· Константа швидкості реакції kзалежить від природи реагуючих речовин, температури та каталізатора, але не залежить від значення
концентрацій реагентів
Фізичний зміст константи швидкості полягає в тому, що вона дорівнює швидкості реакції при поодиноких концентраціях речовин, що реагують.
Для гетерогенних реакцій концентрація твердої фази у вираз швидкості реакції не входить.
· Закон чинних масвстановлює співвідношення між масами реагуючих речовин у хімічних реакціях при
рівноваги, і навіть залежність швидкості хімічної реакції від концентрації вихідних речовин.
Енергія активації хімічної реакції. Активні молекули. Активований комплекс.
· Енергія активації у хімії- мінімальна кількість енергії, яку потрібно повідомити системі (у хімії
виражається в джоулях на моль), щоб відбулася реакція. Термін введений Сванте Августом Арреніусом у 1889. Типове позначення енергії реакції Ea.
У хімічній моделі, відомої як Теорія активних зіткнень(ТАС), є три умови, необхідні для того, щоб відбулася реакція:
- Молекули мають зіткнутися. Це важлива умова, проте його мало, оскільки при зіткненні не обов'язково відбудеться реакція.
- Молекули повинні мати необхідну енергію (енергію активації). У процесі хімічної реакції взаємодіючі молекули повинні пройти через проміжний стан, який може мати більшу енергію. Тобто молекули мають подолати енергетичний бар'єр; якщо цього не станеться, реакція не розпочнеться.
Молекули мають бути правильно орієнтовані щодо один одного.
При низькій (для певної реакції) температурі більшість молекул мають енергію меншу, ніж енергія активації, і не здатні подолати енергетичний бар'єр. Однак у речовині завжди знайдуться окремі молекули, енергія яких значно вища за середню. Навіть за низьких температур більшість реакцій продовжують йти. Збільшення температури дозволяє збільшити частку молекул, що мають достатню енергію, щоб подолати енергетичний бар'єр. Таким чином, підвищується швидкість реакції.
· Активні радикалиЗгідно з однією з теорій старіння організму, є причиною старіння. Вони утворюються як побічні
продукти різних хімічних реакцій в організмі та окислюють його. Тому від них швидше треба викручуватися. Один із способів – приймати антиоксиданти, проблемою випуску яких займається фармацевтика. Так само ці активні частинки можуть використовуватися як дезінфекційні розчини
· Активований комплекс, Угруповання атомів у вирішальний момент елементарного акта хімічної реакції Поняття про
активованому комплексі широко користуються теоретично швидкостей хімічних реакцій.
Питання №3
Від яких чинників залежить константа швидкості хімічної реакції?
Константа швидкості реакції (питома швидкість реакції) - коефіцієнт пропорційності у кінетичному рівнянні.
Фізичний зміст константи швидкості реакції kвипливає із рівняння закону діючих мас: kчисельно дорівнює швидкості реакції при концентрації кожної з реагуючих речовин, що дорівнює 1 моль/л.
Константа швидкості реакції залежить від температури, від природи речовин, що реагують, від присутності в системі каталізатора, але не залежить від їх концентрації.
1. Температура. При підвищенні температури кожні 10°C швидкість реакції зростає в 2-4 разу (Правило Вант-Гоффа) . При збільшенні температури від t1 до t2 зміна швидкості реакції можна розрахувати за формулою: (t2 - t1) / 10 Vt2 / Vt1 = g (де Vt2 і Vt1 - швидкості реакції при температурах t2 і t1 відповідно; g-температурний коефіцієнт цієї реакції). Правило Вант-Гоффа застосовується лише у вузькому інтервалі температур. Більш точним є рівняння Арреніуса: k = A e -Ea/RT де A - постійна, яка залежить від природи речовин, що реагують; R - універсальна газова постійна; Ea - енергія активації, т. е. енергія, якою повинні мати стикаються молекули, щоб зіткнення призвело до хімічного перетворення. Енергетична діаграма хімічної реакції. Екзотермічна реакція Ендотермічна реакція А – реагенти, В – активований комплекс (перехідний стан), С – продукти. Чим більша енергія активації Ea, тим більше зростає швидкість реакції зі збільшенням температури. 2. Поверхня дотику реагуючих речовин. Для гетерогенних систем (коли речовини перебувають у різних агрегатних станах) , що більше поверхню зіткнення, то швидше протікає реакція. Поверхня твердих речовин може бути збільшена шляхом їх подрібнення, а розчинних речовин - шляхом їх розчинення. 3. Каталіз. Речовини, які беруть участь у реакціях і збільшують її швидкість, залишаючись до кінця незмінними реакції, називаються каталізаторами. Механізм дії каталізаторів пов'язаний із зменшенням енергії активації реакції за рахунок утворення проміжних сполук. При гомогенному каталізі реагенти і каталізатор складають одну фазу (перебувають в одному агрегатному стані), при гетерогенному каталізі - різні фази (перебувають у різних агрегатних станах). Різко уповільнити протікання небажаних хімічних процесів у ряді випадків можна додаючи в реакційне середовище інгібітори (явище "негативного каталізу").
