Лабораторная работа
Скорость химических реакций теоретическое введение
Для рассмотрения вопроса о скорости химических реакций необходимо различать:
Гомогенные системы – однородные системы, не имеющие границ раздела. Реакции в них протекают во всем объеме. Такие реакции протекают в растворах и в газовых смесях, когда реагенты находятся в одинаковых агрегатных состояниях.
Гетерогенные системы – неоднородные системы, имеющие границу раздела. Реакции в них протекают на поверхности раздела фаз. Такие реакции протекают между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях.
Скорость химической реакции υ – изменение концентрации веществ (С) в единицу времени (t) при постоянном реакционном объеме системы (для гомогенных систем).
υ = |
ΔС |
= |
(С2 – С1) |
[υ] = моль/л∙с |
Δt |
(t2 – t1) |
Для гетерогенных систем скорость реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени на единице поверхности фазы.
Скорость химической реакции зависит от следующих факторов:
Природа реагентов;
Концентрация реагирующих веществ;
Температура реакционной системы;
Наличие катализатора в системе;
Площадь поверхности твердого вещества (в гетерогенной системе).
Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ выражается Законом действующих масс:
При постоянной температуре скорость химической реакции прямопропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам при этих веществах.
Математическое выражение Закона действующих масс:
aA + bB = cC + dD
Combin = k[A]a[B]b
где k – константа скорости химической реакции, [A] и [B] – концентрации реагентов А и В.
Если [A] = [B]= 1 моль/л, тогда k = υ.
Таким образом, константа скорости химическое реакции – это скорость химической реакции при концентрациях реагирующих веществ 1 моль/л.
Пример: 2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г)
Combin = k[SO2]2[O2]
Combin = k[SO3]2
Концентрация твердых веществ остается постоянной, поэтому на скорость реакции она не влияет и в выражение Закона действующих масс не записывается:
Пример: CaCO3(тв) + H2O(ж) + CO2(г) = Ca(HCO3)2(водн)
Combin = k[H2O][CO2]
Combin = k[Ca(HCO3)2]
Пример: CaO(тв) + CO2(г) = CaCO3(тв)
Combin = k[CO2]
Combin = k
Зависимость скорости химической реакции от температуры реакционной системы приближенно выражается правилом Вант-Гоффа:
При повышении (понижении) температуры на каждые 10 градусов скорость большинства химических реакций увеличивается (уменьшается) в 2‑4 раза.
υ2 = υ1·γ\s\up 15(\x\bo(T2-T1= υ1·γ\s\up 15(\x\bo(ΔT
где υ1 и υ2– скорости химической реакции при соответствующих температурах T1 и T2; γ – температурный коэффициент.
Если ΔT = T2 – T1 = 10, тогда υ2 = υ1·γ
Температурный коэффициент показывает, во сколько раз изменяется скорость химической реакции при изменении температуры на 10 градусов . Для большинства химических реакций γ принимает значение от 2 до 4.
Правило Вант-Гоффа выполняется лишь в очень небольших интервалах температур.
Более точно зависимость скорости реакции от температуры отражает уравнение Аррениуса:
k = Ao·
где k – константа скорости реакции, с-1
Ao – предэкспоненциальный множитель
Еа – энергия активации, Дж/моль
R – универсальная газовая постоянная. R = 8,31 Дж/моль·К
Т – абсолютная температура, К
Предэкспоненциальный множитель Ao учитывает вероятность правильной ориентации реагирующих частиц в пространстве Рор , а также частоту столкновений Z. С ростом числа и сложности реагирующих молекул Ао уменьшается.
Энергия активации Еа – минимальная энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы их столкновение привело к химическому взаимодействию.
Измеряется Еа в Дж/моль и для большинства реакций принимает значения 40-400 кДж/моль.
Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными.
Чем меньше Еа, тем большее число молекул в системе будут обладать такой энергией, и, следовательно, больше столкновений приведет к образованию продуктов реакции. То есть, чем меньше энергия активации, тем больше скорость реакции.
Чем больше Еа, тем меньше в системе активных молекул и, следовательно, меньше скорость реакции.
Энергию активации можно рассчитать с помощью уравнения Аррениуса, зная значения констант скоростей реакции при разных температурах:
Ea = |
R T1 T2 ln\s\up 7(\x\bo(k2 |
T2-T1 |
Или зная значение температурного коэффициента γ :
Ea = |
R T1 T2 lnγ |
T2-T1 |
где Ea – энергия активации, Дж/моль ,
R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·K),
T1 и T2 – значения абсолютной температуры реакции, K
k1 и k2 – константы скорости реакции при температурах T1 и T2 , с-1
γ – температурный коэффициент