X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Вокруг нас постоянно происходят тысячи химических реакций. Горит костёр и горит газ в конфорке газовой плиты, ржавеет железо, молоко превращается в творог, на фотоплёнке возникают изображения.

Известно, что одни химические реакции протекают за малые доли секунды, другие же за минуты, часы, дни. Некоторые протекают так быстро, что за ними не уследишь. Вот мы зажигаем спичку. Чирк! Воспламеняется от трения о коробку фосфор, входящий в состав спичечной головки, мгновенно появляется пламя. Химическая реакция заняла доли секунды. Дрова в костре тоже сгорают весьма быстро. А превращение древесины доисторических исполинских деревьев в каменный уголь длилось миллионы лет. Взрыв смеси кислорода с водородом происходит практически мгновенно, а превращение графита в алмаз в недрах Земли – очень медленная реакция. Из известных на сегодняшний день реакций самая быстрая протекает в 10⁴⁰ раз быстрее, чем самая медленная. При этом нельзя ограничиваться чисто качественными реакциями, рассуждать о «быстрых» и «медленных» реакциях.

Знание скоростей химических реакций имеет очень большое практическое и научное значение. Например, в химической промышленности от скорости химической реакции зависят размеры, производительность аппаратов, качество вырабатываемого продукта и в конечном итоге зарплата работников и себестоимость продукции.

В физике скорость передвижения тела узнают, измеряя расстояние, за которое это тело переместилось в определенный промежуток времени. Но химические вещества не всегда перемещаются в пространстве. Часто они просто расходуются в определённом количестве, переходя в продукты реакции за некоторый промежуток времени.

Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются за минуты, часы, дни; известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков времени. Кроме того, одна и та же реакция может в одних условиях, например, при повышенных температурах, протекать быстро, а в других, – например, при охлаждении, – медленно; при этом различие в скорости одной и той же реакции может быть очень большим.

Знание скоростей химических реакций имеет очень большое научное и практическое значение. Например, в химической промышленности при производстве того или иного вещества от скорости реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта.

При рассмотрении вопроса о скорости реакции необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе (гомогенные реакции), и реакции, протекающие в гетерогенной системе (гетерогенные реакции).

Системой в химии принято называть рассматриваемое вещество или совокупность веществ. При этом системе противопоставляется внешняя среда – вещества, окружающие систему. Обычно система физически отграничена от среды.

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогеннойназывается система, состоящая из одной фазы, гетерогенной – система, состоящая из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделённая от других её частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.

Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь (все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге). Другим примером гомогенной системы может служить раствор нескольких веществ в одном растворителе. В каждом из этих двух случаев система состоит только из одной фазы: из газовой фазы в первом примере и из водного раствора во втором.

В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком, уголь и сера в атмосфере воздуха. В последнем случае система состоит из трёх фаз: двух твердых и одной газовой.

Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идёт во всем объёме этой системы.

Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Например, растворение металла в кислоте может протекать только на поверхности металла, потому что только здесь соприкасаются друг с другом оба реагирующие вещества. В связи с этим скорость гомогенной реакции и скорость гетерогенной реакции определяются различно.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы.

Оба эти определения можно записать в математической форме. Введём обозначения:

V_гомог – скорость реакции в гомогенной системе;

V_{гетерог} – скорость реакции в гетерогенной системе;

п – число молей какого-либо из получающихся при реакции веществ;

V – объём системы;

t – время;

S – площадь поверхности фазы, на которой протекает реакция;

Δ – знак приращения (Δп =п₂- п₁;Δt= t₂- t₁).

Тогда:

V_гомог = Δп /( V Δt) ;

V_{гетерог}= Δп(S Δt)

Первое из этих уравнений можно упростить. Отношение количества вещества (п) к объёму (V) системы представляет собою молярную концентрацию (С) данного вещества:

п|V = С,

откуда Δп|V =ΔС

и окончательно:

V_гомог = ΔС/Δt

Последнее уравнение является математическим выражением другого определения скорости реакции в гомогенной системе: скоростью реакции в гомогенной системе называется изменение концентрации какого-либо из веществ, вступающих в реакцию или образующихся при реакции, происходящее за единицу времени.

Как уже говорилось, при практическом использовании химических реакций весьма важно знать, с какой скоростью будет протекать данная реакция в тех или иных условиях, и как нужно изменить эти условия для того, чтобы реакция протекала с требуемой скоростью. Раздел химии, изучающий скорости химических реакций, называется химической кинетикой.

От чего же зависит скорость реакции?

В первую очередь – от природы веществ: одни вещества реагируют мгновенно, другие – медленно.

