Факторы, влияющие на скорость химических реакций

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 13Следующая ⇒

с

t

t

с

                                       а                                                           б

Рис. 1. Зависимость концентрации исходного вещества (а) и продукта реакции (б) от времени

Мгновенная (истинная) скорость характеризует скорость химической реакции в данный момент времени. Она определяется как предел, к которому стремиться средняя скорость при Δt → 0, то есть как первая производная от концентрации какого-либо вещества-участника реакции по времени и равна тангенсу угла наклона (α) касательной к кривой  с = f (t) в точке, соответствующей времени ti (рис. 2):       

.

Кривые на рис. 1,2 определяются совокупностью точек величинами истиной скорости

В начале химической реакции её скорость является наибольшей, поскольку концентрация исходных веществ максимальная (поэтому кинетические кривые, выражающие зависимость концентрации реагента или продукта реакции от времени, на этом участке рис 1 а, б наиболее крутые).

Рис. Чем выше концентрация соляной кислоты, тем быстрее протеакет химическое растворение и ней металлического цинка

Для определения концентрации реагирующих веществ в разные моменты времени используют различные методы – химические и физические с образованием газа, как взаимодействие карбоната кальция (мела) с уксусной кислотой:

CaCO₃ + 2CH₃COOH = (CH₃COO)₂Ca + CO₂↑ + H₂O,

то за ней удобно наблюдать, измеряя объём выделившегося газа (рис. ). Когда в реакции участвует окрашенное вещество, за её течением можно следить по изменению интенсивности окраски с помощью колориметров (от лат. color – цвет и греч. metro - мерю).

t

c

α

Впервые скорость реакции и её зависимость от концентрации исходных веществ исследовал в 1850 г. немецкий химик Людвиг Фердинанд Вильгельми (1812-1864), который изучал кислотнокатализируемый гидролиз сахарозы. Для определения концентрации реагентов в разные моменты времени используют различные химические и физические методы. Например, если химическая реакция проходит с образованием газа, как растворение мела в уксусной кислоте:

CaCO₃ + 2CH₃COOH = (CH₃COO)₂Ca + CO₂↑ + H₂O,

то за ней удобно наблюдать, измеряя объём выделившегося углекислого газа. Когда в реакции участвует окрашенное вещество, за её течением можно следить по изменению интенсивности окраски с помощью колориметров, спектрофотометров и других спектральных приборов.

Средняя скорость химической реакции – величина приближённая. Мгновенная скорость реакции является более объективной характеристикой, однако и она не удобна для сравнения скоростей реакций в следствие её изменяемости во времени. Поэтому как средняя, так и мгновенная скорость не может служить кинетическим параметром химической реакции, каковым является её константа (раздел 2.2).

Каждая химическая реакция протекает по определённому механизму, характеризующему её путь, то есть характер последовательности элементарных актов химического взаимодействия веществ. По механизму химические реакции подразделяются на простые и сложные.

Простые химические реакции  состоят из однотипных элементарных актов, то есть протекают в одну стадию.

Уравнение простой химической реакции показывает, какие частицы (атомы, молекулы, ионы, радикалы) и в каком соотношении участвуют в её элементарном акте.

Например:

                      а) Хе + F₂ = XeF₂;    б) О₂ + О = О₃;

в) Н⁺ + ОН^– = Н₂О; г) CH₄ + Cl·→·CH₃ + HCl

Большинство химических реакций осуществляются не в одну, а в несколько стадий. Это связано с тем, что одновременно сталкиваются друг с другом могут только две (редко – три) частицы, в то время как во многих реакциях участвует большее число реагентов.

Сложные химические реакции − это реакции, при протекании которых осуществляются разнотипные элементарные акты, то есть реакции протекают в несколько стадий, каждая их которых является простой.

Совокупность и последовательность стадий сложной химической реакции представляет собой механизм реакции.

Уравнение сложной химической реакции отражает количественную характеристику процесса в целом и не учитывает, какие частицы и в каком соотношении участвуют в отдельных его стадиях.

Стадии сложных реакций могут осуществляться:

· последовательно друг за другом

(например: CH₄ CH₃Cl CH₂Cl₂

CH₃Cl₃ CCl₄)

А   В   С   D

· параллельно

(когда исходные вещества участвуют одновременно в нескольких реакциях, например)

· последовательно-параллельно                      

· циклически  

В соответствии с этим сложные реакции подразделяют на последовательные, параллельные, последовательно-параллельные и циклические.

Большинство, например, биохимических реакций являются последовательно-параллельными и циклическими процессами.

Многие химические реакции [например крекинг (расщепление) углеводородов, хлорирование и окисление органических соединений, радикальная полимеризация, имеют цепной – радикальный характер. К таким реакциям неприменимы обычные закономерности химической кинетики. Для них характерны три основные стадии: зарождение, развитие и обрыв цепи.