Питання №4
Сформулюйте та запишіть закон діючих мас для реакції:
2 NO+O2=2NO2
ЗАКОН ДІЙСНИХ МАС: швидкість хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин. для реакції 2NO + O2 2NO2, закон діючих мас запишеться так: v=kС2(NO)·С (O2), де k – константа швидкості, що залежить від природи реагуючих речовин та температури. Швидкість у реакціях за участю твердих речовин визначається лише концентрацією газів або розчинених речовин: С+О2=СО2, v =kCO2
Механізми перебігу хімічних перетворень та його швидкості вивчає хімічна кінетика. Хімічні процеси протікають у часі з різними швидкостями. Якісь відбуваються швидко, майже миттєво, для протікання інших потрібний досить тривалий час.
Вконтакте
Швидкість реакції- швидкість, з якою витрачаються реагенти (їх концентрація зменшується) або утворюються продукти реакції в одиниці об'єму.
Чинники, здатні впливати на швидкість хімічної реакції
На те, наскільки швидко відбуватиметься хімічна взаємодія, можуть вплинути такі фактори:
- концентрація речовин;
- природа реагентів;
- температура;
- присутність каталізатора;
- тиск (для реакцій у газовому середовищі).
Таким чином, змінюючи певні умови протікання хімічного процесу, можна вплинути на те, наскільки швидко протікатиме процес.
У процесі хімічної взаємодії частки реагуючих речовин стикаються одна з одною. Кількість таких збігів пропорційно числу частинок речовин в об'ємі суміші, що реагує, а значить і пропорційно молярним концентраціям реагентів.
Закон чинних масвизначає залежність швидкості реакції від молярних концентрацій речовин, які у взаємодію.
Для елементарної реакції (А + В → …) цей закон виражається формулою:
υ = k · З A · З B,
де k – константа швидкості; A і B - молярні концентрації реагентів, А і В.
Якщо одна з реагуючих речовин знаходиться в твердому стані, то взаємодія відбувається на поверхні розділу фаз, у зв'язку з цим концентрація твердої речовини не включається до рівняння кінетичного закону мас, що діють. Для розуміння фізичного сенсу константи швидкості, необхідно прийняти С, А і С рівними 1. Тоді стає зрозуміло, що константа швидкості дорівнює швидкості реакції при концентраціях реагентів, рівних одиниці.
Природа реагентів
Так як у процесі взаємодії руйнуються хімічні зв'язки реагуючих речовин і утворюються нові зв'язки продуктів реакції, то велику роль відіграватиме характер зв'язків, що беруть участь у реакції сполук та будову молекул реагуючих речовин.
Площа поверхні зіткнення реагентів
Така характеристика, як площа поверхні дотику твердих реагентів, на протікання реакції впливає часом досить значно. Подрібнення твердої речовини дозволяє збільшити площу поверхні зіткнення реагентів, а значить і прискорити перебіг процесу. Площа зіткнення розчинних речовин легко збільшується розчиненням речовини.
Температура реакції
При збільшенні температури енергія часток, що стикаються, зросте, очевидно, що зі зростанням температури і сам хімічний процес буде прискорюватися. Наочним прикладом того, як збільшення температури впливає на процес взаємодії речовин, можна вважати наведені в таблиці дані.
Таблиця 1. Вплив зміни температури на швидкість утворення води (О 2 +2Н 2 →2Н 2 О)
Для кількісного опису того, як температура може впливати на швидкість взаємодії речовин, використовують правило Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа полягає в тому, що при підвищенні температури на 10 градусів відбувається прискорення в 2-4 рази.
Математична формула, що описує правило Вант-Гоффа, виглядає так:
Де γ - температурний коефіцієнт швидкості хімічної реакції (γ = 2-4).
Але набагато точніше описує температурну залежність константи швидкості рівняння Арреніуса:
Де R - універсальна газова стала, А - множник, який визначається видом реакції, Е, А - енергія активації.
Енергією активації називають таку енергію, яку має придбати молекула, щоб відбулося хімічне перетворення. Тобто вона є якимось енергетичним бар'єром, який необхідно буде подолати молекулам, що стикаються в реакційному обсязі, для перерозподілу зв'язків.
Енергія активації залежить від зовнішніх чинників, а залежить від природи речовини. Значення енергії активації до 40 - 50 кДж/моль дозволяє речовинам реагувати одне з одним досить активно. Якщо ж енергія активації перевищує 120 кДж/моль, то речовини (при нормальних температурах) будуть реагувати дуже повільно. Зміна температури призводить до зміни кількості активних молекул, тобто молекул, що досягли енергії більшої, ніж енергія активації, а отже, здатних до хімічних перетворень.
