Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Закон действующих масс
Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Закон действующих масс - раздел Химия, По дисциплине Химия КУРС ЛЕКЦИЙ
На Скорость Химических Реакций Оказывают Влияние Следующие Фа...
На скорость химических реакций оказывают влияние следующие факторы: природа и концентрации реагирующих веществ; температура, природа растворителя, присутствие катализатора и т.д.
Зависимость скорости химических реакций от концентрации устанавливает закон действующих (действия) масс, сформулированный Гульдбергом и Вааге (1867), этот закон и является основным законом кинетики: скорость химической реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степени стехиометрического коэффициента данного вещества в уравнении реакции.
Для гомогенной реакции общего вида
аA + вB → сC + dD
uпр = k1CАа CВв, (5.4)
uобр = k2Cсс CDd, (5.5)
где uпр – скорость прямой реакции;
uобр – скорость обратной реакции;
СА,CB,CC и CD – концентрации реагирующих веществ, например, моль/дм3;
а, в, с, и d – стехиометрические коэффициенты участников реакции;
k1 и k2 – коэффициенты пропорциональности, названные константой скорости химической реакции.
Для газов вместо концентрации можно использовать давления
uпр = k1РАа РВв.
Определим физический смысл константы скорости. Примем концентрации веществ А и В равными 1 моль/дм3 (СА = CB = 1 моль/дм3), тогда uпр = k1. Таким образом, константа скорости – это скорость реакции, если концентрации реагирующих веществ равны 1 моль/дм3. Константа скорости зависит от тех же факторов, что и скорость, за исключением концентрации веществ. Причем, чем больше величина константы скорости, тем больше скорость процесса. Константу скорости можно найти опытным путем или посчитать, используя уравнения, описывающие механизм химической реакции.
Зависимость константы скорости (и скорости) процесса от температуры определяет приближенное правило Вант-Гоффа: увеличение температуры на каждые 10 ОС увеличивает скорость процесса в 2 - 4 раза.
Аналитическое выражение этого правила в общем виде:
(5.6)
где k1 и k2 – константы скорости при температуре t1 и t2,
Правило Вант-Гоффа применяют при изменении температуры ниже 30 ºС. При более высоких изменениях температуры используют уравнение Аррениуса
lnk = B – , (5.7)
где А и В – постоянные величины для данной реакции.
Скорость гетерогенных реакций имеет ряд особенностей. Гетерогенные реакции идут на поверхности раздела фаз, которая и служит реакционным пространством (поверхностью). Поэтому первой особенностью кинетики этих реакций является влияние площади реакционной поверхности на скорость реакции. Вместо концентрации твердой фазы в уравнение вводят площадь поверхности этого вещества (S)
uпр = k1CАа SВ (5.8)
Второй особенностью гетерогенных процессов является зависимость скорости реакции от скорости подвода реагента в зону химической реакции, то есть, от скорости диффузии реагентов. Скорость диффузии увеличивают перемешиванием реакционной среды.
Скорость гетерогенной обратимой реакции определяется разностью скоростей прямой и обратной реакции (uреакции = uпр - uобр) – это третья особенность гетерогенных процессов.
5.3. Классификация химических реакций по молекулярности и по порядку
Все кинетические реакции различают по молекулярности и по порядку реакции. Молекулярность реакции определяется числом молекул, участвующих в элементарном акте химического взаимодействия. По этому признаку реакции разделяют на мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные.
Мономолекулярныминазывают такие реакции, в которых в элементарном акте взаимодействия участвует одна молекула, например, реакция разложения:
I2 = 2I.
Cюда же относятся реакции радиоактивного и изомерного превращения сложных молекул в газах и растворах.
Бимолекулярными называют реакции, в которых в элементарном акте взаимодействия встречаются две молекулы. Например, реакция образования йодистого водорода
H2 + I2 = 2HI
или в общем виде
А + В = D.
