Print bookPrint book

§ 21. Факторы, влияющие на скорость химических реакций

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 21. Факторы, влияющие на скорость химических реакций
Printed by: Guest user
Date: Sunday, 26 May 2024, 9:14 AM

Знание скоростей химических реакций и закономерностей их протекания имеет большое научное и практическое значение. Например, в химической промышленности от скорости реакций зависят конструкция, размеры и производительность аппаратуры и даже безопасность производства.

Как было отмечено в предыдущем параграфе, скорость химической реакции определяется природой реагирующих веществ. Но скорость можно увеличить или уменьшить, изменяя условия протекания реакции.

К факторам, существенно влияющим на скорость химических реакций, относятся концентрация реагентов, температура, наличие и природа катализатора, площадь поверхности соприкосновения реагентов.

Концентрация реагирующих веществ

img
Влияние концентрации реагента на скорость реакции

Скорость реакции пропорциональна числу столкновений, которые претерпевают частицы реагирующих веществ. Чем выше концентрации исходных веществ в реакционной смеси (растворе), тем чаще их частицы сталкиваются между собой, что и приводит к увеличению скорости реакции.

Температура

Скорость большинства химических реакций сильно зависит от температуры. Эту зависимость в 1884 году установил голландский химик Я. Х. Вант-Гофф — первый лауреат Нобелевской премии по химии. Он сформулировал правило, названное впоследствии его именем.

При повышении температуры на каждые 10 °С скорость большинства химических реакций увеличивается в 2–4 раза.

img

Математическое выражение зависимости скорости реакции от температуры имеет вид: υ2 = υ1 ∙ γΔt/10, где:

  • υ2 — скорость реакции при более высокой температуре t2;
  • υ1 — скорость реакции при более низкой температуре t1;
  • Δt — разность температур t2 и t1;
  • γ — коэффициент Вант-Гоффа, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на каждые 10 °С.

Так, если γ = 3, а при 20 °С реакция длится около 10 часов, то при 100 °С она пройдёт примерно за 6 секунд. Для большинства практически значимых реакций γ имеет значения от 2 до 4.

Изучая, как изменяются свойства полимеров, лекарств, масел, смазок и многих других материалов в процессе хранения, их выдерживают некоторое время при повышенных температурах. Это значительно ускоряет химические реакции распада, гидролиза, окисления веществ и другие естественные процессы, протекание которых в итоге приводит к непригодности материалов и изделий из них. Такой способ тестирования называют ускоренным старением и используют для предварительной оценки полезного срока службы изделий или срока их годности (хранения).

img

Выдерживание бумаги при 100 °С в течение 24 часов соответствует сроку её хранения в течение 6–8 лет при комнатной температуре. Этот приём необходим для определения продолжительности использования книг и документов.

Уменьшение температуры хранения пищевых продуктов замедляет химические процессы их порчи: окисления, разложения и др. Так, срок годности сливочного масла при температурах хранения +3, –6 и –16 °С составляет соответственно 35, 60 и 120 суток.

Катализаторы

Проведение химических реакций в присутствии катализаторов является одним из основных способов увеличения скорости превращений веществ.

Катализ — это процесс ускорения химической реакции под действием катализатора.

Напомним, что катализаторы ускоряют химические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, практически не изменяется после реакции. Химические реакции в присутствии катализатора протекают быстрее, поскольку он обеспечивает альтернативный путь превращения.

Рассмотрим действие катализатора на примере реакции:

А2 + Б2 = 2АБ.

Без катализатора эта реакция протекает медленно. Катализатор К быстро реагирует с одним из исходных веществ, например А2, и образует реакционноспособное промежуточное соединение А2K:

А2 + K = А2K (быстрая реакция).

Промежуточное соединение A2K активно взаимодействует с другим реагентом — Б2, превращаясь в продукт реакции АБ. Катализатор K высвобождается без изменения:

А2K + Б2 = 2АБ + K (быстрая реакция).

Взаимодействие реагентов A2 и Б2 по многостадийному каталитическому пути в целом протекает гораздо быстрее, чем без катализатора.

Катализатор многократно вступает в химическое взаимодействие с участниками превращения, но свой химический состав восстанавливает. Катализатор не включается в продукты реакции.

Например, реакция этерификации между карбоновой кислотой и спиртом протекает значительно быстрее в присутствии сильной минеральной кислоты:

img

Для окисления оксида серы(IV) SO2 в оксид серы(VI) SO3 кислородом воздуха используют катализатор V2O5:

2 SO subscript 2 space plus space straight O subscript 2 not stretchy rightwards arrow over leftwards arrow with 400 – 600 space degree straight C comma space straight V subscript 2 straight O subscript 5 on top 2 SO subscript 3 space plus space Q.

Скорость этой реакции в присутствии катализатора увеличивается примерно в 10 000 раз.

Площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ

На скорость гетерогенных реакций сильное влияние оказывает величина площади поверхности соприкосновения реагентов. Проведём два эксперимента и убедимся в этом. Для этого в две пробирки нальём разбавленную соляную кислоту равных объёмов. В первую пробирку опустим кусочек мрамора (CaCO3), а во вторую — мраморную крошку (СaCO3) той же массы. Видно, что более интенсивное выделение газа происходит в пробирке с крошкой, и реакция с ней протекает быстрее, чем с кусочком мрамора.

Из повседневного опыта нам известно, что деревянные стружки и щепки сгорают быстрее, чем полено из того же дерева и той же массы. Это объясняется тем, что у стружек общая площадь горящей поверхности намного больше, чем у полена.

Таким образом, бо́льшая площадь поверхности соприкосновения реагентов обеспечивает бо́льшую вероятность контакта взаимодействующих частиц и увеличение скорости гетерогенных реакций. Предельным случаем «дробления» реагентов является их растворение и использование в виде растворов.

На скорость химических реакций влияют концентрация реагентов, температура, наличие катализатора и площадь поверхности соприкосновения реагентов.

Катализаторы, обеспечивая альтернативный путь превращения, ускоряют химические реакции, но не входят в состав конечных продуктов превращений.

Вопросы, задания, задачи

1. Укажите расположение магния, цинка, железа и меди в ряду активности металлов. Как это отражается на скорости их реакции с растворами кислот?

2. Почему для протекания химической реакции, как правило, недостаточно простого столкновения частиц реагентов? Какие процессы предшествуют образованию новых связей в продуктах реакции?

3. Что такое энергия активации реакции? Почему молекулы реагентов, имеющие запас энергии меньше, чем Еа, не вступают в химическую реакцию?

4. Предложите пути увеличения скорости реакции:

2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O – Q.

5. Почему скорость большинства реакций возрастает при повышении температуры?

6. Почему многие лекарства хранят в холодильнике?

7. Какие вещества называются катализаторами? Приведите примеры известных вам реакций, протекающих в присутствии катализаторов.

8. Перечислите все факторы, увеличивающие скорость реакции синтеза аммиака:

3 straight H subscript 2 space plus space straight N subscript 2 not stretchy rightwards arrow over leftwards arrow with 400 minus 500 space degree straight C comma space Fe comma space p on top 2 NH subscript 3 space plus space Q.

9. В закрытом сосуде постоянного объёма протекает химическая реакция: А(г) + Б(г) = В(г). До начала реакции молярная концентрация A составляла 5 моль/дм3. Скорость реакции по веществу А равна 0,06 моль/(дм3 ∙ с). Рассчитайте концентрацию вещества A через 20 с после начала реакции.

10. В химический реактор объёмом 50 дм3 ввели газообразное вещество А количеством 20 моль и газообразное вещество Б количеством 60 моль, между которыми произошла реакция А(г) + 2Б(г) = В(г). Через 3 минуты концентрация вещества А уменьшилась наполовину. Определите скорость расходования вещества Б.

Повышенный уровень
Повышенный уровень
§ 21.1

*Самоконтроль

1. Скорость химических реакций зависит от:

  • а) поверхности соприкосновения веществ;
  • б) температуры;
  • в) количества вещества;
  • г) молярной концентрации вещества.

2. Взаимодействие гранул цинка с соляной кислотой будет ускоряться при:

  • а) увеличении концентрации кислоты;
  • б) измельчении цинковых гранул;
  • в) охлаждении реакционной смеси;
  • г) разбавлении кислоты.

3. Без катализатора протекают реакции:

  • а) NaOH + HCl = NaCl + H2O;
  • б) BaCl2 + H2SO4 = BaSO4↓+ HCl;
  • в) C2H4 + H2 = C2H6;
  • г) AgNO3 + NaCl = AgCl↓ + NaNO3.

4. В таблице приведены значения энергии активации для реакции разложения пероксида водорода 2H2O2 = 2H2O + O2 без и в присутствии катализатора:

Наличие катализатораЭнергия активации, кДж/моль
Без катализатора 73
Платина 48
Ионы железа 42
Фермент каталаза 7

Скорость разложения пероксида водорода будет наибольшей:

  • а) на платиновом катализаторе;
  • б) приведённые данные не позволяют сделать такой вывод;
  • в) при ферментативном разложении в присутствии каталазы;
  • г) в отсутствие катализаторов.

5. При увеличении температуры на каждые 10 °С скорость некоторой реакции возрастает вдвое. Температура реакционной смеси изменилась от 20 °С до 60 °С. Скорость реакции при этом возросла в:

  • а) 8 раз;
  • б) 16 раз;
  • в) 64 раза;
  • г) 128 раз.