План изучения темы

(перечень вопросов, обязательных к изучению):

1. Скорость химической реакции.

2. Скорость гомогенной реакции.

3. Скорость гетерогенной реакции.

4. Факторы, влияющие на скорость химической реакции.

5. Обратимость химических реакций.

6. Понятие о катализе и катализаторах. Типы Катализа.

Содержание:

1.Скорость химической реакции.

Химические реакции протекают с разными скоростями. Очень быстро проходят реакции в водных растворах практически мгновенно.

Если химические реакции происходят в однородной среде, например, и растворе или в газовой фазе, то взаимодействие реагирующих веществ происходит во всем объеме. Такие реакции называют гомогенными.

H2(г. ) + Cl2(г. ) = 2HCl(г. )

CH3COOH(р-р) + C2H5OH(р-р) ↔ CH3COOC2H5(р-р) + H2O

И гетерогенные реакции, если продукты реакции и исходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях.

2Al(т. ) + 3CuCl2(р-р) = 3Cu(т. ) + 2AlCl3(р-р)

СаС2(т. ) + 2Н2О (ж. ) = С2Н2(г. ) + Са (ОН) 2(р-р)

2.Скорость гомогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени в единице объема:

— изменение числа молей одного из веществ (чаще всего исходного, ко может быть и продукта реакции);

— интервал времени (с, мин);

— объем газа или раствора (л).

Поскольку отношение количества веществ к объему представляет собой молярную концентрацию С, то

Таким образом, скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:

если объем системы не меняется.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции.

Скорость химической реакции определяется следующими основными факторами:

1)  природой реагирующих веществ (энергия активации);

2)  концентрацией реагирующих веществ (закон действующих масс);

3)  температурой (правило Вант-Гоффа);

4)  наличием катализаторов (энергия активации);

5)  давлением (реакции с участием газов);

6)  степенью измельчения (реакции, протекающие с участием твердых веществ);

7)  видом излучения (видимое, УФ, ИК, рентгеновское).

Обратимыми называются такие реакции, которые одновременно протекают в двух взаимно противоположных направлениях.

Это означает, что в реакционной смеси протекает как взаимодействие реагентов, так и взаимодействие продуктов. В этом смысле различие между реагентами и продуктами условное. Направление протекания химической реакции определяется условиями ее проведения (температурой, давлением, концентрацией веществ).

Многие реакции имеют одно преимущественное направление и для проведения таких реакций в противоположном направлении требуются экстремальные условия. В подобных реакциях происходит почти полное превращение реагентов в продукты.

Реакции, которые протекают только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных реагирующих веществ в конечные вещества, называются необратимыми. Примером такой реакции может служить разложение хлората калия (бертолетовой соли) при нагревании: 2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 ↑

Реакция прекратится тогда, когда весь хлорат калия превратится в хлорид калия и кислород. Необратимых реакций не так много. Большинство реакций являются обратимыми.

В уравнениях обратимых реакций между левой и правой частями ставят две стрелки, направленные в противоположные стороны. Примером такой реакции может служить синтез аммиака из водорода и азота.

Понятие о катализе и катализаторах. Типы Катализа.

Реакции по участию катализатора:

а) Каталитические – с участием катализатора

2KClO3 → 2KCl + 3O2↑ (катализатор - MnO2) C2H5OH → C2H4↑ + H2O (катализатор - H2SO4 конц. )

б) Некаталитические – без участия катализатора

2HgO → 2Hg + O2↑ C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O

По механизму протекания

а) Радикальные – протекают между радикалами и молекулами.

Cl2 → Cl. + Cl. (на свету; точки означают неспаренные электроны у радикалов) CH4 + Cl. → CH3. + HCl CH3. + Cl2 → CH3Cl + Cl. и т. д. б) Ионные реакции – протекают между ионами

AgNO3 + HCl = AgCl↓ + HNO3

В настоящее время каталитические процессы занимают доминирующее положение в химической технологии: более 80% продукции тяжёлой химической промышленности получают с использованием различных катализаторов. Катализ играет важнейшую роль в живой природе. Сложные комплексы химических превращений, обусловливающие брожение, дыхание, пищеварение, синтез белков осуществляется с помощью ферментов – катализаторов белковой природы, образующихся в живых телах. По некоторым свойствам ферменты существенно превосходят промышленные катализаторы. Изучение каталитических процессов является одним из важнейших направлений современной химии и знакомство с ними является существенным элементом образования современного химика-технолога.

Катализаторы – вещества, которые изменяют механизм реакции, уменьшают  Е_акт => υ ↑.

▪ Катализаторы остаются неизменными по окончании реакции.

▪ Ферменты – биологические катализаторы, по природе белки.

▪ Ингибиторы – вещества, которые ↓ υ.

Под катализом в настоящее время понимается изменение скорости химической реакции при добавлении к реагентам небольших количеств веществ (катализаторов), многократно вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой состав. Наряду с увеличением скорости реакций, небольшие добавки веществ, не изменяющие после окончания цикла свой состав, могут вызывать и уменьшение скорости процесса. В этом случае говорят об ингибировании (отрицательном катализе) химических реакций.

