Раздел химии, изучающий скорость химической реакции, называют химической кинетикой.

От чего же зависит скорость реакции?

· В первую очередь – от природы веществ: одни вещества реагируют мгновенно, другие – медленно.

· Затем – от концентрации реагентов: чем она больше, тем чаще будут сталкиваться частицы.

· В-третьих, повышение температуры также будет ускорять реакцию: чем выше температура, тем легче частицам образовывать активированный комплекс и преодолеть энергетический барьер.

· Для гетерогенных реакций самый важный фактор – площадь контакта реагентов (она

напрямую зависит от степени измельчения).

· Наконец, в присутствии веществ-катализаторов тоже достигается рост скорости реакции.

Рассмотрим более подробно каждый из факторов.

Влияние концентраций веществ на скорость химической реакции

Чтобы вещества прореагировали, необходимо, чтобы их молекулы столкнулись. Очевидно, что вероятность столкновения молекул прямо пропорциональна количеству молекул реагентов в единице объема, т.е. молярным концентрациям реагентов.

В середине XIX в. (1865 г. – Н.Н. Бекетов, 1867 г. – К. Гульдберг, П. Вааге) был сформулирован основной постулат химической кинетики, называемый также законом действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных коэффициентам перед формулами веществ в уравнении реакции: υ = k [A]а * [B] b, для реакции aA + bB = cC + dD, где υ – скорость химической реакции; [А] – концентрация вещества А; [В] – концентрация вещества В; k – константа скорости реакции (коэффициент пропорциональности); а и b – коэффициенты в уравнении реакции.

Если [А]= [В]= 1 моль/л, то скорость химической реакции (υ) равна константе (k). Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации вещества.

Например, напишем кинетическое уравнение для реакции синтеза аммиака

N2 (г) + 3 H2 (г) ↔ 2 NH3 (г): υ = k [N2] * [H2] 3.

В закон действующих масс не входят концентрации твердых веществ, т. к. реакции с твердыми веществами протекают на их поверхности, где «концентрация» вещества постоянна.

Влияние поверхности соприкосновения реагентов на скорость химической реакции

Скорость гетерогенной реакции прямо пропорциональна площади поверхности соприкосновения реагентов. Но в этом определении есть нюансы. Твердые вещества, участвующие в гетерогенной реакции, для увеличения скорости взаимодействия измельчают, чтобы увеличить площадь поверхности частиц. Например, уголь для приготовления пороха растирают в порошок. Жидкость для реакции с газом распыляют в мельчайшие капельки: так, дизельное топливо (смесь углеводородов) впрыскивают в камеру, где оно встречается с воздухом, через специальное устройство, обеспечивающее распыление.

Влияние природы реагентов на скорость химической реакции

Константа скорости реакции зависит в первую очередь от природы реагирующих веществ. Калий быстрее взаимодействует с водой, чем натрий, а литий – еще медленнее натрия. Водород реагирует с кислородом очень быстро (часто со взрывом), а азот с кислородом – крайне медленно и лишь в жестких условиях (электрический разряд, высокие температуры).

Под «природой реагирующих веществ» понимают:

1. для веществ молекулярного строения – тип химических связей в молекулах реагентов, прочность связей. Чтобы молекула прореагировала, связь в ней необходимо разорвать.

2. для веществ немолекулярного строения (ионный или атомный кристалл) – строение кристаллической решетки, ее прочность.

3. для веществ, у которых «молекула» состоит из одного атома (например, металлы, благородные газы) – строение электронной оболочки атома, прочность связывания внешних электронов.

4. для молекул сложной формы – вероятность благоприятного для реакции взаимного расположения реагентов при соударении.

Влияние температуры на скорость химической реакции

При повышении температуры скорость химических реакций обычно возрастает. Это объясняется теорией активации: энергия необходимая для активирования молекул, называется энергией активации (Е акт).

Молекулы

Неактивные Активные

(Энергия молекул меньше (Энергия молекул

энергии активации: больше энергии активации:

Е мол ‹ Е акт) Е мол › Е акт)

С повышением температуры увеличивается число активных молекул, поэтому увеличивается скорость реакции.

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10оС скорость большинства химических реакций увеличивается в 2–4 раза. Это правило математически выражается следующей формулой:

где γ – температурный коэффициент, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10оС.

Катализ и ингибирование

Есть вещества, которые влияют на скорость химической реакции, не являясь при этом реагентами. Они принимают в реакции самое непосредственное участие, но в результате реакции остаются неизменными. Такие вещества называются катализаторами, если они ускоряют реакцию, и ингибиторами, если замедляют ее. Механизм действия катализаторов объясняется образованием промежуточных соединений. Например, механизм действия катализатора К в реакции А + В = АВ можно схематически показать так:

А + К = АК АК + В = АВ + К

А + В = АВ (АК – промежуточное соединение).

В присутствии катализатора изменяется путь, по которому происходит суммарная реакция, поэтому изменяется ее скорость. Например: 2SO2 + O2 = 2 SO3 (медленно);

2SO2 + O2 = 2 SO3 (присутствии катализатора NO – быстро).

Механизм: 2 NO + O2 = 2 NO 2 (быстро)

NO2 + SO2 = SO3 + NO (быстро). NO – катализатор, NO 2 - промежуточное соединение. (приложение, рисунок 6)

Особый случай катализа – аутокатализ, или ускорение реакции одним из ее продуктов. При этом скорость реакции не уменьшается по мере расходования реагентов, а растет. Так, реакция

2KMnO4 + 5K2SO3 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 6K2SO4 + 3H2O

ускоряется по мере накопления ионов Mn2+, образующихся при восстановлении перманганата.

Методика и результаты исследования

1. Зависимость скорости реакции от природы взаимодействующих веществ

Цель: проверить влияние природы реагирующих веществ на скорость химической реакции.

А. Оборудование: 0,5 М раствор тиосульфата натрия (79 г./л), 0,5 М раствор серной кислоты, 1 М раствор соляной кислоты, 0,5 М раствор ортофосфорной кислоты, дистиллированная вода, пробирки, черная бумага, часы с секундной стрелкой.