К этому типу относятся также реакции этерификации сложных эфиров и многие другие.
Тримолекулярныминазываются реакции, в которых в элементарном акте взаимодействия участвуют три молекулы. Например,
2NO + O2 = 2NO2
Необходимым условием любой химической реакции является одновременное столкновение молекул реагирующих веществ. В реакционном сосуде при огромном числе молекул и хаотичности их движения вероятность столкновения более трех молекул ничтожно мала. Реакция с молекулярностью более трех неизвестна. В тех случаях, когда из химического уравнения следует, что в реакции участвует большее число молекул, процесс на самом деле проходит более сложным путем.
Сложные реакции классифицируют по порядку, то есть, по сумме стехиометрических коэффициентов при концентрации реагирующих веществ. В простейшем случае порядок и молекулярность совпадают. Например, для реакции окисления NO до NO2 порядок и молекулярность совпадает и равны трем. Если u = k 1СNO2СO2, то порядок равен n = 2 + 1= 3. В сложных процессах порядок и молекулярность не совпадают, поскольку стехиометрическое уравнение описывает процесс в целом и не отражает истинного механизма реакции, протекающей через определенные стадии. Сложные реакции описываются кинетическим уравнением, содержащим несколько констант скоростей. К сложным реакциям относятся обратимые, параллельные, последовательные, сопряженные, цепные и другие реакции. Теория всех этих реакций основана на положении, что при протекании в системе нескольких реакций каждая из них проходит самостоятельно и к каждой из них применены уравнения кинетики простых реакций.
Параллельными реакциями называют реакции, которые имеют вид
А& В + Д
( С + К, т. е. при которых одни и те же исходные вещества, одновременно реагируя, образуют разные реакции. Например, при разложении бертолетовой соли возможны процессы
6КСlО3 ® 2КСl + О2
( 3КСlО4 + КCl.
Последовательными называют реакции, которые протекают через ряд последовательных стадий по схеме
А → В→ С→ D…
Примером служит гидролиз полисахаридов до моносахаридов.
Сопряженными называют реакции, протекающие по схеме:
1) А + В → М
2) А + С → N
Реакция 1) может протекать самостоятельно, а реакция 2) только при наличии реакции 1). Например, йодоводород окисляется пероксидом водорода только при окислении сульфата железа пероксидом водорода. Побочный процесс называют химической индукцией, вещество А – актором, В – акцептором, С – индуктором.
Обратимыми называют реакции, скорость которых равна разности между прямой и обратной реакцией
uреакции = uпр - uобр
Например, образование сложного эфира.
Цепные реакции протекают путем образования цепи следующих друг за другом реакций, в которых участвуют активные частицы с насыщенными свободными валентностями – так называемыми свободными радикалами.
В целом скорость сложного процесса зависит от скорости самой медленной стадии, которую называют лимитирующей. Чаще всего, по какому механизму протекает самая медленная стадия, таков и механизм процесса в целом. Порядок реакции меняется от 0 до 3 и может быть так целым, так и дробным числом.
Скорость реакции нулевого порядка (u = k) зависит от природы реагирующих веществ, например, омыление сложного эфира. Скорость реакции первого порядка (u = kСА) зависит от природы реагирующих веществ и концентрации одного из реагирующих веществ, например, гидролиз сахарозы зависит только от изменения концентрации сахарозы. Скорость реакции второго порядка (u = kСАСВ или u = kСА2) зависит от концентрации двух реагентов, например, йодирование ацетона.
Таким образом, молекулярность характеризует элементарный механизм отдельных стадий сложного процесса, а порядок реакции характеризует формально-кинетическую зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.
Воронеж 2011
Лекция № 1 (2ч)
Введение
Вопросы:
1. Предмет химии. Значение химии в изучении природы и развитии техники.
