Лекция по курсу "Химия" на тему: "Скорость химической реакции"

доцент Гарибян Ирина Ивановна

Лекция по курсу «Химия»

Тема:

"СКОРОСТЬ   ХИМИЧЕСКОЙ   РЕАКЦИИ»

План:

1.	Химическая кинетика, тепловой эффект реакции, закон Гесса, Эндотермические реакции,  экзотермические  реакции.
2.	Скорость химической реакции в гомогенных системах
3.	Скорость химической реакции в гетерогенных системах

Опорные слова:	система, тепловой эффект, экзотермические реакции, экдотермические реакции, скорость химической реакции в гомогенной системе, в    гетерогенной  системе.
Цель учебного занятия: Сформировать целостное представление о скорости химических реакций и факторах, влияющих на неё.

Уравнения химических реакций основаны на законе сохранения массы реагирующих веществ: поскольку при химических реакциях атомы сохраняются, масса атомов, вступивших в реакцию, в точности равна массе атомов, содержащихся в продуктах реакции. Это количественная сторона химических реакций. Её используют для расчётов по уравнениям химических реакций. В основе химических и физических явлений лежит также  закон сохранения и превращения энергии. Поэтому в уравнение химической реакции могут входить значения теплового эффекта или теплоты реакции  (Q).   Поскольку образование связи идет с выделением, а ее разрыв - с поглощением энергии, то химические реакции сопровождаются энергетическими эффектами. Обычно энергия выделяется и поглощается в форме теплоты, т.е. химическая форма энергии преобразуется в тепловую. Так, горение, соединение металлов с серой или с хлором, нейтрализация кислот со щелочами. Таким образом, химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами.

● Тепловой эффект процесса – количество теплоты, которое выделяется  или поглощается  химической системой при протекании в ней  химической   реакции.

 Раздел химии, изучающий тепловые эффекты химических процессов, называют термохимией. В термохимии тепловой эффект обозначается символом  Q и выражается в джоулях (Дж) и килоджоулях (кДж).

       ● Химические реакции, при которых наблюдается выделение энергии, называют экзотермическими, т.е. они  проявляют положительный тепловой эффект (Q > 0). 

Например, HCl + NaOH → NaCl + H₂O + Q

      ● Химические реакции, сопровождающиеся поглощением энергии, называют эндотермическими, проявляют отрицательный тепловой эффект (Q < 0).  Например, N₂ + O₂ 2NO – Q

Величина теплового эффекта зависит от природы исходных веществ и продуктов реакции, их агрегатного состояния и температуры.

         Основной принцип, на котором основываются все термохимические расчёты, установлен в 1840 г. выдающимся русским учёным - химиком акад. Г.И. Гессом. Этот принцип, известный под названием закона Гесса и являющийся частным случаем закона сохранения энергии, можно сформулировать так:

         ● Тепловой эффект химической  реакции или физико - химического  процесса не зависит от пути перехода из начального состояния системы в конечное состояние, а определяется только природой и состоянием исходных и конечных веществ.

● Химическая кинетика - раздел химии,  изучающий скорость химических реакций, механизмы их протекания и факторы, влияющие на скорость.

Системы, которые состоят из одной фазы, называются гомогенными, или однородными. Примером гомогенных систем являются газовые смеси, растворы. Системы, которые состоят из двух или нескольких фаз называются гетерогенными (неоднородными). Гетерогенными системами являются смеси твёрдых веществ, газ + твёрдое веществ, жидкость + твёрдое вещество.

         ● Химическая реакция    -  процесс превращения  одних веществ  в другие, отличающиеся  от исходных  веществ  составом   и свойствами.

         В гомогенных системах, протекающих при постоянном объёме, исследуется скорость реакции между реагентами, не имеющими границы раздела (газовые реакции, реакции в растворах).

● Скорость   химической реакции в гомогенных системах    – это   изменение  количества вещества, вступающего в реакцию или образующегося  в  результате  реакции за единицу времени в единице объёма системы. 

 

         где  V_гомог. - скорость реакции в гомогенной системе

                 ν  -  число молей какого-либо из получающихся  при  реакции

                        веществ

                 V - объём системы

                  τ - время, сек.

        

Отношение  изменения количества вещества  к объёму системы это  концентрация. Поэтому можно сказать, что скорость реакции в гомогенных системах  измеряется изменением концентрации одного из  веществ, участвующих в процессе, за единицу времени.

,           

         где знак «+» относится к изменению концентрации вещества, образующегося в результате реакции (ΔС>0), а знак «-» - к изменению  концентрации вещества, вступающего в реакцию (ΔС<0). Изменение концентрации исходных веществ и продуктов реакции во времени приведено на рис

             Рис.   Зависимость изменения концентраций исходного 

                        вещества и продукта реакции  от времени.

Реакции могут протекать с различными скоростями. Обычно для реакций, протекающих в газах или растворах, концентрации реагентов выражают в моль/л, а скорость реакции — в моль/(л· мин) или моль/(л· с). Если, например, исходная концентрация одного из реагирующих веществ составляла 2 моль/л, а через 3 сек. от начала реакции она стала 0,8 моль/л, то средняя скорость будет равна (2–0,8)/3=0,4 моль/(л ∙ с)

В  гетерогенных (неоднородных) – взаимодействие протекает на границе раздела между реагирующими веществами, находящимся в разных фазах. Например: А – твёрдое вещество, В – газ или А – твёрдое вещество, В – вещество в растворе.

