Речовина, що змінює швидкість хімічної реакції. Хімічна кінетика

Швидкість реакціївизначається зміною молярної концентрації однієї з реагуючих речовин:

V = ± ((С 2 - С 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DС / Dt)

Де С 1 і С 2 - молярні концентрації речовин у моменти часу t 1 і t 2 відповідно (знак (+) - якщо швидкість визначається за продуктом реакції, знак (-) - за вихідною речовиною).

Реакції відбуваються при зіткненні молекул речовин, що реагують. Її швидкість визначається кількістю зіткнень та ймовірністю того, що вони призведуть до перетворення. Число зіткнень визначається концентраціями реагуючих речовин, а ймовірність реакції - енергією молекул, що стикаються.
Чинники, що впливають швидкість хімічних реакцій.
1. Природа реагуючих речовин. Велику роль відіграє характер хімічних зв'язківта будова молекул реагентів. Реакції протікають у напрямку руйнування менш міцних зв'язків та утворення речовин із міцнішими зв'язками. Так, для розриву зв'язків у молекулах H 2 і N 2 потрібні високі енергії; такі молекули мало реакційні. Для розриву зв'язків у сильнополярних молекулах (HCl, H 2 O) потрібно менше енергії, і швидкість реакції значно вища. Реакції між іонами у розчинах електролітів протікають практично миттєво.
Приклади
Фтор з воднем реагує з вибухом за кімнатної температури, бром з воднем взаємодіє повільно і при нагріванні.
Оксид кальцію входить у реакцію з водою енергійно, із тепла; оксид міді – не реагує.

2. Концентрація. Зі збільшенням концентрації (числа частинок в одиниці об'єму) частіше відбуваються зіткнення молекул реагуючих речовин – швидкість реакції зростає.
Закон діючих мас (К. Гульдберг, П. Вааге, 1867 р.)
Швидкість хімічної реакціїпрямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин.

AA + bB +. . . ®. . .

• [A] a [B] b. . .

Константа швидкості реакції k залежить від природи реагуючих речовин, температури та каталізатора, але не залежить від значення концентрацій реагентів.
Фізичний зміст константи швидкості полягає в тому, що вона дорівнює швидкості реакції при поодиноких концентраціях речовин, що реагують.
Для гетерогенних реакцій концентрація твердої фази у вираз швидкості реакції не входить.

3. Температура. При підвищенні температури кожні 10°C швидкість реакції зростає в 2-4 разу (Правило Вант-Гоффа). При збільшенні температури від t 1 до t 2 зміну швидкості реакції можна розрахувати за такою формулою:

(де Vt 2 і Vt 1 - швидкості реакції при температурах t 2 і t 1 відповідно; g-температурний коефіцієнт цієї реакції).
Правило Вант-Гоффа застосовується лише у вузькому інтервалі температур. Більш точним є рівняння Арреніуса:

• e-Ea/RT

де
A - постійна, що залежить від природи речовин, що реагують;
R - універсальна газова постійна;

Ea – енергія активації, тобто. енергія, якою повинні мати стикаються молекули, щоб зіткнення призвело до хімічного перетворення.
Енергетична діаграма хімічної реакції.

А – реагенти, В – активований комплекс (перехідний стан), С – продукти.
Чим більша енергія активації Ea, тим більше зростає швидкість реакції зі збільшенням температури.

4. Поверхня дотику реагуючих речовин. Для гетерогенних систем (коли речовини знаходяться в різних агрегатних станах), що більше поверхню зіткнення, то швидше протікає реакція. Поверхня твердих речовин може бути збільшена шляхом їх подрібнення, а розчинних речовин - шляхом їх розчинення.

5. Каталіз. Речовини, що беруть участь у реакціях та збільшують її швидкість, залишаючись до кінця реакції незмінними, називаються каталізаторами. Механізм дії каталізаторів пов'язаний із зменшенням енергії активації реакції за рахунок утворення проміжних сполук. При гомогенний каталізреагенти і каталізатор становлять одну фазу (перебувають в одному агрегатному стані), при гетерогенний каталіз- Різні фази (перебувають у різних агрегатних станах). Різко уповільнити протікання небажаних хімічних процесів у ряді випадків можна додаючи в реакційне середовище інгібітори. негативного каталізу").

