Кинетические кривые для реакции первого (1), второго (2) и третьего (3) порядков.
Кинетические кривые для реакции первого (1), второго (2) и третьего (3) порядков. - раздел Образование, ВЕЩЕСТВО И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО Ные — Второй, Тримолекулярные — Третий. Часто «Докопаться» До Элементарной С...
ные — второй, тримолекулярные — третий. Часто «докопаться» до элементарной стадии химического процесса очень непросто, и общий порядок реакции устанавливают экспериментально, определяя вид зависимости скорости реакции от концентрации данного реагента. Для процессов, механизм которых известен, можно также математически рассчитать общий порядок реакции, но это довольно сложная задача.
Чтобы найти зависимость концентраций реагентов от времени, на-
до решить дифференциальное уравнение. Например, все реакции первого порядка описываются дифференциальным уравнением -dc/dt=kс, где с — текущая концентрация вещества. Это уравнение имеет точное решение c(t) = со-е-kt (е=2,71828... — основание натуральных логарифмов, с0 — концентрация при t=0).
В реакциях первого порядка концентрация вещества убывает по экспоненциальному закону: за равные промежутки времени распадается равная доля вещества. Так, за время,
равное t1/2=ln2/k, всегда распадается ровно половина, поэтому tl/2называют периодом полупревращения вещества (см. дополнительный очерк «Экспонента и гиперболы»).
СКОРОСТЬ СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЙ
Даже по самому простому уравнению реакции нельзя сказать, является ли она элементарной или нет. Реакцию иода с водородом Н2+I2=2HI долгое время считали элементарной, потому что её скорость описывалась уравнением w = k[H2][I2],характерным для бимолекулярных реакций. Но потом выяснилось, что реакция эта сложная и состоит по меньшей мере из трёх элементарных. На первой стадии молекула иода при нагревании распадается на атомы: 12®k12I. Атомы могут либо опять превратиться в молекулу иода: 2I®k2I2,либо столкнуться с молекулой водорода и образовать две молекулы иодоводорода: 2I+Н2®k3HI
Совокупность элементарных стадий, составляющих сложную реакцию, называют механизмом реакции. С учётом трёхстадийного механизма реакции иода с водородом её скорость определяется формулой
при этом общая константа скорости (её обычно называют экспериментальной или эффективной) выражается через константы скоростей элементарных стадий. Мы видим, что два разных механизма реакции —- одностадийный и трёхстадийный — дают одинаковую зависимость скорости от концентрации реагентов. И чтобы понять, какой же механизм работает в действительности, нужны дополнительные экспериментальные данные. Исследование механизмов химических реакций — основная задача химической кинетики (так называемая обратная задача). Для изучения механизма реакции прежде всего экспериментально определяют зависимость скорости этой реакции от концентраций реагентов, т. е. порядок реакции по каждому реагенту. Затем предлагают пробный механизм и для него теоретически находят зависимость скорости от концентрации (решают так называемую прямую задачу). Если теоретическая зависимость совпадает с экспериментальной, механизм, возможно, подобран правильно, если нет — предлагают другой.
Многие сложные реакции включают большое количество (до нескольких десятков) элементарных стадий, каждая из которых описывается своим кинетическим уравнением. В таких случаях зависимость скорости от концентрации может оказаться очень сложной. Ситуация упрощается, если какая-либо из этих стадий протекает намного медленнее остальных. Тогда вступает в силу один из важных принципов кинетики — принцип лимитирующей стадии: скорость сложной реакции определяется скоростью самой медленной (лимитирующей) элементарной стадии.
Его ещё называют принципом бутылочного горлышка, узкого места, тормоза и т. д. — по бытовым аналогиям лимитирующей стадии. Действительно, если вода выливается через систему отверстий, то скорость всего процесса будет определяться скоростью её прохождения через самое узкое отверстие. Средняя скорость автомобиля на оживлённой магистрали зависит от скорости движения через «пробки» — места, где скапливается
много машин. Если взвод солдат бежит кросс, то результат взвода определяется скоростью бега самого медлительного бойца. Этот принцип часто позволяет выразить скорость сложной реакции через скорости одной или нескольких элементарных стадий.
В общем случае для сложных реакций тоже можно сформулировать закон действующих масс
ВЕЩЕСТВО И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
В конце XVIII в. итальянские учёные Луиджи Гальвани (1737—1798) и Алессандро Во'льта (1745—1827) создали первый химический источник тока. С этого открытия в истории цивилизации началась новая эра
Опыт Л. Гальвани. Гравюра. 1791 г.
объяснения. Прежде всего следовало ответить на вопрос: почему при замыкании цепи из двух металлических проводков лапка сокращается, какой раздражитель вызывает сокращения? Гальвани дал правильный
Вольтов столб. Чертёж из рукописи А. Вольта.
кружки цинковыми, а картон — сукном. В результате получилась удобная компактная батарея.
Вольта обнаружил, что при сочетании меди и цинка получаются «сильные» элементы, а из меди и сере
Гемфри Дэви.
ризонтально в сухих узких деревянных ящичках. Батарея состояла из трёхметровых рядов, соединённых последовательно медными скобками. Теоретически подобное устройство из 2100 мелно-цинковых пар мо
Лаборатория М. Фарадея. Гравюра. XIX в.