Дія каталізатора
Каталізатором називають речовину, здатну прискорювати процес, але не входить до складу його продуктів. Каталіз (прискорення протікання хімічного перетворення) поділяють на гомогенний, гетерогенний. Якщо реагенти і каталізатор перебувають у однакових агрегатних станах, то каталіз називають гомогенним, якщо різних, то гетерогенним. Механізми дії каталізаторів різноманітні та досить складні. Крім того, слід зазначити, що для каталізаторів характерна вибірковість дії. Тобто той самий каталізатор, прискорюючи одну реакцію, може не змінювати швидкість інший.
Тиск
Якщо у перетворенні беруть участь газоподібні речовини, то на швидкість перебігу процесу впливатиме зміна тиску в системі . Це відбувається тому, Що для газоподібних реагентів зміна тиску призводить до зміни концентрації.
Експериментальне визначення швидкості хімічної реакції
Визначити швидкість протікання хімічного перетворення експериментально можна, отримавши дані у тому, як у одиницю часу змінюється концентрація речовин, які у реакцію, чи продуктів. Методи отримання таких даних поділяють на
- хімічні,
- фізико-хімічні.
Хімічні методи досить прості, доступні та точні. З їх допомогою швидкість визначають безпосередньо заміряючи концентрацію або кількість речовини реагентів або продуктів. У разі повільної реакції для контролю за тим, як витрачається реагент відбирають проби. Після чого визначають вміст пробі реагенту. Здійснюючи відбір проб через рівні проміжки часу, можна отримати дані про зміну кількості речовини у процесі взаємодії. Найчастіше використовують такі види аналізу, як титриметрія та гравіметрія.
Якщо реакція протікає швидко, щоб відібрати пробу, її доводиться зупиняти. Це можна зробити за допомогою охолодження, різкого видалення каталізатора, також можна зробити розведення чи перевести одне із реагентів на не реакционноспособное стан.
Методи фізико-хімічного аналізу у сучасній експериментальній кінетиці використовуються частіше, ніж хімічні. З їхньою допомогою можна спостерігати зміна концентрацій речовин у реальному часі. При цьому реакцію немає необхідності зупиняти та відбирати проби.
Фізико-хімічні методи ґрунтуються на вимірі фізичної властивості, яка залежить від кількісного вмісту в системі певної сполуки та змінюється з часом. Наприклад, якщо реакції беруть участь гази, то такою властивістю може бути тиск. Вимірюють також електропровідність, показник заломлення, спектри поглинання речовин.
Мал. 40. Залежність величини зворотної концентрації реагенту від часу реакції другого порядку
Мал. 39. Залежність логарифму концентрації реагенту від часу протікання реакції першого порядку
Мал. 38. Зміна концентрації вихідної речовини від часу реакції першого порядку
Мал. 37. Зміна концентрації вихідної речовини від часу реакції нульового порядку
Математично дана лінійна залежність запишеться так
де k - константа швидкості, 0 - початкова молярна концентрація реагенту, С - концентрація в момент часу t.
З неї можна вивести формулу для розрахунку константи швидкості хімічної реакції нульового порядку.
Константа швидкості нульового порядку вимірюється моль/л? с (моль · л -1 · с -1).
Час напівперетворення для реакції нульового порядку пропорційно концентрації вихідної речовини
Для реакцій першого порядку кінетична крива в координатах С, t носить експоненційний характер і виглядає наступним чином (рис. 38). Математично дана крива описується наступним рівнянням
З = З 0 e - kt
Насправді для реакцій першого порядку кінетичну криву найчастіше будують у координатах lnC, t. І тут спостерігається лінійна залежність lnС від часу (рис. 39)
ln С = lnС 0 - kt
|
Відповідно, величину константи швидкості та час напівперетворення можна розрахувати за такими формулами
k = ln або k = 2,303lg
(При переході від десяткового логарифму до натурального).
Константа швидкості реакції першого порядку має розмірність t-1, тобто. 1/с і залежить від одиниць виміру концентрації. Вона показує частку, яку становлять молекули, які вступили у реакцію за одиницю часу, від загальної кількості молекул реагенту у системі. Таким чином, у реакціях першого порядку за однакові проміжки часу витрачаються однакові частки взятої кількості вихідної речовини.
Другий характерною рисою реакцій першого порядку і те, що t ½ їм залежить від початкової концентрації реагенту, а визначається лише константою швидкості.