Дамо визначення основного поняття хімічної кінетики – швидкості хімічної реакції:

Швидкість хімічної реакції є число елементарних актів хімічної реакції, що відбуваються за одиницю часу в одиниці об'єму (для гомогенних реакцій) або на одиниці поверхні (для гетерогенних реакцій).

Швидкість хімічної реакції є зміна концентрації речовин, що реагують в одиницю часу.

Перше визначення є найсуворішим; з нього випливає, що швидкість хімічної реакції можна також виражати як зміну в часі будь-якого параметра стану системи, що залежить від кількості частинок будь-якої реагуючої речовини, віднесене до одиниці об'єму або поверхні - електропровідності, оптичної щільності, діелектричної проникності і т.д. і т.п. Проте найчастіше у хімії розглядається залежність концентрації реагентів від часу. У разі односторонніх (незворотних) хімічних реакцій (тут і далі розглядаються лише односторонні реакції) очевидно, що концентрації вихідних речовин у часі постійно зменшуються (ΔС вих.< 0), а концентрации продуктов реакции увеличиваются (ΔС прод >0). Швидкість реакції вважається позитивною, тому математично визначення середньої швидкості реакції в інтервалі часу Δt записується наступним чином:

(II.1)

У різних інтервалах часу середня швидкість хімічної реакції має різні значення; істинна (миттєва) швидкість реакції визначається як похідна від концентрації за часом:

(II.2)

Графічне зображення залежності концентрації реагентів від часу є кінетична крива (Рисунок 2.1).

Рис. 2.1 Кінетичні криві для вихідних речовин (А) та продуктів реакції (В).

Справжню швидкість реакції можна визначити графічно, провівши дотичну до кінетичної кривої (рис. 2.2); істинна швидкість реакції в даний момент часу дорівнює абсолютній величині тангенсу кута нахилу дотичної:

Рис. 2.2 Графічне визначення V іст.

(II.3)

Необхідно відзначити, що в тому випадку, якщо стехіометричні коефіцієнти в рівнянні хімічної реакції неоднакові, величина швидкості реакції залежатиме від того, зміна концентрації якого реагенту визначалося. Очевидно, що у реакції

2Н 2 + О 2 → 2Н 2 О

концентрації водню, кисню та води змінюються різною мірою:

ΔС(Н 2) = ΔС(Н 2 О) = 2 ΔС(О 2).

Швидкість хімічної реакції залежить від багатьох факторів: природи реагуючих речовин, їх концентрації, температури, природи розчинника і т.д.

Однією із завдань, що стоять перед хімічною кінетикою, є визначення складу реакційної суміші (тобто концентрацій всіх реагентів) у будь-який момент часу, для чого необхідно знати залежність швидкості реакції від концентрацій. У загальному випадкучим більше концентрації реагуючих речовин, тим більша швидкість хімічної реакції. У основі хімічної кінетики лежить т. зв. основний постулат хімічної кінетики:

Швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій речовин, що реагують, взятих в деяких ступенях.

Т. е. для реакції

АА + bВ + dD + ... → еЕ + ...

Можна записати

(II.4)

Коефіцієнт пропорційності k є константа швидкості хімічної реакції. Константа швидкості чисельно дорівнює швидкості реакції при концентраціях всіх речовин, що реагують, рівних 1 моль/л.

Залежність швидкості реакції від концентрацій реагуючих речовин визначається експериментально і називається кінетичним рівнянням хімічної реакції Очевидно, що для того, щоб записати кінетичне рівняння, необхідно експериментально визначити величину константи швидкості та показників ступеня при концентраціях речовин, що реагують. Показник ступеня при концентрації кожної з реагуючих речовин у кінетичному рівнянні хімічної реакції (у рівнянні (II.4) відповідно x, y та z) є приватний порядок реакції за цим компонентом. Сума показників ступеня в кінетичному рівнянні хімічної реакції (x + y + z) є загальний порядок реакції . Слід наголосити, що порядок реакції визначається тільки з експериментальних даних і не пов'язаний зі стехіометричними коефіцієнтами при реагентах у рівнянні реакції. Стехіометричне рівняння реакції є рівнянням матеріального балансу і аж ніяк не може визначати характеру перебігу цієї реакції в часі.

