Лабораторная работа №5
«Скорость химической реакции и ее зависимость от различных факторов»
Цель работы: изучение скорости химической реакции и ее зависимости от различных факторов: природы реагирующих веществ, концентрации, температуры.
Задачи: 1) образовательная: сформировать представление о законе действия масс и вытекающих из него следствиях, дать понятие механизма реакции, рассмотреть зависимость скорости от различных факторов;
2) развивающая: развивать у студентов представление о взаимосвязи химического процесса и внешних факторов, развивать умение использовать теоретические знания на практике, развивать логическое мышление умение анализировать, обобщать и делать выводы;
3) воспитательная: формировать научное мировоззрение.
Теоретическая часть.
Скоростью химической реакции называют изменение концентрации реагирующего вещества в единицу времени. Скорость реакции определяется природой реагирующих веществ и зависит от условий протекания процесса (концентрации реагирующих веществ, температуры, наличия катализатора и др.).
Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действующих масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции Н2(г)+I2(г)=2НI(г) закон действующих масс может быть записан:
где v -скорость химической реакции; k-константа скорости; CH2 и CI2 - концентрации реагирующих веществ
Реакции в гетерогенной системе, например С(к)+О2(г)=СО2(г), осуществляется на поверхности раздела между фазами. Поэтому скорость гетерогенных реакций при постоянной температуре зависит не только от концентрации веществ, но и от площади поверхности раздела. Так, для реакции:
С(к)+О2(г)=СО2(г)
зависимость скорости от концентрации описывается кинетическим уравнением реакции:
Где k- константа скорости; СО2 - концентрация кислорода; S- площадь поверхности раздела между фазами.
Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа:
Где vT1 и vT2 - скорость реакции при Т2 и T1; γ -температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10°C. Если температура изменилась на ТС, уравнение принимает вид
=
γΔТ/10
Одностадийные реакции, протекают, как правило, через образование активированного комплекса. Для одностадийных реакций порядок реакций совпадает с молекулярностью реакции, т.е. мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные реакции являются соответственно реакциями первого, второго и третьего порядка.
Кинетическое уравнение одностадийной химической реакции совпадает с законом действующих масс.
Сложные реакции. К сложным относятся реакции, протекающие последовательно через несколько стадий, или параллельно. Большинство реакций являются многостадийными.
Например, реакция 2А + 3В = А2В3
может идти через стадии: А + В = АВ (1)
А + АВ = А2В (2)
А2В + 2В = А2В3 (3)
2А + 3В = А2В3 (4)
Если
одна из этих стадий протекает значительно
медленнее других, то эта стадия будет
определять скорость всего процесса, и
ее называют лимитирующей (скоростьопределяющей)
стадией. Скорость всей реакции будет
определяться скоростью лимитирующей
стадии. Например, если лимитирующей
будет стадия (1), то скорость этой стадии
и соответственно всей реакции будет
равна
В данном случае 1+1=2 , т.е. порядок реакции меньше суммы стехиометрических коэффициентов (Σ=5). Обычно лимитирующая стадия записывается как необратимая реакция, а другие стадии - как обратимые реакции.
Одним из методов ускорения химической реакции является катализ, который осуществляется при помощи веществ (катализаторов), увеличивающих скорость реакции, но не расходующихся в результате ее протекания.
Механизм действия катализатора сводится к уменьшению величины энергии активации реакции, т.е. к уменьшению разности между средней энергией активных молекул (активного комплекса) и средней энергией молекул исходных веществ. Скорость химической реакции при этом увеличивается.