Вигляд рівняння залежності концентрації від часу для реакцій другого порядку розглянемо лише найпростішого випадку, як у елементарному акті беруть участь 2 однакові молекули, чи молекули різних речовин, але початкові концентрації їх (З 0) рівні. У цьому лінійна залежність спостерігається координатах 1/З, t (рис. 40). Математичне рівняння цієї залежності запишеться так
і вимірюється в ліс -1? моль -1, тобто. її чисельне значення залежить від цього, у яких одиницях вимірюється концентрація речовини.
Період напівперетворення реакцій другого порядку обернено пропорційний початковій концентрації реагенту
Це з тим, що швидкість реакцій другого порядку сильно залежить від числа зіткнень між молекулами реагуючих речовин в одиницю часу, яке, своєю чергою, пропорційно числу молекул в одиниці обсягу, тобто. концентрації речовини. Таким чином, чим більше концентрація речовини в системі, тим частіше стикаються молекули між собою і тим менший проміжок часу половина їх встигне прореагувати.
Реакції третього порядку, як було зазначено раніше, зустрічаються вкрай рідко й не становлять практичного інтересу. Тому у зв'язку з цим ми їх не розглядатимемо.
Константа швидкості реакції (питома швидкість реакції) - коефіцієнт пропорційності в кінетичному рівнянні.
Фізичний зміст константи швидкості реакції kвипливає з рівняння закону діючих мас: kчисельно дорівнює швидкості реакції при концентрації кожної з реагуючих речовин, що дорівнює 1 моль/л.
Константа швидкості реакції залежить від температури, від природи речовин, що реагують, від каталізатора, але не залежить від їх концентрації. Для реакції виду 2А+2В->3C+D швидкість утворення продуктів реакції та швидкість витрачання реагентів можуть бути представлені як: d[A]/(2*dt)=d[B]/(2*dt)=d[C] /(3*dt)=d[D]/dt Таким чином, щоб уникнути використання декількох форм запису швидкості для однієї і тієї ж реакції використовують хімічну змінну, яка визначає ступінь протікання реакції і не залежить від стехіометричних коефіцієнтів: ξ=(Δn) / де ν - стехіометричний коефіцієнт. Тоді швидкість реакції: v=(1/V)*dξ/dt де V - об'єм системи.
Розмірність
Розмір константи швидкості реакції залежить від порядку реакції. Якщо концентрація реагуючих речовин виміряна в моль л -1 (M):
- Для реакції першого порядку, kмає розмірність з −1
- Для реакції другого порядку, kмає розмірність л·моль −1 ·с −1 (або M −1 ·с −1)
- Для реакції третього порядку, kмає розмірність л 2 · моль -2 · с -1 (або M -2 · с -1)
Див. також
Напишіть відгук про статтю "Константа швидкості реакції"
Примітки
Уривок, що характеризує Константа швидкості реакції
Лихачов підвівся, порився у завірюхах, і Петя незабаром почув войовничий звук стали об брусок. Він заліз на фуру і сів на край її. Козак під фурою точив шаблю.- А що ж, сплять молодці? – сказав Петя.
- Хто спить, а хто так.
– Ну а хлопчик що?
- Весняний щось? Він там, у сінях, завалився. Зі страху спиться. Радий уже був.
Довго після цього Петрик мовчав, прислухаючись до звуків. У темряві почулися кроки і з'явилася чорна постать.
- Що точиш? - Запитав людина, підходячи до фури.
– А ось пану наточити шаблю.
- Добре діло, - сказав чоловік, який здався Пете гусаром. - Чи у вас чашка залишилася?
– А от біля колеса.
Гусар узяв чашку.
— Незабаром світло, — промовив він, позіхаючи, і пройшов кудись.
Петя мав би знати, що він у лісі, у партії Денісова, за версту від дороги, що він сидить на фурі, відбитій у французів, біля якої прив'язані коні, що під ним сидить козак Лихачов і наточує йому шаблю, що велика чорна пляма праворуч - каравулка, і червона яскрава пляма внизу ліворуч - багаття, що догорало, що людина, що приходила за чашкою, - гусар, який хотів пити; але він нічого не знав і не хотів цього знати. Він був у чарівному царстві, в якому нічого не було схожого на дійсність. Велика чорна пляма, мабуть, точно була варта, а може, була печера, яка вела в найглибшу землю. Червона пляма, можливо, був вогонь, а можливо – око величезного чудовиська. Можливо, він точно сидить тепер на фурі, а може бути, що він сидить не на фурі, а на страшно високій вежі, з якої якщо впасти, то летіти б до землі цілий день, цілий місяць - все летіти і ніколи не долетиш . Можливо, що під фурою сидить просто козак Лихачов, а може бути, що це – найдобріший, хоробрий, найдивовижніша, найчудовіша людина на світі, яку ніхто не знає. Можливо, це точно проходив гусар за водою і пішов у лощину, а може, він щойно зник з поля зору і зовсім зник, і його не було.