У хімічній кінетиці прийнято класифікувати реакції за величиною загального порядкуреакції. Розглянемо залежність концентрації реагуючих речовин від часу для незворотних (односторонніх) реакцій нульового, першого та другого порядків.

У житті ми стикаємося із різними хімічними реакціями. Одні з них, як іржавіння заліза, можуть тривати кілька років. Інші, наприклад, зброджування цукру на спирт, - кілька тижнів. Дрова в печі згоряють за кілька годин, а бензин у двигуні - за частку секунди.

Щоб зменшити витрати на обладнання, на хімічних заводах збільшують швидкість реакцій. А деякі процеси, наприклад, псування харчових продуктів, корозію металів - треба сповільнити.

Швидкість хімічної реакціїможна висловити як зміна кількості речовини (n, за модулем) в одиницю часу (t) - порівняйте швидкість тіла, що рухається у фізиці як зміна координат в одиницю часу: υ = Δx/Δt . Щоб швидкість не залежала від об'єму судини, в якій протікає реакція, ділимо вираз на об'єм реагуючих речовин (v), тобто отримуємозміна кількості речовини в одиницю часу в одиниці об'єму, або зміна концентрації однієї з речовин в одиницю часу:

де c = n/v - концентрація речовини,

Δ (читається «дельта») – загальноприйняте позначення зміни величини.

Якщо в рівнянні речовин різні коефіцієнти, швидкість реакції для кожного з них, розрахована за цією формулою буде різною. Наприклад, 2 моль сірчистого газу прореагували повністю з 1 моль кисню за 10 секунд в 1 літрі:

2SO 2 + O 2 = 2SO 3

Швидкість по кисню буде: υ = 1: (10 1) = 0,1 моль/л·с

Швидкість по сірчистому газу: υ = 2: (10 1) = 0,2 моль/л·с- це не потрібно запам'ятовувати та говорити на іспиті, приклад наведений для того, щоб не плутатися, якщо виникне це питання.

Швидкість гетерогенних реакцій (за участю твердих речовин) часто виражають на одиницю площі поверхонь, що стикаються:

Гетерогенними називаються реакції, коли реагуючі речовини перебувають у різних фазах:

• тверда речовина з іншим твердим, рідиною або газом,
• дві рідини, що не змішуються,
• рідина із газом.

Гомогенні реакції протікають між речовинами в одній фазі:

• між добре змішуються рідинами,
• газами,
• речовинами у розчинах.

Умови, що впливають на швидкість хімічних реакцій

1) Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин. Простіше кажучи, різні речовини реагують із різною швидкістю. Наприклад, цинк бурхливо реагує з соляною кислотою, а залізо досить повільне.

2) Швидкість реакції тим більше, що вище концентраціяречовин. З сильно розведеною кислотою цинк буде реагувати значно довше.

3) Швидкість реакції значно підвищується із підвищенням температури. Наприклад, горіння палива необхідно його підпалити, т. е. підвищити температуру. Для багатьох реакцій підвищення температури на 10 ° C супроводжується збільшенням швидкості 2-4 рази.

4) Швидкість гетерогеннихреакцій збільшується із збільшенням поверхні реагуючих речовин. Тверді речовини при цьому зазвичай подрібнюють. Наприклад, щоб порошки заліза і сірки при нагріванні вступили в реакцію, залізо має бути у вигляді дрібної тирси.

Зверніть увагу, що в даному випадку мається на увазі формула (1)! Формула (2) виражає швидкість на одиниці площі, отже, не може залежати від площі.

5) Швидкість реакції залежить від наявності каталізаторів чи інгібіторів.

Каталізатори- Речовини, що прискорюють хімічні реакції, але самі при цьому не витрачаються. Приклад - бурхливе розкладання перекису водню при додаванні каталізатора - оксиду марганцю (IV):

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

Оксид марганцю (IV) залишається на дні, його можна використати повторно.

Інгібітори- Речовини, що уповільнюють реакцію. Наприклад, для продовження терміну служби труб та батарей у систему водяного опалення додають інгібітори корозії. В автомобілях інгібітори корозії додаються в гальмівну рідину, що охолоджує.

Ще кілька прикладів.