Затем – от концентрации реагентов: чем она больше, тем чаще будут сталкиваться частицы.

В-третьих, повышение температуры также будет ускорять реакцию: чем выше температура, тем легче частицам образовывать активированный комплекс и преодолеть энергетический барьер.

Для гетерогенных реакций самый важный фактор – площадь контакта реагентов (она напрямую зависит от степени измельчения).

Наконец, в присутствии веществ-катализаторов тоже достигается рост скорости реакции.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ

Чтобы вещества прореагировали, необходимо, чтобы их молекулы столкнулись. Очевидно, что вероятность столкновения молекул прямо пропорциональна количеству молекул реагентов в единице объёма, т.е. молярным концентрациям реагентов.

В закон действующих масс не входят концентрации твёрдых веществ, т.к. реакции с твёрдыми веществами протекают на их поверхности, где «концентрация» вещества постоянна.

Влияние поверхности соприкосновения реагентов на скорость химической реакции

Скорость гетерогенной реакции прямо пропорциональна площади поверхности соприкосновения реагентов. Но в этом определении есть нюансы. Твёрдые вещества, участвующие в гетерогенной реакции, для увеличения скорости взаимодействия измельчают, чтобы увеличить площадь поверхности частиц. Например, уголь для приготовления пороха растирают в порошок. Жидкость для реакции с газом распыляют в мельчайшие капельки: так, дизельное топливо (смесь углеводородов) впрыскивают в камеру, где оно встречается с воздухом, через специальное устройство, обеспечивающее распыление.

Зависимость скорости реакции от температуры и от природы реагирующих веществ

Молекулярно-кинетическая теория газов и жидкостей даёт возможность подсчитать число соударений между молекулами тех или иных веществ при определённых условиях. Если воспользоваться результатами таких подсчётов, то окажется, что число столкновений между молекулами веществ при обычных условиях столь велико, что все реакции должны протекать практически мгновенно. Однако в действительности далеко не все реакции заканчиваются быстро. Это противоречие можно объяснить, если предположить, что не всякое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к образованию продукта реакции. Для того чтобы произошла реакция, т.е. чтобы образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определённую энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то столкновение будет неэффективным – не приведет к образованию новой молекулы. Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна для ослабления или разрыва связей, то столкновение может привести к перестройке атомов и к образованию молекулы нового вещества.

Катализ и ингибирование

Есть вещества, которые влияют на скорость химической реакции, не являясь при этомреагентами. Они принимают в реакции самое непосредственное участие, но в результате реакции остаются неизменными. Такие вещества называются катализаторами, если они ускоряют реакцию, и ингибиторами, если замедляют е`. Механизм действия катализаторов объясняется образованием промежуточных соединений. Например, механизм действия катализатора К в реакции А + В = АВ можно схематически показать так:

А + К = АК

АК + В = АВ + К

А + В = АВ (АК – промежуточное соединение).

В присутствии катализатора изменяется путь, по которому происходит суммарная реакция, поэтому изменяется е` скорость. Например:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ (медленно);

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ (присутствии катализатора NO – быстро).

Механизм:

2NO + O₂ = 2 NO₂ (быстро)

NO₂ + SO₂ = SO₃ + NO (быстро).

NO – катализатор, NO₂ – промежуточное соединение.

Особый случай катализа – аутокатализ, или ускорение реакции одним из её продуктов. При этом скорость реакции не уменьшается по мере расходования реагентов, а растёт. Так, реакция

2KMnO₄ + 5K₂SO₃ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + 6K₂SO₄ + 3H₂O

ускоряется по мере накопления ионов Mn²⁺, образующихся при восстановлении перманганата.

Вывод

Итак, скорость гомогенной реакции – это изменение молярной концентрации одного из участвующих в реакции веществ в единицу времени, а гетерогенной – это изменение количества вещества в единицу времени на единицу поверхности. Экспериментально доказано, что на скорость реакции влияют следующие факторы: катализаторы, температура, концентрация, площадь соприкосновения реагирующих веществ для гетерогенной реакции, природа реагирующих веществ.

Список использованных источников

1. Колдин Е. Быстрые реакции в растворе. – Пер. с англ. – М.: Мир, 1966. – 310 с.

2. Уэйт Н. Химическая кинетика. Элементарный курс. – Пер. с англ. – М.: Просвещение, 1974. – 80 с.

3. Френкель Е.Н. Химия: учеб. пособие. / под. общ. ред. Сапходоевой О.И. – Вольск: ВВИМО, 2014. – 222 с.

Код для цитирования: Скопировать