Скорость химических реакций и факторы, влияющие на скорость. Катализ
Скорость химических реакций и факторы, влияющие на скорость. Катализ
Химическая кинетика — раздел химии, изучающий скорость и механизмы химических реакций.
Скорость гомогенной реакции (v) — это изменение молярной концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов в единицу времени в единице объема:
Для гетерогенных реакций (протекающих на границе раздела фаз, например твердое тело — жидкость) скорость относится к единице площади поверхности раздела фаз S:
vгет = Δn / (S · Δt).
Единица измерения скорости в СИ: моль/(л · с) или моль/(м³ · с). Знак «плюс» берут при расчете по продуктам (их концентрация растет), а знак «минус» — по исходным веществам (их концентрация падает).
Диаграмма: Энергетический профиль скорости реакции и катализа
Скорость реакции v
Гетерогенный процесс
Почему концентрация со знаком минус?
Так как c₂ < c₁ для исходного вещества, разность Δc отрицательна. Минус перед дробью делает скорость величиной строго положительной (v > 0).
Фиксация изменения концентрации
Фиксация интервала времени
Расчет скорости
На скорость химической реакции влияют следующие факторы:
1. Природа реагирующих веществ (реакции между ионами в растворах протекают практически мгновенно, а реакции с разрывом прочных ковалентных связей требуют времени).
2. Концентрация реагентов (Закон действующих масс Гульдберга — Вааге, 1867 г.):
«Скорость гомогенной химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам».
Для реакции aA + bB → dD: v = k · [A]ᵃ · [B]ᵇ, где k — константа скорости реакции.
3. Температура (Правило Вант-Гоффа):
«При повышении температуры на каждые 10 °C скорость большинства гомогенных реакций возрастает в 2–4 раза».
v₂ = v₁ · γ^((T₂ - T₁) / 10), где γ — температурный коэффициент Вант-Гоффа (2–4).
4. Площадь поверхности соприкосновения (для гетерогенных реакций — измельчение твердого тела ускоряет процесс в тысячи раз).
Закон действующих масс
Правило Вант-Гоффа
Твердые тела в ЗДМ не входят
В кинетическое уравнение закона действующих масс концентрации чистых твердых фаз не включаются, так как их плотность постоянна (например, для C + O₂ -> CO₂: v = k · [O₂]).
Запись кинетического уравнения
Расчет изменения концентрации
Температурная поправка
Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но само в состав конечных продуктов не входит и по окончании процесса остается химически неизменным.
Катализ бывает:
• Гомогенный — катализатор и реагенты находятся в одной фазе (например, газы NO в окислении SO₂);
• Гетерогенный — катализатор образует самостоятельную твердую фазу, а реакция протекает на его поверхности (платиновая сетка или V₂O₅ в синтезе серной кислоты).
Механизм действия катализатора: катализатор снижает энергию активации (Ea) реакции, направляя процесс по альтернативному многостадийному пути с образованием промежуточных соединений. Биологические белковые катализаторы — ферменты — ускоряют биохимические процессы в клетках в миллионы раз при температуре тела.
Катализатор
Энергия активации Ea
Ингибиторы
Вещества, замедляющие химические реакции (например, замедляющие коррозию металлов или прогоркание пищевых жиров), называют ингибиторами.
Определение типа катализа
Анализ энергетической кривой
Проверка равновесия
Расчет изменения скорости реакции при изменении температуры:
Запись формулы Вант-Гоффа
Вычисление показателя степени
Расчет коэффициента ускорения или времени
Классическая ловушка ЕНТ:
«При 20 °C реакция завершается за 40 минут. При повышении температуры до 50 °C за сколько минут завершится реакция, если температурный коэффициент равен 2?»
Частая ошибка абитуриентов:
Ученики считают ускорение: n = (50 - 20) / 10 = 3; 2³ = 8 раз. И умножают время: 40 * 8 = 320 минут!
Правильное рассуждение:
При повышении температуры скорость ВОЗРАСТАЕТ, а значит, времени на реакцию требуется В 8 РАЗ МЕНЬШЕ!
τ₂ = 40 минут / 8 = 5 минут!
Всегда проверяйте логику: при нагревании реакция идет быстрее, время обязательно должно уменьшиться!
Связь скорости и времени на ЕНТ
Скорость реакции увеличивается в γ^(Δt/10) раз, а время реакции УМЕНЬШАЕТСЯ в это же число раз: τ₂ = τ₁ / γ^(Δt/10)!
- 1. Понятие скорости химической реакции~5 мин
- 2. Факторы, влияющие на скорость реакции. Закон действующих масс~5 мин
- 3. Катализ и катализаторы. Энергия активации~5 мин
- 4. Пошаговый алгоритм решения кинетических задач по правилу Вант-Гоффа~5 мин
- 5. Ловушки ЕНТ: Время реакции против скорости в задачах Вант-Гоффа~5 мин