Швидкість реакціївизначається зміною молярної концентрації однієї з реагуючих речовин:

V = ± ((С 2 - С 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DС / Dt)

Де С 1 і С 2 - молярні концентрації речовин у моменти часу t 1 і t 2 відповідно (знак (+) - якщо швидкість визначається за продуктом реакції, знак (-) - за вихідною речовиною).

Реакції відбуваються при зіткненні молекул речовин, що реагують. Її швидкість визначається кількістю зіткнень та ймовірністю того, що вони призведуть до перетворення. Число зіткнень визначається концентраціями реагуючих речовин, а ймовірність реакції - енергією молекул, що стикаються.
Чинники, що впливають швидкість хімічних реакцій.
1. Природа реагуючих речовин. Велику роль відіграє характер хімічних зв'язків та будова молекул реагентів. Реакції протікають у напрямку руйнування менш міцних зв'язків та утворення речовин із міцнішими зв'язками. Так, для розриву зв'язків у молекулах H 2 і N 2 потрібні високі енергії; такі молекули мало реакційні. Для розриву зв'язків у сильнополярних молекулах (HCl, H 2 O) потрібно менше енергії, і швидкість реакції значно вища. Реакції між іонами у розчинах електролітів протікають практично миттєво.
Приклади
Фтор з воднем реагує з вибухом за кімнатної температури, бром з воднем взаємодіє повільно і при нагріванні.
Оксид кальцію входить у реакцію з водою енергійно, із тепла; оксид міді – не реагує.

2. Концентрація. Зі збільшенням концентрації (числа частинок в одиниці об'єму) частіше відбуваються зіткнення молекул реагуючих речовин – швидкість реакції зростає.
Закон діючих мас (К. Гульдберг, П. Вааге, 1867 р.)
Швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин.

AA + bB +. . . ®. . .

• [A] a [B] b. . .

Константа швидкості реакції k залежить від природи реагуючих речовин, температури та каталізатора, але не залежить від значення концентрацій реагентів.
Фізичний зміст константи швидкості полягає в тому, що вона дорівнює швидкості реакції при поодиноких концентраціях речовин, що реагують.
Для гетерогенних реакцій концентрація твердої фази у вираз швидкості реакції не входить.

3. Температура. При підвищенні температури кожні 10°C швидкість реакції зростає в 2-4 разу (Правило Вант-Гоффа). При збільшенні температури від t 1 до t 2 зміну швидкості реакції можна розрахувати за такою формулою:

(де Vt 2 і Vt 1 - швидкості реакції при температурах t 2 і t 1 відповідно; g-температурний коефіцієнт цієї реакції).
Правило Вант-Гоффа застосовується лише у вузькому інтервалі температур. Більш точним є рівняння Арреніуса:

• e-Ea/RT

де
A - постійна, що залежить від природи речовин, що реагують;
R - універсальна газова постійна;

Ea – енергія активації, тобто. енергія, якою повинні мати стикаються молекули, щоб зіткнення призвело до хімічного перетворення.
Енергетична діаграма хімічної реакції.

А – реагенти, В – активований комплекс (перехідний стан), С – продукти.
Чим більша енергія активації Ea, тим більше зростає швидкість реакції зі збільшенням температури.

4. Поверхня дотику реагуючих речовин. Для гетерогенних систем (коли речовини перебувають у різних агрегатних станах), що більше поверхню зіткнення, то швидше протікає реакція. Поверхня твердих речовин може бути збільшена шляхом їх подрібнення, а розчинних речовин - шляхом їх розчинення.

5. Каталіз. Речовини, що беруть участь у реакціях та збільшують її швидкість, залишаючись до кінця реакції незмінними, називаються каталізаторами. Механізм дії каталізаторів пов'язаний із зменшенням енергії активації реакції за рахунок утворення проміжних сполук. При гомогенний каталізреагенти і каталізатор становлять одну фазу (перебувають в одному агрегатному стані), при гетерогенний каталіз- Різні фази (перебувають у різних агрегатних станах). Різко уповільнити протікання небажаних хімічних процесів у ряді випадків можна додаючи в реакційне середовище інгібітори. негативного каталізу").