         ● Скорость химической реакции  в гетерогенных системах  -                это изменение количества  веществ, вступивших в реакцию или образовавшихся в результате реакции в единицу времени на единице    поверхности раздела фаз.

 Это  можно записать в математической форме:

 

где  V_гетер. - скорость реакции в гетерогенной системе

                  τ - время, сек.

                 S  - площадь поверхности фазы, на которой протекает

Всякое увеличение поверхности приводит и к увеличению скорости реакции.

         Скорость химической реакции зависит от многих факторов.

1. Природа  реагентов.

         2. Концентрация  реагирующих веществ.

         Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. А число столкновений молекул тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ. В 1865 г. проф. Н.Н. Бекетов  впервые высказал гипотезу о количественной взаимосвязи между реагентами и временем течения реакции. Эта гипотеза нашла подтверждение в основном законе химической кинетики, сформулированном в 1867 г. норвежскими учёными  К. Гульдбергом и П. Вааге и названном законом действующих масс:

● При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций  реагирующих веществ, взятых в степенях с показателями, равными стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.  

Для реакции  в общем виде: aA + bB = cC + dD математическое выражение закона действующих масс имеет вид:

V₁ = k₁∙ [A]^a ∙ [B]^b

где    V₁ - скорость прямой   реакции,

       [A]  и [B] - молярные концентрации реагирующих веществ

                          A и  B,  моль/л

        a и b – стехиометрические  коэффициенты  в уравнении,

              k₁ – коэффициент пропорциональности, называемый  константой 

                     скорости  прямой  реакции.

 Так, для реакции окисления оксида серы (IV):

 2SO₂ + O₂  2SO₃

          V₁ = k₁• [SO₂]² ∙ [O₂]

Основной закон химической кинетики не учитывает реагирующие вещества, находящиеся в твёрдом состоянии, ибо их концентрации постоянны, в ходе реакции не изменяются, и они реагируют на поверхности.  Так, при восстановлении оксида железа (II) водородом

        FeO + H₂ = Fe + H₂O

        V₁ = k₁ • [Н₂]

Константа скорости химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, от температуры, от присутствия катализатора, но не зависит от концентрации веществ, участвующих в реакции.

          3. Температура  реакции.

С повышением температуры скорость реакции возрастает, т.к. увеличивается скорость движения молекул и возрастает число активных молекул. Зависимость скорости химической реакции от температуры выражает правило Вант – Гоффа (конец XIX в., голландский химик):

● Для газовых реакций при увеличении температуры на    каждые 10⁰С скорость химической реакции увеличивается в 2-4  раза.

         Математически эта зависимость выражается соотношением:

 

где V₁  и  V₂ – скорости  реакции  соответственно при начальной (t₁)  и

                       конечной  (t₂) температурах,

               γ - температурный коэффициент скорости реакции, для  различных реакций  он  различен.

4. Поверхность   соприкосновения  реагирующих веществ. Чем больше поверхность соприкосновения реагирующих веществ, тем быстрее протекает реакция. Вот почему твёрдые вещества значительно быстрее реагируют в измельчённом виде, т.к. в гетерогенных системах реакция происходит на поверхности раздела фаз. Например, растёртый в порошок мел быстрее растворяется в соляной кислоте, чем равный по массе кусочек мела.

         5. Катализатор.

         ● Катализатор - вещество, которое в незначительных количествах существенно увеличивает  скорость химической   реакции, не изменяя после её окончания своего химического состава и количества. Катализаторы могут быть твёрдыми, жидкими и газообразными веществами.

● Изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов называют катализом.

 Реакции, протекающие при  участии катализаторов, называются каталитическими. Катализ называется положительным, если скорость реакции увеличивается, и отрицательным, если скорость уменьшается.

         Различают  гомогенный и гетерогенный  катализ.

         При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии (образуют одну фазу).  В этом случае между катализатором и реагирующими веществами отсутствует поверхность раздела. Например: реакция окисления оксида серы (VI)                                                                              

                    2SO₂ + O₂  2SO₃

                                      NO

При гетерогенном катализе – в разных агрегатных состояниях (фазах). Обычно, катализатор в твердом состоянии, а реагенты - в жидком или газообразном.  Например, окисление аммиака (газообразная фаза) в присутствии платины (твёрдая фаза).

         4NH₃ + 5O₂  4NО + 6Н₂O

                                                   Pt

Существуют вещества, которые замедляют химические реакции. Их называют отрицательными катализаторами или ингибиторами.

             Контрольные вопросы:

1.	Что такое скорость химической реакции? Единицы её измерения
2.	От каких факторов зависит скорость химической реакции?
3.	Каков физический смысл константы скорости химической реакции?
4.	Какие вещества называются катализаторами и ингибиторами и для чего  они служат?
5.	Напишите математическую запись правила Вант -Гоффа и дать определение.

Краткое описание документа:

Приведена лекция по курсу "Химия" на тему: "Скорость химической реакции". Даны основные понятия темы: тепловой эффект реакции, скорость, гетерогенная и гомогенная системы, катализ, закон действующих масс, правило Вант-Гоффа, эндотермические, экзотермические реакции. Указаны факторы, влияющие на скорость химической реакции. В конце лекции имеются контрольные вопросы