2. Осно
Основные количественные законы химии
К основным количественным законам химии относятся:закон постоянства состава, закон кратных отношений и закон эквивалентов. Эти законы были открыты в конце XIII – начале XIX веков, и
Современная модель строения атома
В основе современной теории строения атома лежат работы Дж. Томсона (который в 1897 г. открыл электрон, а в 1904 г. предложил модель строения атома, согласно которой атом – это заряженная сфера с в
Орбитальное квантовое число 0 1 2 3 4
Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы, например s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбиталь – гантель.
В одной и той же оболочке энергия подуровней возрастает в ряду E
Строение многоэлектронных атомов
Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это достигается при определенном состоянии электронов, т.e. при определенном распределении электронов по орбиталям. Запись
Периодические свойства элементов
Так как электронное строение элементов изменяется периодически, то, соответственно, периодически изменяются и свойства элементов, определяемые их электронным строением, такие как энергия ионизации,
Периодическая система элементов Д.И.Менделеева
В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойство элементов, а также формы и свойства их соединений
Общая характеристика химической связи
Учение о строении вещества объясняет причины многообразия структуры веществ в различных агрегатных состояниях. Современные физические и физико-химические методы позволяют экспериментально определят
Типы химической связи
К основным типам химической связи относят ковалентную (полярную и неполярную), ионную и металлическую связи.
Ковалентной связью называют химическую связь, образованную
Типы межмолекулярных взаимодействий
Связи, при образовании которых перестройка электронных оболочек не происходит, называются взаимодействием между молекулами. К основным видам взаимодействия молекул следует о
Пространственная структура молекул
Пространственная структура молекул зависит от пространственной направленности перекрывания электронных облаков числом атомов в молекуле и числом электронных пар связей за счет непод
Общая характеристика агрегатного состояния вещества
Почти все известные вещества в зависимости от условий находятся в газообразном, жидком, твердом или плазменном состоянии. Это и называется агрегатным состоянием вещества. Аг
Характеристика жидкого состояния вещества
Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газообразными и твердыми телами. Вблизи точки кипения они проявляют сходство с газами: текучи, не имеют определенной формы, аморфн
Общие понятия термодинамики
Термодинамика – наука, изучающая превращения различных форм энергии друг в друга и устанавливающая законы этих превращений. Как самостоятельная дисциплин
Термохимия. Тепловые эффекты химических реакций
Любые химические процессы, а также ряд физических превращений веществ (испарение, конденсация, плавление, полиморфные превращения и др.) всегда сопровождаются изменением запаса внут
Закон Гесса и следствия из него
На основе многочисленных экспериментальных исследований русским академиком Г. И. Гессом был открыт основной закон термохимии (1840 г.) – закон постоянства сумм теплот реа
Принцип работы тепловой машины. КПД системы
Тепловой машинойназывается такое устройство, которое преобразует теплоту в работу. Первая тепловая машина была изобретена в конце XVIII века (паровая). Сейчас существуют дви
Свободная и связанная энергии. Энтропия системы
Известно, что любая форма энергии может полностью преобразовываться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично, условно запас внутренней энергии системы
Понятие о химической кинетике
Химической кинетикой называется учение о скорости химических реакций и ее зависимости от различных факторов – природы и концентрации реагирующих веществ, давления,
Теория активизации молекул. Уравнение Аррениуса
Скорость любой химической реакции зависит от числа столкновений реагирующих молекул, так как число столкновения пропорционально концентрациям реагирующих веществ. Однако не все стол
Особенности каталитических реакций. Теории катализа
Скорость химической реакции можно регулировать с помощью катализатора. Вещества, которые участвуют в реакциях и изменяют (чаще всего увеличивают) ее скорость, оставаясь к концу реак
Обратимые и не обратимые реакции. Признаки химического равновесия
Все реакции можно поделить на две группы: обратимые и необратимые. Необратимые реакции сопровождаются выпадением осадка, образованием малодиссоциирующего вещества или выделением газа. Обратимые реа
