Лекция 7.

Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Химическое равновесие. 7.1. Гомогенные и гетерогенные реакции

Химические вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях, при этом их химические свойства в разных состояниях одинаковы, однако активность отличается (

Фазой называется область химической системы, в пределах которой все свойства системы постоянны (одинаковы) или непрерывно меняются от точки к точке. Отдельными фазами являются каждое из твердых веществ, кроме того существуют фазы раствора и газа.

Гомогенной называется химическая система, в которой все вещества находятся в одной фазе (в растворе или в газе). Если фаз несколько, то система называется

Гетерогенной.

Соответственно химическая реакция называется гомогенной, если реагенты находятся в одной фазе. Если реагенты находятся в разных фазах, то химическая реакция называется гетерогенной.

Раздел химии, который изучает скорости и механизмы химических реакций является разделом физической химии и называется химической кинетикой.

Скоростью химической реакции называется изменение количества вещества в единицу времени в единице объема реагирующей системы (для гомогенной реакции) или на единице площади поверхности (для гетерогенной реакции).

Отношение изменения количества вещества к объему системы можно интерпретировать как изменение концентрации данного вещества.

Отметим, что для реагентов в записи выражения для скорости химической реакции ставят знак «минус», так как концентрация реагентов уменьшается, а скорость химической реакции – вообще-то величина положительная.

Дальнейшие умозаключения базируются на простых физических

Скорость химической реакции. Закон действующих масс. Химическое равновесие.

Кинетическое уравнение первого порядка

(иллюстративный дополнительный материал)

Рассмотрим гомогенную реакцию первого порядка, константа скорости которой равна k, начальная концентрация вещества A равна [A]0.

Факторы, которые влияют на скорость реакции

1. Природа реагирующих веществ

Например, скорость реакции следующих веществ: H2SO4, CH3COOH, H2S, CH3OH – с гидроксид-ионом будет различаться в зависимости от прочности связи H-O. Для оценки прочности данной связи можно использовать величину относительного положительного заряда на атоме водорода: чем больше заряд, тем легче будет идти реакция.

2. Температура

Жизненный опыт подсказывает нам, что скорость реакции от температуры зависит и увеличивается с ростом температуры. Например, процесс скисания молока быстрее происходит при комнатной температуре, а не в холодильнике.

Обратимся к математическому выражению закона действующих масс.

W = k[ A]n [B]m

Раз левая часть этого выражения (скорость реакции) от температуры зависит, следовательно, правая часть выражения также зависит от температуры. При этом концентрация, разумеется, от температуры не зависит: например, молоко сохраняет свою жирность 2,5% и в холодильнике, и при комнатной температуре. Тогда, как говаривал Шерлок Холмс оставшееся решение и есть верное, каким бы странным оно ни казалось: от температуры зависит константа скорости!

екция 8.

Факторы, влияющие на скорость реакции. Химическое равновесие.

3.Катализ

3.Еще одним фактором, который оказывает существенное влияние на скорость реакции, является катализатор.

Катализатор – вещество, которое участвует в химической реакции и увеличивает (положительный катализ) или уменьшает (отрицательный катализ) её скорость, но само при этом не расходуется.

Что происходит с химической реакцией в присутствии катализатора? Все очень просто. Пусть в отсутствие катализатора происходит медленная химическая реакция между веществами А и В, в результате которой получается продукт Р.

Вприсутствии катализатора К вещество А быстро реагирует с веществом К

собразованием некоторого промежуточного соединения АК (его называют

интермедиат) АК, которое быстро реагирует с В и образует продукт реакции Р и катализатор К (катализатор регенерируется, т.е. не расходуется). Таким образом, вместо одной реакции стало две, но важны не столько количество стадий, сколько их скорость: вместо одной медленной реакции стало две быстрых. Как такое возможно?

Некаталитическая

реакция

А+В P (медленно)

Каталитическая реакция

А + К АК (быстро) АК + В Р + К (быстро)

Ответ, опять-таки, даёт энергетическая диаграмма процесса в присутствии катализатора. Ясно, что быстрая стадия характеризуется небольшой энергией активации. Вещество АК (интермедиат) является продуктом первой стадии и представляет собой минимум на кривой энергии. Затем вновь следует быстрая стадия (т.е. энергия активации вновь невелика), в результате которой образуется продукт реакции. Таким образом, одногорбый верблюд превратился в двугорбого.

О катализаторах следует сказать ещё несколько важных слов

Лекция 8.

Факторы, влияющие на скорость реакции. Химическое равновесие.

1.Существует понятие отрицательный катализ, или ингибирование – в том случае, если вещество не ускоряет, а замедляет реакцию. Вещества, оказывающие подобное действие и при этом не расходующиеся, называются ингибиторами.

2.Если реакция обратима, то катализатор, как правило, ускоряет и прямую, и обратную реакции.

3.Как правило, в системе присутствуют вещества, которые снижают активность катализатора (каталитические яды), т.е. катализатор с течением времени отравляется и может совсем потерять активность.

4.Существует две разновидности катализа: гомогенный (вещество и катализатор

находятся в фазе раствора) и гетерогенный (вещество и катализатор находятся в разных фазах, как правило, твердый катализатор и раствор реакционной смеси).

Гомогенный катализ, как правило, эффективнее, однако при этом крайне сложно отделить катализатор от продуктов реакции.

Гетерогенный катализатор легко удаляется, например, фильтрованием, однако его активность сильно зависит от

а) площади поверхности; б) скорости диффузии (реагентов к поверхности катализатора и продуктов от нее)

в) скорости сорбции реагентов на поверхности и десорбции продуктов с нее

5. Вспомним биологию – процесс питания, как правило, связан с действием уникальных биокатализаторов – ферментов. Ферменты, как правило, представляют собой огромные белковые молекулы, масса которых составляет от тысячи до сотен тысяч а.е.м.

Действие ферментов отличают

-высокая активность (число превращений в единицу времени)

-высокая селективность (преимущественное образование одного продукта из нескольких возможных)

-работа при низких температурах (до 40oC). При более высокой температуре происходит денатурация белка, белок теряет свою третичную структуру – и каталитическую активность.

В настоящее время ферменты используют как лекарственные препараты (Мезим, Панкреатин, Инсулин и т.д.). Ферменты добавляют в стиральные порошки, правда, пользоваться таким порошком можно только при невысоких температурах. Кроме того, учтите, что, например, шерсть таким порошком стирать нельзя – ферменты будут разрушать ткань, так как она имеет биологическое происхождение.

Лекция 8.

Факторы, влияющие на скорость реакции. Химическое равновесие.