Глава III. Растворы. Растворимость вещества.

Множество химических реакций, протекающих в природе и осуществляемых человеком в практической деятельности, являются реакциями, идущими в растворах.

Истинным раствором называется устойчивая гомогенная система переменного количественного состава, состоящая из двух и более компонентов, между которыми существуют достаточно сильные взаимодействия.

В истинных растворах каждый компонент распределен в массе другого в виде молекул, атомов или ионов. Относительное содержание компонентов в растворе может быть любым, оно ограничено лишь взаимной растворимостью веществ, которая зависит от их химической природы, их сродства друг к другу, а также от условий приготовления растворов – температуры, давления (в случае растворения газов), присутствия других растворенных веществ. Растворы, в которых достигнут предел растворимости вещества, называют насыщенным раствором этого вещества. Соответственно раствор с меньшим содержанием этого же вещества называется ненасыщенным.

Растворимость вещества в том или ином растворителе характеризуется составом его насыщенного раствора. Наиболее распространенными способами такой характеристики служат:

1. Коэффициент растворимости вещества (P) – наибольшая масса вещества, способная при данной температуре раствориться в 100 г растворителя. Например, при 20⁰С в 100 г воды с образованием насыщенного раствора растворяется 36,0 гNaCl, значит коэффициент растворимости NaCl = 36.P²⁰_H2O (NaCl) = 36

2. Молярная растворимость вещества (S) – число молей вещества, способное при данной температуре раствориться в 1 л указанного растворителя с образованием насыщенного раствора. Так, S²⁰_H2O (NaCl) = 6,154 моль/л, S²⁰_H2O (СаСО₃) = 6,5*10^-4 моль/л.

3. Коэффициент поглощения газа – наибольший объем газа, который может раствориться в единице объема растворителя при данной температуре и парциальном давлении газа 1 атм.

Количественный состав ненасыщенных растворов выражается по-разному: в массовых долях растворенного вещества, молярной и нормальной концентрациями, титром раствора.

4. Массовая доля растворенного вещества

Массовой долей растворенного вещества называется отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора.

Массовая доля растворенного вещества обозначается ω.

Глава IV.Скорость химических реакций. Химическое равновесие.

Раздел химии, изучающий механизм и скорость протекания реакций, называется химической кинетикой. Она отвечает на вопросы: как быстро совершается химическая реакция и каков ее механизм, т.е. путь реакции.

1. Скорость химических реакций

Количественной характеристикой интенсивности протекания химической реакции является ее скорость.

Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего или образовавшегося за единицу времени в единице объема или на единице площади поверхности раздела фаз.

Поскольку в реакции в качестве реагентов и продуктов обычно принимают участие несколько соединений, то говорят не о скорости химического процесса вообще, а о скорости реакции по какому-либо одному компоненту (Х_i). Для гомогенных реакций, которые протекают по всему реакционному объему, можно записать следующее выражение: ʋ(Х_i) = ∆n(X_i)/V∆_t(1), где ʋ(Х_i) – скорость реакции по компоненту Х_i; ∆n(X_i) – изменение количества вещества в реакционном объеме V за интервал времени ∆_t.

Так как отношение n(X_i)/V, характеризующее количество вещества Х_i в единице объема, называется молярной концентрацией вещества обозначается С(Х_i), то выражение (1) можно записать:

ʋ(Х_i) = С₂(Х_i) – С₁(Х_i)

t₂ – t₁

если измерять концентрации веществ в молях на литр, а время в секундах, то единицей измерения скорости реакции будет моль/(л*с).

Факторы, влияющие на скорость гомогенных реакций:

- природа реагирующих веществ;

- концентрация реагентов;

- температура;

- катализатор.

Влияние природы реагирующих веществ. Природа реагирующих веществ – это не только их состав, но и вид частиц, которые непосредственно участвуют в реакции: атомы, молекулы, ионы или радикалы. Радикалы – частицы, имеющие неспаренный электрон, которые возникают под действием различных источников энергии: нагревание, свет, радиоактивное излучение. Реакции между молекулами протекает обычно медленно, а между радикалами и ионами – очень быстро.

Влияние концентрации реагентов. Константа скорости реакции. Взаимодействие между реагирующими частицами (атомами, молекулами, ионами, радикалами) может происходить только при их столкновении, поэтому чем чаще будут сталкиваться частицы, тем быстрее будет протекать химическая реакция. Частота столкновений зависит прежде всего от числа реагирующих частиц, т.е. от концентрации реагентов. Поэтому при увеличении концентрации увеличивается число столкновений между частицами и скорость химической реакции увеличивается.

Скорость гомогенной химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Константа скорости реакции является индивидуальной характеристикой реакции, так как ее значение не зависит от концентрации реагентов. Поэтому константа скорости остается неизменной в течение реакции и является ее фундаментальным кинетическим параметром.

Значение константы скорости реакции численно равно скорости реакции при концентрациях реагентов, равных 1 моль/л. определить константу скорости реакции можно только экспериментально. Значение константы скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и наличия катализатора.

Особенности гетерогенных реакций. В гетерогенной системе взаимодействие частиц происходит не во всем объеме системы, а лишь на поверхности раздела. Поэтому скорость гетерогенной реакции зависит от концентрации подвижного компонента (газа, растворенного вещества), от площади поверхности раздела (твердого вещества или осадка в растворе), а также от скорости диффузии подвижного компонента в зону реакции, а продукта реакции – из этой зоны.

Влияние температуры. Теория активных столкновений. С повышением температуры скорость реакции резко увеличивается. Влияние температуры на скорость реакции описывается эмпирическим правилом Вант-Гоффа.

При повышении температуры на каждые 10⁰ скорость большинства химических реакций возрастает в 2-4 раза за счет увеличения значения константы скорости данной реакции.

Сильное влияние температуры на скорость химической реакции объясняет теория активных столкновений. Основные положения этой теории:

- не каждое столкновение частиц приводит к их химическому взаимодействию;

- к химическому взаимодействию приводят только те столкновения, в которых участвуют частицы, обладающие энергией, необходимой для данного взаимодействия (энергией активации);

- при соударении частицы должны быть сориентированы определенным образом относительно друг друга. При увеличении температуры повышается энергия частиц, но, главное, возрастает число «активных» частиц, что приводит к резкому увеличению скорости реакции.

Влияние катализатора. Скорость химической реакции может резко изменяться в присутствии катализатора.

Катализатором называют вещество, участвующее в реакции и увеличивающее ее скорость, но остающееся химически неизменным в результате реакции.

Влияние катализатора на скорость химической реакции в основном заключается в его участии в этой реакции и изменении ее механизма. Катализатор образует с реагентами промежуточные реакционноспособные соединения, которые в дальнейшем превращаются в продукты реакции и свободный катализатор.

Различают два типа каталитических реакций: гомогенный катализ (катализатор и реагенты находятся в одной фазе) и гетерогенный катализ (катализатор обычно твердый, а реакция протекает на его поверхности).

Для изменения скорости реакции иногда вместо катализатора используют ингибитор, который расходуется в процессе реакции(в отличии от катализатора) и уменьшает ее скорость. Ингибиторы просто препятствуют обычному течению химической реакции, способствуют удалению из реакционной смеси промежуточных веществ, что затрудняет протекание реакции.