- •Химическая кинетика
- •Введение
- •Теоретическая часть
- •Скорость химической реакции
- •Влияние природы реагирующих веществ на скорость химических реакций
- •Зависимость скорости химической реакции от концентрации
- •Зависимость скорости реакции от температуры
- •Зависимость скорости гетерогенных химических реакций от поверхности соприкосновения реагирующих веществ
- •Влияние катализатора на скорость химических реакций
- •Химическое равновесие
- •Механизмы химических реакций
- •Цепные реакции
- •Фотохимические реакции
- •2. Экспериментальная часть
- •3 Техника безопасности
- •4 Контрольные вопросы на допуск к лабораторной работе
- •5. Карточки на защиту лабораторной работы
- •Приложение а Основные термины и определения
- •Катализ –явление изменения скорости реакции под действием катализатора.
- •Межфазная энергия –поверхностная энергия, обусловленная нескомпенсированностью полей частиц на границе раздела фаз: жидкость – жидкость.
- •Стерический фактор –коэффициент «а» в уравнении Аррениуса, определяющий вероятность активного столкновения.
- •Приложение б Тесты по теме химическая кинетика и термодинамика
- •Приложение в Компьютерный проверочный расчет
- •Ввод исходных данных в таблицу рабочей программы опыта №1: относительной концентрации и время опыта Ввод исходных данных в таблицу рабочей программы опыта №2: время опыта и температуры
- •Содержание
- •Содержание……………………………………………………………….47
- •Литература
- •Химическая кинетика
Влияние природы реагирующих веществ на скорость химических реакций
Большую роль играет характер химических связей и строение молекул реагентов. Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H2 и N2 требуются высокие энергии; такие молекулы мало реакционноспособны. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCI, H2O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.
Примеры:
Фтор с водородом реагирует со взрывом при комнатной температуре, бром с водородом взаимодействует медленно и при нагревании.
Оксид кальция вступает в реакцию с водой энергично, с выделением тепла; оксид меди с водой не реагирует.
Зависимость скорости химической реакции от концентрации
Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом (соударение). Точнее говоря, частицы должны сблизиться друг; с другом настолько, чтобы атомы одной из них испытывали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ — продуктов реакции. Поэтому 'скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ.
Число соударений, в свою очередь, тем больше, чем выше концентрация каждого из исходных веществ или, что то же самое, чем больше произведение концентраций реагирующих веществ
Рассмотрим зависимость скорости от концентрации. Предположим, имеем реакцию А+В+2D=F+L. Надо найти зависимость скорости от концентрации реагентов
= f(CA, CB, CD) = ?
Измерим скорость при каких либо концентрациях, а потом увеличим СА вдвое и еще раз измерим скорость. Пусть она возросла вдвое. Это значит, что скорость пропорциональна концентрации СА в первой степени. Увеличим СВ вдвое. Предположим, что это не повлияло на скорость – вполне реальная ситуация. Если растворять NO2 в воде для получения азотной кислоты, то очевидно, что скорость реакции не будет зависеть от количества воды. В таком случае можно сказать, что скорость реакции зависит от СВ в нулевой степени. Пусть теперь мы обнаружили, что от СD скорость зависит как СD 2. Тогда общее уравнение скорости реакции запишется как
=kCACB 0 CD 2 (1.3)
где k — коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости данной реакции
Это уравнение называется кинетическим уравнением реакции. Величина константы скорости k зависит от природы реагирующих веществ, от температуры и от присутствия катализаторов, но не зависит от концентраций веществ.
Показатели степеней при концентрациях в кинетическом уравнении называется порядками реакции по данному веществу, а их сумма – общим порядком реакции. Порядки реакции устанавливаются экспериментально, а не по стехиометрическим коэффициентам. Существует совсем немного реакций, где порядок совпадает с суммой стехиометрических коэффициентов.
N2O5= 2NO2+ 1/2O2 =kC(N2O5) реакция 1 порядка
(H2)+(J2) = 2(HJ) =kC(H2)C(J2) реакция 2 порядка
(Cl2) +2(NO) = 2(NOCl) =kC(Cl2)C(NO)2 реакция 3 порядка
Наиболее часто встречаются реакции первого, второго, иногда‑третьего порядка.
H2 + Br2 = 2HBr
= kCH2CBr2 1/2
Иными словами, порядок может быть и дробным. Почему, рассмотрим ниже.
Реакции обычно идут по стадиям, поскольку невозможно представить себе одновременное столкновение большого числа молекул.
Предположим, что некая реакция идет по стадиям:
A + 2B = C + D
1) А + В = АВ
2) АВ + В --> C +D
Тогда, если первая реакция идет медленно, а вторая быстро, то скорость определяется первой стадией (пока она не пройдет, не может идти вторая), т.е. накопление частиц АВ. Тогда и =kCACB.
Скорость реакции для последовательных реакций определяется самой медленной стадией. Отсюда различие между порядком реакции и стехиометрическими коэффициентами. Например, реакция разложения перекиси водорода
2H2O2 = 2H2O+O2
На самом деле реакция первого порядка, т.к. она лимитируется первой стадией H2O2 = H2O+O, а вторая стадия O+O = O2 идет очень быстро.
Может быть самой медленной не первая, а вторая или другая стадия и тогда мы получаем иногда дробный порядок, выражая концентрации интермедиатов (промежуточных соединений) через концентрации начальных веществ.
Скорость реакции в момент - мгновенная скорость - подчиняется закону действующих масс, который был экспериментально открыт и теоретически обоснован в середине ХIX столетия и получил свое название от термина «действующая масса» - синонима современного понятия «концентрация».
Закон действующих масс (К. Гульдберг, П.Вааге, 1867г. Норвегия):
скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
aA + bB + . . . . . .
= k • [A]a • [B]b • . . . (1.4)
Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов.
Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.
Скорость реакции первого порядка:
Рассмотрим химическую реакцию первого порядка – это обычно реакции разложения или диссоциации.
H2 2H
=k*C
принимая для времени =0 C = C0, получим
(1.5)
тогда
. (1.6)
Концентрация реагентов и скорость реакции первого порядка уменьшаются во времени по экспоненциальному закону.
Прологарифмируем уравнение (1.4), получим
, тогда
(1.7)
Константа скорости реакции первого порядка измеряется [с-1]
Рисунок 2 – Изменение концентрации реагирующих веществ
для реакций первого порядка
(1.8)
Период полураспада ( ½)-время, в течение которого концетрация реагента уменьшается вдвое по сравнению с начальной концетрацией.
Подставим С=С0/2 подставим в (1.6), тогда получим
. (1.9)
Период полураспада реагента в случае реакции первого порядка не зависит от начальной концетрации, а определяется константой скорости реакции.
Скорость реакции 2-го порядка.
Например, рассмотрим реакцию второго порядка:
2HJ = H2+J2
, =kС2
Используя уравнения для скоростей реакций и разделяя переменные, получим
Принимая в начальный момент
C = C0
получим
. (1.10)
.k, [л/моль*с] (1.11)
. (1.12)
. (1.13)
Рисунок 3 - Изменение концентраций исходных веществ во
времени для уравнений реакций второго порядка.