Вивченням швидкості хімічної реакції та умовами, що впливають на її зміну, займається один із напрямків фізичної хімії - хімічна кінетика. Вона також розглядає механізми перебігу цих реакцій та їхню термодинамічну обґрунтованість. Ці дослідження важливі у наукових цілях, а й контролю взаємодії компонентів у реакторах під час виробництва всіляких речовин.

Поняття швидкості у хімії

Швидкістю реакції прийнято називати певну зміну концентрацій, що вступили в реакцію сполук (ΔС) в одиницю часу (Δt). Математична формула швидкості хімічної реакції виглядає так:

ᴠ = ±C/Δt.

Вимірюють швидкість реакції в моль/л∙с, якщо вона відбувається у всьому обсязі (тобто реакція гомогенна) та в моль/м 2 ∙с, якщо взаємодія йде на поверхні, що розділяє фази (тобто реакція гетерогенна). Знак «-» у формулі має відношення до зміни значень концентрацій вихідних реагуючих речовин, а знак «+» - до значень концентрацій продуктів, що змінюються, тієї ж самої реакції.

Приклади реакцій із різною швидкістю

Взаємодія хімічних речовинможуть здійснюватися з різною швидкістю. Так, швидкість наростання сталактитів, тобто утворення карбонату кальцію, становить лише 0,5 мм за 100 років. Повільно йдуть деякі біохімічні реакції, наприклад, фотосинтез та синтез білка. Із досить низькою швидкістю протікає корозія металів.

Середньою швидкістю можна охарактеризувати реакції, що вимагають від одного до кількох годин. Прикладом може бути приготування їжі, що супроводжується розкладанням і перетворенням сполук, які у продуктах. Синтез окремих полімерів потребує нагрівання реакційної суміші протягом певного часу.

Прикладом хімічних реакцій, швидкість яких досить висока, можуть бути реакції нейтралізації, взаємодія гідрокарбонату натрію з розчином оцтової кислоти, що супроводжується виділенням вуглекислого газу. Також можна згадати взаємодію нітрату барію із сульфатом натрію, при якому спостерігається виділення осаду нерозчинного сульфату барію.

Велика кількість реакцій здатна протікати блискавично та супроводжуються вибухом. Класичний приклад – взаємодія калію з водою.

Чинники, що впливають на швидкість хімічної реакції

Варто зазначити, що ті самі речовини можуть реагувати один з одним з різною швидкістю. Так, наприклад, суміш газоподібних кисню та водню може досить тривалий часне виявляти ознак взаємодії, проте при струшуванні ємності або ударі реакція набуває вибухового характеру. Тому хімічною кінетикою та виділено певні фактори, які мають здатність впливати на швидкість хімічної реакції. До них відносять:

• природу взаємодіючих речовин;
• концентрацію реагентів;
• зміна температури;
• наявність каталізатора;
• зміна тиску (для газоподібних речовин);
• площа зіткнення речовин (якщо говорять про гетерогенні реакції).

Вплив природи речовини

Така істотна відмінність у швидкостях хімічних реакцій пояснюється різними значеннямиенергії активації (Е а). Під нею розуміють деяку надмірну кількість енергії порівняно із середнім її значенням, необхідним молекулі при зіткненні, щоб реакція відбулася. Вимірюється в кДж/моль і значення зазвичай бувають у межах 50-250.

Вважають, що й Е а =150 кДж/моль для будь-якої реакції, то за н. у. вона мало протікає. Ця енергія витрачається подолання відштовхування між молекулами речовин і ослаблення зв'язків у вихідних речовинах. Іншими словами, енергія активації характеризує міцність хімічних зв'язків у речовинах. За значенням енергії активації можна попередньо оцінити швидкість хімічної реакції:

• Е а< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
• 40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
• Е а >120, тільки дуже мала частина зіткнень частинок призведе до реакції, і швидкість її буде низькою.

Вплив концентрації

Залежність швидкості реакції від концентрації найвірогідніше характеризується законом діючих мас (ЗДМ), який гласить:

Швидкість хімічної реакції має прямо пропорційну залежність від добутку концентрацій, що вступили в реакцію речовин, значення яких взяті у ступенях, що відповідають їм коефіцієнти стехіометрії.

Цей закон підходить для елементарних одностадійних реакцій, або ж будь-якої стадії взаємодії речовин, що характеризується складним механізмом.

