Гомогенные и гетерогенные реакции конспект

Обновлено: 06.07.2024

Химические реакции протекают с различными скоростями: с малой скоростью — при образовании сталактитов и сталагмитов, со средней скоростью — при варке пищи, мгновенно — при взрыве. Очень быстро проходят реакции в водных растворах, практически мгновенно. Смешаем растворы хлорида бария и сульфата натрия — сульфат бария в виде осадка образуется немедленно. Быстро, но не мгновенно, горит сера, магний растворяется в соляной кислоте, этилен обесцвечивает бромную воду. Медленно образуется ржавчина на железных предметах, налет на медных и бронзовых изделиях, медленно гниет листва, разрушаются зубы.

Предсказание скорости химической реакции, а также выяснение ее зависимости от условий проведения процесса — задача химической кинетики — науки о закономерностях протекания химических реакций во времени.

Если химические реакции происходят в однородной среде, например, в растворе или в газовой фазе, то взаимодействие реагирующих веществ происходит во всем объеме. Такие реакции, как вы знаете, называют гомогенными.

Скорость гомогенной реакции ($v_$) определяется как изменение количества вещества в единицу времени в единице объема:

где $∆n$ — изменение числа молей одного вещества (чаще всего исходного, но может быть и продукта реакции); $∆t$ — интервал времени (с, мин.); $V$ — объем газа или раствора (л).

Поскольку отношение количества вещества к объему представляет собой молярную концентрацию $С$, то

Таким образом, скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:

если объем системы не меняется. Если реакция идет между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях (например, между твердым веществом и газом или жидкостью), или между веществами, неспособными образовывать гомогенную среду (например, между несмешивающимися жидкостями), то она проходит только на поверхности соприкосновения веществ. Такие реакции называют гетерогенными.

Скорость гетерогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени на единице поверхности:

где $S$ — площадь поверхности соприкосновения веществ ($м^2, см^2$).

Если при какой-либо протекающей реакции экспериментально измерять концентрацию исходного вещества в разные моменты времени, то графически можно отобразить ее изменение с помощью кинетической кривой для этого реагента.

Скорость реакции не является постоянной величиной. Мы указывали лишь некоторую среднюю скорость данной реакции в определенном интервале времени.

Представьте себе, что мы определяем скорость реакции

а) по изменению концентрации $Н_2$;

б) по изменению концентрации $HCl$.

Одинаковые ли мы получим значения? Ведь из $1$ моль $Н_2$ образуется $2$ моль $HCl$, поэтому и скорость в случае б) окажется больше в два раза. Следовательно, значение скорости реакции зависит и от того, по какому веществу ее определяют.

Изменение количества вещества, по которому определяют скорость реакции, — это внешний фактор, наблюдаемый исследователем. По сути, все процессы осуществляются на микроуровне. Очевидно, для того, чтобы какие-то частицы прореагировали, они прежде всего должны столкнуться, причем столкнуться эффективно: не разлететься, как мячики, в разные стороны, а так, чтобы в частицах разрушились или ослабли старые связи и смогли образоваться новые, а для этого частицы должны обладать достаточной энергией.

Расчетные данные показывают, что, например, в газах столкновения молекул при атмосферном давлении исчисляются миллиардами за $1$ секунду, т.е. все реакции должны были бы идти мгновенно. Но это не так. Оказывается, что лишь очень небольшая доля молекул обладает необходимой энергией, приводящей к эффективному соударению.

Минимальный избыток энергии, который должна иметь частица (или пара частиц), чтобы произошло эффективное соударение, называют энергией активации $E_a$.

Таким образом, на пути всех частиц, вступающих в реакцию, имеется энергетический барьер, равный энергии активации $E_a$. Когда он мал, то находится много частиц, которые могут его преодолеть, и скорость реакции велика. В противном случае требуется толчок. Когда вы подносите спичку, чтобы зажечь спиртовку, вы сообщаете дополнительную энергию $E_a$, необходимую для эффективного соударения молекул спирта с молекулами кислорода (преодоление барьера).

В заключение сделаем вывод: многие возможные реакции практически не идут, т.к. высока энергия активации.

Это имеет огромное значение для нашей жизни. Представьте, что бы случилось, если бы все термодинамически разрешенные реакции могли идти, не имея никакого энергетического барьера (энергии активации). Кислород воздуха прореагировал бы со всем, что может гореть или просто окисляться. Пострадали бы все органические вещества, они превратились бы в углекислый газ $CO_2$ и воду $H_2O$.

Скорость химической реакции зависит от многих факторов. Основными из них являются: природа и концентрация реагирующих веществ, давление (в реакциях с участием газов), температура, действие катализаторов и поверхность реагирующих веществ в случае гетерогенных реакций. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов на скорость химической реакции.

Температура

Вам известно, что при повышении температуры в большинстве случаев скорость химической реакции значительно возрастает. В XIX в. голландский химик Я. Х. Вант-Гофф сформулировал правило:

Повышение температуры на каждые $10°С$ приводит к увеличению скорости реакции в 2–4 раза (эту величину называют температурным коэффициентом реакции).

