стехиометрическому коэффициенту этого вещества. Для рассмотреной реакции v = 0,01 моль/л∙с независимо от того, расход какого из реагирующих веществ измеряется. Скорость реакции, определённая по образованию продукта реакции, при этом окажется равной также 0,01 моль/л∙с.

В простейших случаях мономолекулярных реакций твёрдых веществ, т. е. в случаях превращений молекул твёрдых веществ без взаимодействия с другими веществами, концентрация представляет собой неизменную плотность. Поэтому скорость таких реакций иногда определяют через изменение массы m:

Например, для реакции[21] Cu(OH)2(к.) = СuО + H2О

для реакции

Равенства с Cu(OH)2 описывают реакцию разложения, протекающую без изменения состава ядер атомов. Равенства с представляют реакцию распада, протекающую с разрушением ядра атома. В обоих случаях скорость процесса пропорциональна массе m разрушающегося вещества:

где k – константа скорости химической реакции. Причём, константа скорости реакции распада называется постоянной распада. Выражение (2.10) иначе можно записать так:

Строго говоря, величина уже не является скоростью химической реакции, поскольку приведена без модуля. Величина – представляет собой отрицательное изменение (уменьшение) массы во времени, т. е. .

Полагая, что t0 = 0, можно записать m = mо∙e–kt.

Поскольку m = NM; m0 = N0M, где М – молекулярная масса вещества; N0 и N – количество молекул вещества в начальный момент времени и по истечении времени t соответственно, то можно записать

Обозначив время, в течение которого разлагаются или распадаются половина молекул (период полураспада) через Т, последнее равенство можно преобразовать:

Если равенство (2.11) представить в виде

(2.12)

Равенства (2.11) и (2.12) представляют собой две формы закона радиоактивного распада, широко используемого при изучении реакций самопроизвольного распада радиоактивных элементов, таких как уран, нептуний, плутоний и др. Радиоактивными их стали называть из-за радиации, нередко сопровождающей распад[22]. Критерием устойчивости таких элементов как раз и является период полураспада. Как видно из предыдущих рассуждений, закон радиоактивного распада представляет собой лишь частный случай законов химической кинетики.

Следует отметить, что скорости мономолекулярных реакций разложения газообразных и растворённых веществ пропорциональны концентрации C лишь при небольших значениях концентраций. В частности, скорость разложения водного раствора гидроксида меди подчиняется равенству:

только при невысоких значениях С.

Из (2.10) и (2.13) следует, что или где или – удельная скорость химической реакции.

Удельная скорость мономолекулярных химических реакций постоянна, т. е. не зависит от массы или концентрации вещества.

Понятие «удельная скорость» применимо только к мономолекулярным процессам и неприменимо к реакциям, протекающим в результате столкновения молекул различного состава. Поэтому, в дальнейшем будем анализировать только скорость, не прибегая к рассмотрению удельной скорости.

Скорость реакций распада не зависит от температуры. Скорости же химических реакций, не сопровождающихся изменением состава ядра, в том числе и реакций разложения, зависят от температуры. Установлено, что при повышении температуры на каждые 10 °С скорость большинства таких реакций увеличивается в 2–4 раза.

Рассмотренные выше процессы относятся к реакциям первого порядка, т. к. их скорости зависят от концентрации (или массы) вещества в первой степени.

Скорости бимолекулярных реакций растворённых или газообразных веществ, т. е. скорости превращений, протекающих в результате химического взаимодействия двух молекул разных веществ А и В описываются равенством:

где [A] и [B] – концентрации веществ А и В соответственно, k константа скорости химической реакции. Например, для процесса

Тримолекулярные реакции протекают в результате столкновения трёх молекул[23], например:

Скорость приведённой реакции описывается равенством

На основании равенств (2.13)–(2.15) был сформулирован закон действия масс, который гласит: «Скорость простейшей (элементарной) реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам». При этом под элементарными подразумеваются реакции, протекающие в одну стадию. Показатель степени концентрации вещества в уравнениях для скорости химической реакции принято называть порядком реакции по этому веществу. Сумма порядков реакции называется общим порядком реакции. Например, порядок реакции (2.14) по водороду равен единице, по йоду – тоже единице. Общий порядок этой реакции равен двум, поэтому она относится к реакциям второго порядка. Порядок реакции (2.15) по NO равен двум, а по кислороду равен единице. Общий порядок реакции (2.15) равен трём, поэтому она относится к реакциям третьего порядка. Однако, следует иметь в виду, что реакции, описанные уравнениями (2.8) и (2.9) не могут быть простыми, потому что для этого необходимо столкновение десяти или даже четырнадцати молекул. Причём, трёх различных веществ. Вероятность такого события, практически равна нулю. Скорости реакций (2.8) и (2.9) не подчиняются закону действия масс в его классической формулировке, потому что протекают по сложному механизму, представляющему собой последовательность многочисленных мономолекулярных, бимолекулярных, тримолекулярных реакций. Общий порядок реакций, подчиняющихся закону действия масс, не может превышать 3.

В общем случае скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, определяемых экспериментально. То есть, для реакций (2.8) и (2.9) можно записать:

v = k∙[KMnO4]a∙[Na2SO3]b∙[H2SO4]C; (2.16)

v = k∙[K2Cr2O7]f∙[H2SO4]g∙[KI]h, (2.17)

где a, b, c, f, g, h – экспериментально определяемые порядки реакций по соответствующему веществу, отличные от их стехиометрических коэффициентов.

Следует подчеркнуть, что уравнения (2.14)–(2.17) справедливы для процессов протекающих в растворе или газовой фазе. Если же взаимодействующие вещества находятся в твёрдом состоянии, например

то скорость реакции прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ. На величину константы скорости большое влияние оказывает присутствие катализаторов и ингибиторов. Вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются, называют катализаторами. Вещества, которые замедляют скорость химических реакций, называют ингибиторами. Например, реакция 2SO2 + O2 = 2SO3 протекает значительно быстрее в присутствии V2O5. А окисление металлических изделий (коррозия), соприкасающихся с растворами, может быть предотвращено добавлением таких ингибиторов как NaNO2, K2CrO4, K2Cr2O7, Na3PO4 и др.

Примеры решения задач

1. Для реакции, подчиняющейся закону действия масс, определить во сколько раз изменится скорость реакции, если концентрацию первого вещества увеличить в 2 раза, а концентрацию второго уменьшить в 2 раза?

Прежде чем приступить к решению задачи необходимо определиться какая из двух реакций подчиняется закону действия масс. Общий порядок первой реакции равен 4. Поэтому она не может подчиняться закону действия масс. Общий порядок второй реакции равен трём. Значит, именно реакция окисления угарного газа подчиняется закону действия масс.

Ответ: .

2. Определить постоянную распада k калифорния (Сf) если период его полураспада T равен одному году. Сколько нераспавшегося калифорния останется от 1 кг через 1,5 года хранения.

Взаимосвязь постояной распада и периода полураспада любого радиоактивного вещества определяется равенством

.

I способ нахожения m

II способ нахождения m

m = 1∙2–1,5 ≈ 0,354 (кг) ≡ 354 (г).

Ответ: k ≈ 0,69 год–1; m ≈ 354 г.

Задачи для самостоятельного решения

1. Для реакции, подчиняющейся закону действия масс, определить во сколько раз изменится скорость реакции, если концентрации обоих реагирующих веществ увеличить в 3 раза?

2С2Н2 + 5О2 = 4СО2 + 2Н2О.

2. Определить постоянную распада кюрия (Сm) если период его полураспада равен 106 лет. Сколько не распавшегося кюрия останется от 300 г. через 500 000 лет.

3. Определить размерность и значение константы скорости для каждой из следующих химических реакций:

если во всех трёх случаях:

– реакции подчиняются закону действия масс;

В последних двух реакциях [В] = 0,3 моль/л.

1. Что такое химическая кинетика? Дайте определение скорости химической ре акции по веществу и скорости химической реакции.

2. Что такое мономолекулярная реакция? Бимолекулярная? Тримолекулярная? Приведите конкретные примеры. Возможно ли протекание тетрамолекулярных и пентамолекулярных реакций?

3. Сформулируйте закон действия масс и расскажите о границах его применимости.

4. Как влияют на скорость химической реакции температура, катализаторы, ингибиторы?

Источник