Якщо потрібно визначити швидкість хімічної реакції, рівняння якої можна умовно записати як:

αА+ bB = ?С, то,

відповідно до вище зазначеного формулювання закону, швидкість можна знайти за рівнянням:

V = k · [A] a · [B] b , де

a та b - стехіометричні коефіцієнти,

[A] і [B] - концентрації вихідних сполук,

k - константа швидкості аналізованої реакції.

Сенс коефіцієнта швидкості хімічної реакції полягає в тому, що її значення дорівнюватиме швидкості, якщо концентрації сполук дорівнюватимуть одиницям. Слід зазначити, що з правильного розрахунку за цією формулою варто враховувати агрегатний стан реагентів. Концентрацію твердої речовини приймають рівною одиниці і не включають до рівняння, оскільки в ході реакції залишається постійною. Таким чином, до розрахунку ЗДМ включають концентрації тільки рідких і газоподібних речовин. Так, для реакції отримання діоксиду кремнію з простих речовин, що описується рівнянням

Si(тв) + Ο 2(г) = SiΟ 2(тв) ,

швидкість визначатиметься за формулою:

Типове завдання

Як змінилася б швидкість хімічної реакції монооксиду азоту з киснем, якби концентрації вихідних сполук збільшили вдвічі?

Рішення: Цьому процесу відповідає рівняння реакції:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 .

Запишемо вирази для початкової (1) і кінцевої (2) швидкостей реакції:

ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ] і

ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ].

ᴠ 1 /ᴠ 2 = (k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ]) / (k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ]).

ᴠ 2 / 1 = 4 · 2/1 = 8.

Відповідь: збільшилася у 8 разів.

Вплив температури

Залежність швидкості хімічної реакції від температури було визначено дослідним шляхом голландським ученим Я. Х. Вант-Гофф. Він встановив, що швидкість багатьох реакцій зростає у 2-4 рази із підвищенням температури на кожні 10 градусів. Для цього правила є математичний вираз, який має вигляд:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 , де

1 і 2 - відповідні швидкості при температурах 1 і 2;

γ - температурний коефіцієнт, що дорівнює 2-4.

Водночас це правило не пояснює механізму впливу температури на значення швидкості тієї чи іншої реакції та не описує всієї сукупності закономірностей. Логічно дійти невтішного висновку у тому, що з підвищенням температури, хаотичний рух частинок посилюється і це провокує більше їх зіткнень. Однак це не особливо впливає на ефективність зіткнення молекул, оскільки вона залежить головним чином від енергії активації. Також чималу роль ефективності зіткнення частинок має їх просторове відповідність одна одній.

Залежність швидкості хімічної реакції від температури, що враховує природу реагентів, підпорядковується рівнянню Арреніуса:

k = А 0 · е-Еа/RΤ, де

А про - множник;

Е а – енергія активації.

Приклад завдання на закон Вант-Гоффа

Як слід змінити температуру, щоб швидкість хімічної реакції, у якої температурний коефіцієнт чисельно дорівнює 3, виросту у 27 разів?

Рішення. Скористаємося формулою

ᴠ 2 = ᴠ 1 · γ (Τ2-Τ1) / 10 .

З умови 2 / 1 = 27, а γ = 3. Знайти потрібно ΔΤ = Τ 2 -Τ 1 .

Перетворивши вихідну формулу отримуємо:

V 2 /V 1 =γ ΔΤ/10 .

Підставляємо значення: 27=3 ΔΤ/10.

Звідси зрозуміло, що ΔΤ/10 = 3 та ΔΤ = 30.

Відповідь: температуру слід збільшити на 30 градусів.

Вплив каталізаторів

У фізичній хімії швидкість хімічних реакцій активно вивчає також розділ, який називається каталізом. Його цікавить, як і чому порівняно малі кількості тих чи інших речовин суттєво збільшують швидкість взаємодії інших. Такі речовини, які можуть прискорювати реакцію, але самі при цьому не витрачаються, називаються каталізаторами.

Доведено, що каталізатори змінюють механізм самої хімічної взаємодії, сприяють появі нових перехідних станів, для яких характерні менші висоти енергетичного бар'єру. Тобто вони сприяють зниженню енергії активації, а отже, і збільшенню кількості ефективних наголосів частинок. Каталізатор не може викликати реакцію, яка енергетично неможлива.