При повышении температуры средняя скорость молекул, их энергия, число столкновений увеличиваются незначительно, зато резко повышается доля активных молекул, участвующих в эффективных соударениях, преодолевающих энергетический барьер реакции.

Математически эта зависимость выражается соотношением:

где $υ_$ и $υ_$ — скорости реакции соответственно при конечной $t_2$ и начальной $t_1$ температурах, а $γ$ — температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры на каждые $10°С$.

Однако для увеличения скорости реакции повышение температуры не всегда применимо, т.к. исходные вещества могут начать разлагаться, могут испаряться растворители или сами вещества.

Концентрация реагирующих веществ

Изменение давления при участии в реакции газообразных веществ также приводит к изменению концентрации этих веществ.

Чтобы осуществилось химическое взаимодействие между частицами, они должны эффективно столкнуться. Чем больше концентрация реагирующих веществ, тем больше столкновений и, соответственно, выше скорость реакции. Например, в чистом кислороде ацетилен сгорает очень быстро. При этом развивается температура, достаточная для плавления металла. На основе большого экспериментального материала в 1867 г. норвежцами К. Гульденбергом и П. Вааге и независимо от них в 1865 г. русским ученым Н. И. Бекетовым был сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных их коэффициентам в уравнении реакции.

Этот закон называют также законом действующих масс.

Для реакции $А+В=D$ этот закон выражается так:

Для реакции $2А+В=D$ этот закон выражается так:

Здесь $С_А, С_В$ — концентрации веществ $А$ и $В$ (моль/л); $k_1$ и $k_2$ — коэффициенты пропорциональности, называемые константами скорости реакции.

Физический смысл константы скорости реакции нетрудно установить — она численно равна скорости реакции, в которой концентрации реагирующих веществ равны $1$ моль/л или их произведение равно единице. В таком случае ясно, что константа скорости реакции зависит только от температуры и не зависит от концентрации веществ.

Закон действующих масс не учитывает концентрации реагирующих веществ, находящихся в твердом состоянии, т.к. они реагируют на поверхности, и их концентрации обычно являются постоянными.

Например, для реакции горения угля

выражение скорости реакции должно быть записано так:

т. е. скорость реакции пропорциональна только концентрации кислорода.

Если же уравнение реакции описывает лишь суммарную химическую реакцию, проходящую в несколько стадий, то скорость такой реакции может сложным образом зависеть от концентраций исходных веществ. Эта зависимость определяется экспериментально или теоретически на основании предполагаемого механизма реакции.

Действие катализаторов

Можно увеличить скорость реакции, используя специальные вещества, которые изменяют механизм реакции и направляют ее по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации. Их называют катализаторами (от лат. katalysis — разрушение).

Катализатор действует как опытный проводник, направляющий группу туристов не через высокий перевал в горах (его преодоление требует много сил и времени и не всем доступно), а по известным ему обходным тропам, по которым можно преодолеть гору значительно легче и быстрее. Правда, по обходному пути можно попасть не совсем туда, куда ведет главный перевал. Но иногда именно это и требуется! Именно так действуют катализаторы, которые называют селективными. Ясно, что нет необходимости сжигать аммиак и азот, зато оксид азота (II) находит применение в производстве азотной кислоты.

Катализаторы — это вещества, участвующие в химической реакции и изменяющие ее скорость или направление, но по окончании реакции остающиеся неизменными количественно и качественно.

Изменение скорости химической реакции или ее направления с помощью катализатора называют катализом. Катализаторы широко используют в различных отраслях промышленности и на транспорте (каталитические преобразователи, превращающие оксиды азота выхлопных газов автомобиля в безвредный азот).

Различают два вида катализа.

Гомогенный катализ, при котором и катализатор, и реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии (фазе).

Гетерогенный катализ, при котором катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Например, разложение пероксида водорода в присутствии твердого катализатора оксида марганца (IV):

Сам катализатор не расходуется в результате реакции, но если на его поверхности адсорбируются другие вещества (их называют каталитическими ядами), то поверхность становится неработоспособной, требуется регенерация катализатора. Поэтому перед проведением каталитической реакции тщательно очищают исходные вещества.

Например, при производстве серной кислоты контактным способом используют твердый катализатор — оксид ванадия (V) $V_2O_5$:

При производстве метанола используют твердый цинкохромовый катализатор ($8ZnO·Cr_2O_3×CrO_3$):

Очень эффективно работают биологические катализаторы — ферменты. По химической природе это белки. Благодаря им в живых организмах при невысокой температуре с большой скоростью протекают сложные химические реакции. Ферменты отличаются особой специфичностью, каждый из них ускоряет только свою реакцию, идущую в нужное время и в нужном месте с выходом, близким к $100%$. Создание аналогичных ферментам искусственных катализаторов — мечта химиков!

