Швидкість реакції в хімії: визначення і її залежність від різних факторів

Швидкість реакції є величиною, яка показує зміну концентрації реагуючих речовин за проміжок часу. Для того щоб оцінити її розмір, необхідно змінити початкові умови процесу.

Гомогенні взаємодії

Швидкість реакції між деякими сполуками, що перебувають в одній агрегатній формі, залежить від того, який обсяг взятих речовин. З математичної точки зору можна виразити залежність між швидкістю гомогенного процесу і зміною концентрації за одиницю часу.

Прикладом такої взаємодії можна вважати окислення оксиду азоту (2) в оксид азоту (4).

Гетерогенні процеси

Швидкість реакції для вихідних речовин, що знаходяться в різних агрегатних станах, що характеризується кількістю моль вихідних реагентів на одиниці площі в одиницю часу.

Гетерогенні взаємодії характерні для систем, які мають різний агрегатний стан.

Підводячи підсумок, відзначимо, що швидкість реакції демонструє зміну кількості моль вихідних реагентів (продуктів взаємодії) за проміжок часу, на одиниці поверхні розділу фаз або в одиниці об’єму.

Концентрація

Розглянемо основні фактори, що впливають на швидкість реакції. Почнемо з концентрації. Подібна залежність виражається законом діючих мас. Між твором концентрацій речовин, що вступають у взаємодію, взятих в ступені їх стереохимических коефіцієнтів, і швидкістю протікання реакції, існує прямо пропорційна залежність.

Розглянемо рівняння аА +вв = сС + дД, де А, В, С, Д – є рідинами або газами. Для наведеного процесу кінетичне рівняння можна записати з урахуванням коефіцієнта пропорційності, який для кожного взаємодії має своє значення.

В якості основної причини зростання швидкості можна відзначити збільшення кількості зіткнень реагуючих частинок в одиниці об’єму.

Температура

Розглянемо вплив температури на швидкість реакції. Процеси, які протікають в гомогенних системах, можливі тільки при зіткненні частинок. Але далеко не всі зіткнення призводять до утворення продуктів реакції. Тільки в тому випадку, коли у частинок є підвищена енергія. При нагріванні реагентів спостерігається збільшення кінетичної енергії часток, зростає кількість активних молекул, тому спостерігається підвищення швидкості реакції. Зв’язок між температурним показником і швидкістю процесу визначається правилом Вант-Гоффа: кожне збільшення температури на 10°С призводить до зростання швидкості процесу в 2-4 рази.

Каталізатор

Розглядаючи фактори, що впливають на швидкість реакції, зупинимося на речовини, які здатні збільшувати швидкість протікання процесу, тобто на каталізаторах. Залежно від агрегатного стану каталізатора та реагуючих речовин, виділяють декілька видів каталізу:

  • гомогенний вигляд, при якому реагенти і каталізатор мають агрегатний стан;
  • гетерогенний вигляд, коли реагують речовини і каталізатор перебувають в одній фазі.

В якості прикладів речовин, що прискорюють взаємодії, можна виділити нікель, платина, родій, паладій.

Інгібіторами вважають речовини, які сповільнюють реакцію.

Площа дотику

Від чого ще залежить швидкість реакції? Хімія поділяється на кілька розділів, кожен з яких займається розглядом певних процесів та явищ. У курсі фізичної хімії розглядається зв’язок між площею дотику і швидкістю протікання процесу.

Для того щоб збільшити площу контакту реагентів, їх подрібнюють до певних розмірів. Швидше за все відбувається взаємодія в розчинах, саме тому багато реакції проводять саме у водному середовищі.

При подрібненні твердих речовин слід знати міру. Наприклад, при перетворенні піриту (сульфіту заліза) у пил, у печі для випалу відбувається спікання його частинок, що негативно відбивається на швидкості протікання процесу окислення даного з’єднання, зменшується вихід сірчистого газу.

Реагенти

Спробуємо зрозуміти, як визначити швидкість реакції в залежності від того, які реагенти, що вступають у взаємодію? Наприклад, активні метали, розташовані в електрохімічному ряду Бекетова до водню, здатні взаємодіяти з розчинами кислот, а ті, що знаходяться після Н2, не мають такої здатності. Причина такого явища полягає в різної хімічної активності металів.

Тиск

Як з цією величиною пов’язана швидкість реакції? Хімія — це наука, яка тісно пов’язана з фізикою, тому залежність прямо пропорційна, вона регулюється газовими законами. Існує пряма зв’язок між величинами. А щоб зрозуміти, який закон визначає швидкість хімічної реакції, необхідно знати агрегатний стан і концентрацію реагентів.

Види швидкостей в хімії

Прийнято виділяти миттєву і середню величини. Середня швидкість хімічної взаємодії визначається як різниця концентрацій реагуючих речовин за часовий проміжок.

Отримана величина має від’ємне значення в тому випадку, коли відбувається зменшення концентрації, позитивний – при наростанні концентрації продуктів взаємодії.

Істинною (миттєвої) величиною є таке ставлення в певну одиницю часу.

В системі СІ швидкість хімічного процесу виражається в [моль×м-3×с-1].

Завдання хімії

Розглянемо кілька прикладів завдань, пов’язаних з визначенням швидкості.

Приклад 1. У посудині змішують хлор і водень, потім суміш нагрівають. Через 5 секунд концентрація хлороводню набула значення 0,05 моль/дм3. Обчисліть середню швидкість утворення хлороводню (моль/дм3).

Необхідно визначити зміну концентрації хлороводню через 5 секунд після взаємодії, віднімаючи з кінцевої концентрації вихідну величину:

C(HCl) = c2 — c1 = 0,05 — 0 = 0,05 моль/дм3.

Обчислимо середню швидкість утворення хлороводню:

V = 0,05/5 = 0,010 моль/дм3 ×с.

Приклад 2. У посудині, обсяг якого становить 3 дм3, відбувається наступний процес:

C2H2 + 2H2=C2H6.

Первісна маса водню – 1 р. Через дві секунди після початку взаємодії маса водню придбала величину 0,4 р. Обчисліть середню швидкість отримання етану (моль/дм3×с).

Маса водню, який вступив в реакцію, визначається як різниця між початковою величиною й кінцевим числом. Вона становить 1 — 0,4 = 0,6 (р). Для визначення кількості моль водню, необхідно поділити її на молярную масу даного газу: n = 0,6/2 = 0,3 моль. По рівнянню з 2 моль водню утворюється 1 моль етану, отже, з 0,3 моль Н2 отримуємо 0,15 моль етану.

Визначаємо концентрацію утворився вуглеводню, отримуємо 0,05 моль/дм3. Далі можна розрахувати середню швидкість його утворення: =0,025 моль/дм3 ×с.

Висновок

На швидкість хімічної взаємодії впливають різні фактори: природа реагуючих речовин (енергія активації), їх концентрація, присутність каталізатора, ступінь подрібнення, тиск, вид випромінювання.

У другій половині дев’ятнадцятого століття професором Н. Н. Бекетовим було зроблено припущення про те, що між масами вихідних реагентів і тривалістю протікання процесу є зв’язок. Дана гіпотеза була підтверджена в законі діючих мас, встановленому в 1867 році норвезькими хіміками: П. Ваге і К. Гульдбергом.

Вивченням механізму і швидкості протікання різних процесів займається фізична хімія. Найпростіші процеси, що протікають в одну стадію, називають мономолекулярными процесами. Складні взаємодії припускають кілька послідовних елементарних взаємодій, тому кожна стадія розглядається окремо.

Для того, щоб при мінімальних енергетичних витратах можна було розраховувати на отримання максимального виходу продуктів реакції, важливо враховувати ті основні фактори, які впливають на перебіг процесу.

Наприклад, для прискорення процесу розкладання води на прості речовини необхідний каталізатор, роль якого виконує оксид марганцю (4).

Всі нюанси, пов’язані з вибором реагентів, підбором оптимального тиску і температури, концентрації реагентів, розглядаються в хімічній кінетиці.