- •Кафедра хімії
- •Хімічна кінетика та рівновага
- •1. Теоретична частина 4
- •1. Теоретична частина
- •1.1. Загальні уявлення
- •1.2. Швидкість хімічних реакцій
- •1.3. Закон діючих мас
- •1.4. Енергія активації
- •1.5. Вплив температури на швидкість реакції
- •1.6. Каталіз
- •1.7. Хімічна рівновага
- •1.8. Вплив зовнішніх факторів на хімічну рівновагу. Принцип ле Шательє
- •2. Лабораторна робота
- •Дослід 1. Вплив концентрації реагуючих речовин на швидкість реакції в гомогенній системі
- •Дослід 2. Вплив температури на швидкість реакції в гомогенній системі
- •Дослід 3. Вплив величини поверхні розділу реагуючих речовин на швидкість реакції в гетерогенній системі. Взаємодія крейди(мармуру) з соляною кислотою.
- •Дослід 4. Вплив каталізатора на швидкість реакції. Каталітичний розклад пероксиду водню.
- •Дослід 5. Вплив концентрації реагуючих речовин на зміщення рівноваги
- •Література
1.5. Вплив температури на швидкість реакції
Підвищення температури реагуючих речовин внаслідок збільшення швидкості молекул приводить до зростання загальної енергії системи і відповідно до збільшення відносного вмісту активних молекул, що рівнозначно зростанню швидкості хімічної реакції. Вплив температури і енергії активації на швидкість хімічних реакцій можна виразити за допомогою залежності константи швидкості реакції kвід температуриТ і ∆Еакт:
, (4)
де А —множник Арреніуса, пропорційний числу зіткнень молекул.
Якщо концентрації реагуючих речовин дорівнюють 1моль/л, то рівняння Арреніуса (4)дає змогу виразити залежність швидкості реакцій від температури:
(5)
Оскільки в рівнянні (5)температура входить у показник степені, то швидкість хімічних реакцій дуже залежить від зміни температури.
Експериментально встановлено, що залежність швидкості хімічної реакції від температури можна виразити у вигляді емпіричного правила Вант-Гоффа: підвищення температури на кожні 10 градусів збільшує швидкість реакції приблизно в 2—4 рази.
У математичній формі правило Вант-Гоффа записується так:
(6)
де ∆to—збільшення температури;v1— швидкість реакції до підвищення температури;v2— швидкість реакції після підвищення температури (при температуріt2);γ—температурний коефіцієнт швидкості реакції (γ == 2—4).
Рівняння (6)є приблизним, тому що швидкість реакції крім температури залежить також від енергії активації∆Еакт, яка, в свою чергу, залежить від температури.
1.6. Каталіз
Швидкість хімічних процесів можна значно збільшити завдяки введенню у реакційну систему певних речовин, які називаються каталізаторами. Каталізатор —це речовина, що збільшує швидкість реакції, кількісно і якісно при цьому не змінюючись.
Речовини, які уповільнюють швидкість хімічних процесів, а самі при цьому не змінюються, називаються інгібіторами.
З наведеного визначення може здатись, що каталізатор не бере участі в хімічній взаємодії речовин. Експериментально доведено, що каталізатор тільки кількісно не змінюється під час реакції, але бере участь у проміжних стадіях хімічної взаємодії і саме завдяки ньому збільшує. швидкість хімічних реакцій.
Механізм дії каталізаторів різний. Найпоширенішою формою дії каталізатора є утворення проміжних сполук з реагуючими речовинами. Зміна швидкості при цьому пояснюється зменшенням енергії активації. Розглянемо механізм дії каталізатора з погляду утворення проміжних сполук на прикладі взаємодії речовин А і В з утворенням сполуки АВ. Нехайё сполука утворюється через активний комплекс А---В, енергія активації якого∆Еакт:
∆Еакт
А+В →А •••В →АВ.
∆Е/акт
А+К →А •••К→АК.
Легкість взаємодії А і К означає, що енергія її активації ∆Е/актмала, аРис. 3. Енергетична схема взаємодії речо- швидкість велика.
вин А і В з каталізатором К (/) та без ка-В свою чергу, сполука АК легко
талізатора (2).взаємодіє з речовиною В, утворюючи АВ і К:
∆Е//акт
АК + В →АК •••В→АВ + К.
Отже, внаслідок реакції речовина (каталізатор) залишилась без зміни і утворилась сполука АВ. Енергетична схема двох способів взаємодії А і В (рис. 3)показує, що при наявності каталізатора енергія активації реакції зменшується. Відповідно до рівняння (5)енергія активації входить у показник степеня з від'ємним знаком і тому навіть незначна її зміна приводить до значного збільшення швидкості реакції.
За своїм агрегатним станом каталізатори можуть бути твердими (Pt, Fe, Co, Ni, V2O5),рідкими і газоподібними (NО2). У зв'язку з цим каталітичні процеси поділяють на гомогенні і гетерогенні.
При гомогенному каталізі всі реагуючі речовини і каталізатор утворюють одну фазу (газоподібну або рідку). Прикладом гомогенного каталізу є окислення COв газоподібній фазі при наявності пари води як каталізатора. Основою добування сірчаної кислоти баштовим методом також є гомогенна каталітична реакція
H2SO3+NO2==H2SO4 + NO,
яка може відбуватися як у рідкій, так і в газоподібній фазах.
При гетерогенному каталізі каталізатор утворює самостійну, як правило, тверду фазу, на поверхні якої відбуваються каталітичні процеси. Прикладом гетерогенного каталітичного процесу може бути окислення SO2доSO3на поверхні V2O5.
Важливою особливістю каталітичних процесів є специфічність дії каталізатора. Крім каталізаторів, здатних прискорювати лише одну реакцію, є каталізатори, які прискорюють цілу групу аналогічних реакцій. Наприклад, платина, нікель ї паладій досить добре каталізують реакції приєднання водню. Залежно від природи каталізатора, можна спрямувати взаємодію тих самих речовин у різному напрямі. Так, при наявності АІ2О3метиловий спирт розкладається на Н2О і С2Н2, а при наявності залізо-мідного каталізатора СН3ОН утворює альдегід і водень.
Каталітичні процеси мають велике практичне значення. Значна частина продуктів сучасної хімічної промисловості виробляється на основі каталітичних реакцій. До каталітичних процесів належать синтез аміаку (каталізатор залізо) і метанолу, окислення SO2 до SO3(каталізатор V2O5), окислення МН3 до NO (каталізатор платина), добування поліетилену та інших полімерних матеріалів. Велику роль відіграють каталізатори в фізіологічних процесах, що відбуваються в рослинних і тваринних клітинах. Як каталізатори в живих клітинах виступають різного типу ферменти.