Так пероксид водню здатний розкладатися з утворенням кисню та води:

Н 2 Ο 2 = Н 2 Ο + Ο 2 .

Але ця реакція дуже повільна і в наших аптечках вона існує у незмінному вигляді досить довгий час. Відкриваючи лише дуже старі флакони з перекисом, можна помітити невелику бавовну, спричинену тиском кисню на стінки судини. Додавання всього кількох крупинок оксиду магнію спровокує активне виділення газу.

Та ж реакція розкладання перекису, але вже під дією каталази відбувається при обробці ран. У живих організмах є багато різних речовин, які збільшують швидкість біохімічних реакцій. Їх прийнято називати ферментами.

Протилежний ефект протікання реакцій надають інгібітори. Однак, це не завжди погано. Інгібітори використовують для захисту металевої продукції від корозії, для продовження терміну зберігання їжі, наприклад, для запобігання окисленню жирів.

Площа зіткнення речовин

У тому випадку, якщо взаємодія йде між сполуками, що мають різні агрегатні стани, або між речовинами, які не здатні утворювати гомогенне середовище (не змішуються рідини), то ще й цей фактор впливає на швидкість хімічної реакції суттєво. Пов'язано це з тим, що гетерогенні реакції здійснюються безпосередньо на межі поділу фаз взаємодіючих речовин. Очевидно, що чим ширший цей кордон, тим більше часток мають можливість зіткнутися, і тим швидше йде реакція.

Наприклад, набагато швидше йде у вигляді дрібних тріски, ніж у вигляді колоди. З тією ж метою багато твердих речовин розтирають у дрібний порошок, перш ніж додавати в розчин. Так, порошкоподібна крейда (карбонат кальцію) швидше діє із соляною кислотою, ніж шматочок тієї ж маси. Однак, крім збільшення площі, даний прийом призводить також до хаотичного розриву кристалічних ґрат речовини, а значить, підвищує реакційну здатність частинок.

Математично швидкість гетерогенної хімічної реакції знаходять, як зміна кількості речовини (Δν), що відбувається в одиницю часу (Δt) на одиниці поверхні

(S): V = Δν/(S·Δt).

Вплив тиску

Зміна тиску у системі впливає лише тому випадку, як у реакції беруть участь гази. Підвищення тиску супроводжується збільшенням молекул речовини в одиниці об'єму, тобто його концентрація пропорційно зростає. І навпаки, зниження тиску призводить до еквівалентного зменшення концентрації реагенту. У цьому випадку для обчислення швидкості хімічної реакції підходить формула, відповідна ЗДМ.

Завдання. Як зросте швидкість реакції, що описується рівнянням

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 ,

якщо обсяг замкнутої системи зменшити утричі (Т=const)?

Рішення. При зменшенні обсягу збільшується пропорційно тиск. Запишемо вирази для початкової (V 1) і кінцевої (V 2) швидкостей реакції:

V 1 = k · 2 · [Ο 2] і

V 2 = k · (3 ·) 2 · 3 · [Ο 2] = k · 9 [ΝΟ] 2 · 3 [Ο 2].

Щоб знайти у скільки разів нова швидкість більша за початкову, слід розділити ліві та праві частини виразів:

V 1 / V 2 = (k · 9 [ΝΟ] 2 · 3 [Ο 2]) / (k · [ΝΟ] 2 · [Ο 2]).

Значення концентрацій та константи швидкості скорочуються, і залишається:

V 2 / V 1 = 9 · 3/1 = 27.

Відповідь: швидкість зросла у 27 разів.

Підсумовуючи, слід зазначити, що у швидкість взаємодії речовин, а точніше, кількість і якість зіткнень їх частинок, впливає безліч чинників. Насамперед - це енергія активації та геометрія молекул, які практично неможливо скоригувати. Що ж до інших умов, то збільшення швидкості реакції слід:

• збільшити температуру реакційного середовища;
• підвищити концентрацію вихідних сполук;
• збільшити тиск у системі чи зменшити її обсяг, якщо йдеться про гази;
• привести різнорідні речовини до одного агрегатного стану (наприклад, розчинивши у воді) або збільшити площу їхнього дотику.