На стадии зарождения цепипроисходит образование промежуточных активных частиц под воздействием энергии (температуры, света, радиоактивного излучения или механического воздействия, например, удара или трения). Роль активных частиц могут выполнять электронейтральные атомы, возбуждённые молекулы, ионы и радикалы[3].

На стадии развития цепи активные частицы, вступая в химическое взаимодействие с молекулами исходного вещества, вызывают появление других активных частиц. При этом реакции могут осуществляться:

а) без разветвления цепи, когда одна активная частица вызывает появление только одной активной частицы (•→•→•→•→•);

б) с разветвлением цепи, когда одна активная частица вызывает появление двух и более активных частиц

                                                    •

Большинство сложных реакций являются последовательными. Кинетические кривые зая реакции из двух стадий показаны на рис. . В последовательных реакциях скорость образования конечного продукта не равна скорости исчезновения исходного вещества. Конечный продукт образуется со скоростью, диктуемой самой медленной стадией реакции.

Рис. 2. Изменение концентраций в последовательной реакции А→В→Р

Кривая А соответствует убыванию концентрации исходного вещества. Концентрация промежуточного вещества В проходит через максимум, так как вначале оно накапливается, а потом исчезает. Кривая Р характеризует накопление продукта реакции.

Стадия развития цепи, повторяясь многократно,  приводит к образованию множества промежуточных активных частиц и продуктов реакции.

Например:

а) горение водорода   

в хлоре (рис. )

(реакция осуществляется без разветвления цепи)

б) горение водорода в кислороде

 (реакция осуществляется с разветвлением цепи)

H2 + Cl2 = 2HCl

2H2 + O2 = 2H2O

 Cl₂  = 2Cl·

Зарождение цепи

H₂ + O₂ = 2HO∙

Cl∙ + H₂ = HCl + H∙

Развитие цепи

∙OH + H2 = H2O + H∙

H∙ + Cl₂ = HCl + Cl∙

H∙ + O₂= HO∙ + ∙O∙

∙O∙+ H2 = HO∙ + H∙

H∙ + Cl∙ = HCl

Cl∙ + ∙Cl=Cl₂

Обрыв цепи

HO∙ + ∙H = H₂O

∙О∙ + ∙О∙ =О₂

На стадии обрыва цепи происходит расходование активных частиц за счёт их взаимодействия друг с другом с образованием продуктов реакии или исходных веществ[4]. Обрыв цепей происходит, и когда активные атомы реагируют с молекулами примеси, либо «принимают» к стенке сосуда.

В начале процесса, когда концентрация активных частиц во много раз меньше концентрации исходных веществ, преобладают стадии развития цепи. Скорость цепной разветвлённой реакции на этой стадии резко возрастает, так как одна активная частица способствует образованию до 10⁴–10⁶ молекул продуктов реакции. В конце процесса, когда стадии обрыва цепи преобладают, скорость химической реакции резко снижается.

По цепному механизму (рис. 3) развиваются процессы трения, горения, взрыва, фотохимические реакции, такие как, образование озона в атмосфере (3О2 2О3), свободно-радикальное окисление веществ в организме, а также процессы, возникающие под воздействием радиационного облучения.

Рис. 3. Механизм цепного процесса подобен эффекту домино, зарождение, рост и обрыв цепи.

В сложных химических реакциях скорости отдельных стадий могут значительно отличаться. В этих случаях скорость реакции определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. Поэтому при установлении механизма реакции, прежде всего, определяют кинетические характеристики этой стадии.

Роль лимитирующей стадии в определении скорости химической реакции можно сравнить с движением множества автомобилей через туннель, в котором скорость всего потока определяется скоростью машины, движущейся с наименьшей скоростью.

Одна из основных задач химической кинетики – управление скоростью реакции. "Полезные" реакции нужно заставить идти быстрее, а "вредные" – замедлить. Для этого надо знать, какие факторы влияют на их скорость.

Скорость реакций может зависеть от множества факторов:

· природы и концентрации реагирующих веществ;

· давления (в реакциях с участием газов);

· температуры;

· присутствия катализатора или ингибитора;

· наличия примесей и их концентрации;

· природы растворителя  (для реакций в растворах);

· от поверхности реагирующих веществ (для гетерогенных систем: газ – жидкость или твёрдое тело; жидкость – твёрдое тело; несмешивающиеся жидкости; твёрдые тела (процессы трения, реакция компонентов пороха);

· степени дисперсности жидких и твёрдых веществ;

· формы и материала реактора  (для радикальных реакций);

· света  (для фотохимических реакций);

· мощности дозы излучения  (для радиационных реакций);

· потенциалов электродов  (для электрохимических реакций) и др.

Однако основными факторами, которые учитывают почти во всех химических реакциях, являются природа и концентрация реагирующих веществ,  давление (в реакциях с участием газов), температура,  наличие катализатора и ингибитора.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Организация работы процедурного кабинета

Области применения синхронных машин

Оптимизация по Винеру и Калману