Константа химического равновесия
Рассмотрим обратимую химическую реакцию общего вида, в которой все вещества находятся в одном агрегатном состоянии, например, жидком:
аA + вB D сC + dD,
где
Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния воды
Качественная характеристика гетерогенных равновесных систем, в которых не происходит химического взаимодействия, а наблюдается лишь переход составных частей системы из одного агрегатного состояния
Правило фаз для воды имеет вид
С = 1+ 2 – Ф = 3 – Ф
если Ф = 1, то С = 2 (система бивариантна)
Ф = 2, то С = 1 (система одновариантна)
Ф = 3, то С = 0 (система безвариантна)
Ф = 4, то С = -1 (
Сольватная (гидратная) теория растворения
Растворами называются гомогенные системы, состоящие из двух или более веществ, состав которых может меняться в довольно широких пределах, допустимых раст
Общие свойства растворов
В конце XIX века Рауль, Вант-Гофф, Аррениус установили весьма важные закономерности, связывающие концентрацию раствора с давлением насыщенного пара растворителя над раствором, темпе
Типы жидких растворов. Растворимость
Способность к образованию жидких растворов выражена в различной степени у различных индивидуальных веществ. Одни вещества способны растворяться неограниченно (вода и спирт), другие – лишь в огранич
Свойства слабых электролитов
При растворении в воде или других растворителях, состоящих из полярных молекул, электролиты подвергаются диссоциации, т.е. в большей или меньшей степени распадаются на положительно и отрицательно з
Свойства сильных электролитов
Электролиты, практически полностью диссоциирующие в водных растворах, называются сильными электролитами. К сильным электролитам относятся большинство солей, которые уже в кр
Свойства коллоидно-дисперсных систем
Все свойства коллоидно-дисперсных систем можно разделить на три основные группы: молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические.
Рассмотрим молекулярно-кинетические
Особенности обменных процессов
Химические реакции разделяются на обменные и окислительно-восстановительные (Ox-Red). Если в реакции не происходит изменение степени окисления, то такие реакции называются обменными. Они возможны п
Особенности окислительно-восстановительных процессов
При окислительно-восстановительных реакциях происходит изменение степени окисления вещества. Реакции можно разделить на те, которые проходят в одном реакционном объеме (например, в
Понятие об электродном потенциале
Рассмотрим процессы, протекающие в гальванических элементов, т. е. процессы превращения химической энергии в электрическую.
Гальваническим элементомназывают электрохим
Гальванический элемент Даниэля-Якоби
Рассмотрим систему, в которой два электрода находятся в растворах собственных ионов, например, гальванический элемент Даниэля-Якоби. Он состоит из двух полуэлементов: из цинковой пластины, погружен
Электродвижущая сила гальванического элемента
Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.
Поляризация и перенапряжение
При самопроизвольных процессах устанавливается равновесный потенциал электродов. При прохождении электрического тока потенциал электродов изменяется. Изменение потенциала электрода
Электролиз. Законы Фарадея
Электролизом называют процессы, протекающие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока через электролиты.
При элект
Коррозия металлов
Коррозия – это разрушение металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Это процесс самопроизвольный, идущий с уменьшением энергии Гиббса сист
Методы получения полимеров
Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называ
Строение полимеров
Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми.
Линейные полимеры – это полимеры, которые построены из длинных цепей одномерных элементов, т.
Свойства полимеров
Свойства полимеров условно можно разделить на химические и физические. И те, и другие свойства связаны с особенностями строения полимеров, способом их получения, природой вводимых в
Применение полимеров
На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).
Волокна получают путем продавливания растворов или
Инструментальные методы анализа
В последние годы все более широкое применение получают инструментальные метода анализа, обладающие многими достоинствами: быстротой, высокой чувствительностью, возможностью одновременного определен
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
(5.6)
, (5.7)
Новости и инфо для студентов