В подавляющем большинстве случаев катализатор не изме­няет состояния равновесия, так как снижает энергетический барьер и в обратной реакции, но ускоряет достижение равно­весного состава. Строго говоря, введение катализатора меняет изобарно-изотермический потенциал системы и может изме­нить свойства среды, например, коэффициенты активности. Обычно этим обстоятельством пренебрегают, поскольку коли­чество вводимого катализатора мало.

Константа скорости в каталитических процессах может рас­ти как за счет уменьшения энергетического барьера, так и в результате роста энтропии активации. Снижение энергии акти­вации обусловлено тем, что взаимодействие катализатора и ре­агирующей молекулы изменяет их свойства (длина и энергия связи в реакционном узле) и образование активированного ком­плекса происходит с меньшими энергетическими затратами. Изменение энтропии связано с реорганизацией реагирующей системы.

Важной особенностью каталитических процессов является сохранение катализатором своего состава в процессе реакции. Количество реагирующего вещества, которое может испытывать превращение в присутствии определенного количества катализатора не ограничивается какими-либо стехиометрическими соотношениями и может быть очень большим. Например, одна весовая часть катализатора в производстве серной кислоты вызывает превращение 10⁴весовых частей реагирующих веществ.

Катализаторы подразделяют на гомогенные и гетеро­генные. Гомогенный катализатор и реагирующие вещества обра­зуют единую фазу, чаще всего жидкую, в которой протекает катали­тическая реакция. К гомогенным катализаторам относят также фер­менты или энзимы — биокатализаторы, под действием кото­рых в живых организмах протекает синтез большинства веществ, необходимых для их жизнедеятельности. Гетерогенно-каталитические реакции протекают на границе раздела фаз, образуемых катализато­ром и реагентами. Наиболее часто в качестве гетерогенных катализато­ров используют твердые тела, при этом реагирующие вещества нахо­дятся в жидкой или газовой фазе.

СН₃СOOС₂Н₅+ Н₂O→CH₃COOH+ С₂Н₅OН

Специфичность катализа.

 Специфичность каталитического дейст­вия заключается в том, что реакции данного типа ускоряются катали­заторами лишь определенного химического состава независимо от того, являются они гомогенными или гетерогенными. Так, кислотно-основ­ные реакции ускоряются кислотами или основаниями, а окислительно-восстановительные — переходными металлами или их соединениями, при этом особенно высоким каталитическим действием обладают эле­менты восьмой группы таблицы Д.И.Менделеева. Однако даже в пре­делах одной группы каталитические свойства веществ меняются немо­нотонно. Так, из всех элементов восьмой группы лишь железо облада­ет достаточно высокой активностью в реакции синтеза аммиака. Такое же заключение можно сделать относительно каталитического действия серебра при сравнении его с медью и золотом в реакции окисления этилена. Специфичность свойственна в той или иной мере всем ката­лизаторам и обусловлена специфичностью химических связей (ковалентной, донорно-акцепторной или водородной), которые возникают между катализатором и реагентом.

В образовании химической связи с реагентами участвуют лишь определенные группы атомов катализато­ра. Такую группу атомов принято называть каталитическим или активным центром. В гомогенном катализе каждая молекула катали­затора, например, ион гидроксония, может рассматриваться как актив­ный центр. В комплексных соединениях переходных металлов в качес­тве активных центров может выступать "вакантное место" в координа­ционной сфере комплексного соединения иона металла. Активные центры гетерогенных катализаторов находятся на поверхности твердо­го тела и представляют собой один или группу атомов, ионов кристал­лической решетки. Более сложное строение имеют активные центры ферментов. Специфичность каталитического действия того или иного катализатора определяется химическим составом, строением и структу­рой его активных центров.

Активность и селективность катализаторов. 

Любая каталитическая реакция включает по крайней мере две стадии:

1) взаимодействие активного центра с молекулой реагента и образование промежуточного соединения;

2) распад промежуточного соединения с образованием продуктов реакции и "свободного" активного центра.

Последний вновь вступает во взаимодействие с молекулами исходных веществ. Такие циклы могут повторяться многократно. Число циклов, совершающихся за единицу времени на одном активном центре, называют числом обо­ротов катализатора. Мерой каталитической активности является число оборотов катализатора. Для гомогенных катализаторов число оборотов легко подсчитать, если разделить скорость реакции на мо­лярную концентрацию катализатора.

Активность катализатора, так же как и скорость реакции, зависит от условий проведения каталитического процесса: температуры, кон­центрации реагентов, давления, а также растворителя, если каталити­ческая реакция протекает в жидкой фазе. Поэтому сравнение катали­тической активности различных катализаторов проводят при строго одинаковых условиях.

Состояние обратимой реакции, при котором υ^→ =υ^← называется химическим равновесием.(т.е. V прямой реакции равна V обратной)

Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем. А2 + В2 ⇄ 2AB .