Значение этого закона, совершенно чётко связывающего электричество с химическими свойствами веществ, трудно переоценить. Известный английский электрохимик, сконструировавший один из первых галь
Ряд напряжений металлов.
следующие, но ни один из предыдущих. Поскольку водород во многих отношениях близок к металлам, его тоже поместили в этот ряд — он оказался перед медью; однако сам водород металлы, как правило, н
ЭТИ ЗАГАДОЧНЫЕ КОЛЛОИДЫ
В середине XIX в. английский химик Томас Грэм (1805—1869) обнаружил вещества с загадочными свойствами. При выпаривании их растворов вместо кристаллов получались аморфные студенистые массы. Они име
Коллоидные растворы (золи) золота.
щелевой ультрамикроскоп, с помощью которого можно было разглядеть частицы диаметром менее 0,01 мкм. Они-то и выдвинули идею универсальности коллоидного, или дисперсного (от лат.
Пётр Александрович Ребиндер.
к единице площади, характеризует поверхностное натяжение с. Вот почему коллоидные частицы обладают избытком энергии по сравнению с той же массой сплошного вещества. «Лишняя» энергия делает колло
ТЕПЛО ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Важнейшая особенность химических процессов — образование новых веществ. Однако не менее важно и то, что они протекают с выделением или поглощением энергии. В первом случае реакции называются эк
И температуру, и крепость спиртных напитков измеряют в градусах.
Напоминания об этой теории сохранились даже в современном разговорном языке. Так, мы говорим, что теплота «течёт» от горячего тела к холодному, как будто речь идёт о жидкости. Слово «температура»
Эмануэль Клаузиус.
ЯЗЫК СОВРЕМЕННОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Всякий объект, который изучает термодинамика, называется термодинамической системой. Система — это некоторая часть материального мира, ограниченная
Юлиус Роберт Майер.
«официальным» учёным, входящим в университетскую корпорацию. В конце концов Мор послал статью в Вену и... забыл о ней. Лишь спустя 30 лет он случайно обнаружил, что его работу всё-таки напечатали!
Джеймс Прескотт Джоуль
Позднее величина механического эквивалента теплоты несколько раз уточнялась. Джоуль в 1843 г. получил значение 460 кГм, американский физик Генри Август Роуланд (1848—1901) в 1880 г. — 427 кГм, ч
Герман Иванович Гесс.
КАК ИЗМЕРЯЮТ ТЕПЛОТУ
Количество теплоты измеряют по её переносу от одного тела к другому. Повышение температуры тела определяется его теплоёмкостью: С = Q/DT, где С — тепло
Живой организм — это тоже своего рода тепловая машина.
джоуль. Поскольку пища — разнородная смесь, её калорийность, как правило, приводят в виде средних значений в расчёте на 100 г.
Начало таким измерениям положили Антуан Лавуазье и Пьер С
БЫТЬ ИЛИ НЕ БЫТЬ РЕАКЦИИ? ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Едва ли найдётся другая научная теория, столь простая по своим основным идеям и столь универсальная по охвату разнообразных природных явлений и процессов, как термодинамика. Она объясняет плавле
Людвиг Больцман.
а воздух в комнате нагревается. Однако обратный процесс невозможен, хотя он и не противоречил бы первому закону.
Оказывается, правило таково: самопроизвольные процессы всегда сопровождаю
Уильям Томсон, лорд Кельвин.
Как видим, формулировки Клаузиуса и Кельвина накладывают определённые ограничения на использование теплоты для производства работы и обосновывают невозможность создания вечного д
Вечный двигатель. Старинная гравюра.
Таким образом, изменение энтропии является однозначным критерием самопроизвольности реакции, протекающей в изолированной системе:
DS>0 — реакция протекает самопроизвольно;
Энтропия — царица хаоса.
реакция протекает с увеличением числа молей газов в системе, то энтропия системы возрастает, и наоборот. Например, энтропия сильно увеличивается в реакции СаСО3=СаО+СО2 и у
СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
(CuОН)2СО3.
Золотые украшения сохраняют свою красоту и блеск веками. А вот брошенный на улице старый автомобиль спустя несколько лет превращается в груду ржавого м
Механизм бимолекулярной реакции.
*Изомеризация — изменение строения без изменения состава молекулы.
ТЕОРИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ
Если реакции протекают при столкновении молекул, то скорость реакций должна напрямую
При нагревании.
где g — температурный коэффициент, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при нагревании на 10 °С (или, что одно и то же, на 10 К).
Однако правило Вант-Гоффа спр
ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ
КОГДА РЕАКЦИЯ ОСТАНАВЛИВАЕТСЯ
Если смешать растворы кислоты и щёлочи, образуются соль и вода, например:
НСl+NaOH=NaCl+H2O. Если же попытаться провести реакцию хлорида
Анри Луи Ле Шателье.
РАССЧИТЫВАЕМ КОНЦЕНТРАЦИЮ КИСЛОТЫ
Константы равновесия определены для очень многих реакций. В большинстве случаев известно и то, как изменяется величина Кравн в з
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов