Скорость химической реакции

Тема: Классификация реакций, термохимия, скорость

Урок: Скорость химической реакции

Понятие скорости реакции для гомогенных и гетерогенных систем

Скорость химической реакции измеряется изменением количества вещества одного из реагентов или продуктов реакции в единицу времени в единицу объёма для гомогенных систем или на единицу поверхности для гетерогенных систем.

Для гомогенных систем, для которых реакция происходит во всем объёме системы, скорость химической реакции определяется следующим уравнением:

скорость химической реакции

– изменение количества вещества

V – объём системы

– интервал времени, в котором определяют скорость реакции

Отношение ± ∆n / V – это молярная концентрация вещества. И тогда ± ∆с .  Для гомогенных систем скорость реакции выражается в    

Для гетерогенных систем, в которых реакция протекает на границе раздела фаз,  уравнение для определения скорости химической реакции будет такое:

S – Площадь поверхности раздела фаз, на которой идет химическая реакция.

Скорость реакции – величина положительная, поэтому знак ± перед формулой дает возможность выбора. Ставится (+), если скорость реакции определяется по изменению количества продукта реакции.

Ставится (-), если скорость реакции определяется по изменению количества исходного вещества.

Для гетерогенных систем скорость реакции выражается в 

Раздел химии, в котором изучаются скорости химических реакций, называется химической кинетикой.

Химическая реакция происходит в результате столкновения частиц реагирующих веществ. Но не всякое столкновение частиц приводит к образованию продуктов реакции. Если при столкновении частицы не обладают достаточной энергией, то столкновение будет неэффективным. Такое столкновение называют упругим. Оно подобно столкновению бильярдных шаров. Если энергия частиц будет достаточно высока, то столкновение будет эффективным, и произойдёт химическая реакция. В некоторых случаях (реакция распада) не требуется взаимодействия частиц, но для их прохождения также нужна определённая энергия.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

·    Температура.

Правило Вант-Гоффа. При увеличении температуры на каждые 10 градусов, скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза. Это правило можно записать в виде уравнения таким образом:

,

 

где Т₂

– скорость реакции при температуре Т₁

температурный коэффициент реакции, который показывает, во сколько раз возрастает скорость реакции при увеличении температуры на 10 градусов.

Но при этом уравнение Вант-Гоффа верно не во всех случаях. Оно не соблюдается в случае высоких температур, в случае очень быстрых или очень медленных реакций.

Второй параметр, от которого зависит скорость химических реакций –

·    Количество реагирующих веществ.

Для гомогенных реакций, при увеличении концентрации реагирующих веществ скорость реакции возрастает, потому что с увеличением концентрации реагентов возрастает число частиц реагирующих веществ в единице объёма, а следовательно, увеличивается число столкновений между ними.

Для гетерогенных реакций, которые проходят на поверхности раздела фаз, на скорость реакции оказывает влияние

·    Площадь реакционной поверхности. Чем выше площадь, тем выше скорость реакции.

В случае твердых веществ, увеличение поверхности достигается за счет увеличения измельчения вещества.

Рис. 1. График зависимости скорости от концентрации

Так как по мере прохождения реакции, исходные вещества расходуются, т. е. их концентрация уменьшается, то в большинстве случаев скорость реакции постепенно снижается, как это можно видеть на графике рис. 1. Поэтому обычно вычисляют среднюю скорость реакции в определенном временном интервале.

Скорость однотипных реакций зависит:

·    От участвующих в ней веществ. Например, щелочные металлы с разной скоростью реагируют с водой. Активность щелочных металлов увеличивается в группе сверху вниз. Поэтому и скорость реакции, и количество выделяющейся при этом теплоты будет увеличиваться так же.

Рис. 2.  Взаимодействие калия с водой (Источник)

Многие химические процессы идут только при участии некоторых веществ, которые называются катализаторами.

·    Катализаторы – это вещества, которые ускоряют химические реакции, активно участвуют в них, но сами в итоге не расходуются. Реакции, идущие под действием катализаторов, называют каталитическими.

·    Ингибиторы – это вещества, которые замедляют скорость химической реакции.

Явление ускорения химической реакции называется катализом, а замедления – ингибированием.

Катализ называется гомогенным, если катализатор находится в одном агрегатном состоянии с реагирующими веществами. Примерами гомогенного катализа является реакция окисления СО (в газовой фазе в присутствии паров воды) и Н₂SО₃ (в растворе в присутствии оксидов азота) кислородом, а также действие разнообразных ферментов в биологических процессах. Гомогенные катализаторы применяются сравнительно редко, потому что после проведения реакции нужно отделить катализаторы от продуктов реакции. И эта операция заметно увеличивает стоимость всего процесса.

Гетерогенный катализ – это вид катализа, при котором катализатор образует самостоятельную фазу, и реакция идет на его поверхности. В гетерогенном катализе часто используют металлы или оксиды металлов. Гетерогенно-каталитическими являются процессы синтеза аммиака на железном катализаторе, окисления SO₂ в SO₃ на платиновом или ванадиевом катализаторе и др. Одним из наиболее неорганических катализаторов является платина, с помощью которой можно провести многие реакции. Но главный недостаток платины – её очень высокая стоимость. Гетерогенный катализ может быть ускорен или ослаблен действием промоторов или каталитических ядов.

Ферменты, их роль в биохимическом процессе

Ферменты

Катализаторами в живых организмах являются ферменты. Они катализируют биохимические реакции в организме. Наука о ферментах называется энзимология. Ферменты являются белками, но часто они содержат органические остатки небелковой природы. Небелковую часть фермента называют коферментом или коэнзимом. Ферменты отличаются от неорганических катализаторов тем, что

–   Обладают гораздо большей каталитической активностью

–   Работают лишь в узком интервале РН среды

–   Работают лишь в узком интервале температур

Они способны ускорять реакции в 10¹⁴–10¹⁵ степени раз, и при этом они действуют гораздо более избирательно. Они могут катализировать только одну реакцию, даже если в реакционной системе находятся вещества очень близкой структуры. Ферменты очень чувствительны к кислотности среды. Ферменты работают в узком интервале температур, близком к температуре нашего тела. Поэтому во время болезни очень опасна очень высокая температура тела, ведь каталитическая активность ферментов значительно уменьшается. Именно поэтому во время болезни, сопровождающейся высокой температурой, не хочется есть. Переваривание пищи также связано с деятельностью ферментов.

Подведение итога урока

На уроке рассмотрена тема «Скорость химической реакции». Были рассмотрены факторы, влияющие на скорость химической реакции, введено понятие катализаторов, ферментов.

 

Список литературы

1. Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.
2. Попель П.П. Химия: 8 кл.: учебник для общеобразовательных учебных заведений / П.П. Попель, Л.С.Кривля. – К.: ИЦ «Академия», 2008. – 240 с.: ил.
3. Габриелян О.С. Химия. 11 класс. Базовый уровень.  2-е изд., стер. – М.: Дрофа, 2007. – 220 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Википедия (Источник).
2. Hemi.nsu.ru (Источник).
3. ХиМуЛя.com (Источник).

 

Домашнее задание

1. №№3-5 (с. 62) Рудзитис Г.Е. Химия. Основы общей химии. 11 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – 14-е изд. – М.: Просвещение, 2012.
2. Приведите примеры зависимости скорости от природы реагирующих веществ.
3. Сравните скорость движения и скорость химической реакции. Что общего, чем отличаются?