Вы, конечно, слышали и о других интересных веществах — ингибиторах (от лат. inhibere — задерживать). Они с высокой скоростью реагируют с активными частицами с образованием малоактивных соединений. В результате реакция резко замедляется и затем прекращается. Ингибиторы часто специально добавляют в разные вещества, чтобы предотвратить нежелательные процессы.

Например, с помощью ингибиторов стабилизируют растворы пероксида водорода, мономеры для предотвращения преждевременной полимеризации, соляную кислоту, чтобы была возможность ее транспортировки в стальной таре. Ингибиторы содержатся и в живых организмах, они подавляют различные вредные реакции окисления в клетках тканей, которые могут инициироваться, например, радиоактивным излучением.

Природа реагирующих веществ (их состав, строение)

Значение энергии активации является тем фактором, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции.

Если энергия активации мала ($ 120$ кДж/моль), то это означает, что лишь ничтожная часть столкновений между взаимодействующими частицами приводит к реакции. Скорость такой реакции поэтому очень мала. Например, протекание реакции синтеза аммиака при обычной температуре заметить практически невозможно.

Если энергии активации имеют промежуточные значения ($40–120$ кДж/моль), то скорости таких реакций будут средними. К таким реакциям можно отнести взаимодействие натрия с водой или этиловым спиртом, обесцвечивание бромной воды этиленом, взаимодействие цинка с соляной кислотой и др.

Поверхность соприкосновения реагирующих веществ

Скорость реакций, идущих на поверхности веществ, т.е. гетерогенных, зависит при прочих равных условиях от свойств этой поверхности. Известно, что растертый в порошок мел гораздо быстрее растворяется в соляной кислоте, чем равный по массе кусочек мела.

Увеличение скорости реакции объясняется, в первую очередь, увеличением поверхности соприкосновения исходных веществ, а также рядом других причин, например, разрушением структуры правильной кристаллической решетки. Это приводит к тому, что частицы на поверхности образующихся микрокристаллов значительно реакционноспособнее, чем те же частицы на гладкой поверхности.

В промышленности для проведения гетерогенных реакций используют кипящий слой, чтобы увеличить поверхность соприкосновения реагирующих веществ, подвод исходных веществ и отвод продуктов. Например, при производстве серной кислоты с помощью кипящего слоя проводят обжиг колчедана; в органической химии с применением кипящего слоя проводят каталитический крекинг нефтепродуктов и регенерацию (восстановление) вышедшего из строя (закоксованного) катализатора.

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 отграничена от среды.

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы. Гетерогенной — система, состоящая из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства системы изменяются скачком.
Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь (все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге), хотя бы смесь азота с кислородом.

Другим примером гомогенной системы может служить раствор хлорида натрия, сульфата магния, азота и кислорода в воде. В каждом из этих двух случаев система состоит только из одной фазы: из газовой фазы в первом примере и из водного раствора во втором.
Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы. Например, при сливании (и перемешивании) растворов серной кислоты и тиосульфата натрия помутнение, вызываемое появлением серы, наблюдается во всем объеме раствора:
¯+SH2SO4+Na2S2O3= Na2SO4+Н2O+SO2

Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Например, растворение металла в кислоте: Fe+2HCl=FeCl2 + H2 может протекать только на поверхности металла, потому что только здесь соприкасаются друг с другом оба реагирующих вещества. В связи с этим4скорость гомогенной реакции и скорость гетерогенной реакции определяются различно, Скорость гомогенной реакции определяется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объёма системы.

Химическая кинетика или кинетика химических реакций — раздел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений. [1]

Скорость химической реакции

Основная статья: Скорость химической реакции

Важным понятием химической кинетики является скорость химической реакции. Эта величина определяет, как изменяется концентрация компонентов реакции с течением времени. Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение домножается на −1.
Например для реакции

скорость можно выразить так:

В 1865 году Н. Н. Бекетовым и в 1867 году К. М. Гульдбергом и П. Вааге был сформулирован закон действующих масс, согласно которому скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведённым в некоторые степени. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы: природа реагирующих веществ, наличие катализатора, температура (правило Вант-Гоффа) и площадь поверхности раздела фаз.

Порядок химической реакции

Порядок реакции по данному веществу — показатель степени при концентрации этого вещества в кинетическом уравнении реакции.

Реакция нулевого порядка

График зависимости концентрации реагента A в реакции A → B от времени для нулевого порядка реакции

Кинетическое уравнение имеет следующий вид:

Скорость реакции нулевого порядка постоянна во времени и не зависит от концентраций реагирующих веществ. Нулевой порядок характерен, например, для гетерогенных реакций в том случае, если скорость диффузии реагентов к поверхности раздела фаз меньше скорости их химического превращения.

Реакция первого порядка

График зависимости концентрации реагента A для первого порядка реакции

Кинетическое уравнение реакции первого порядка:

Приведение уравнения к линейному виду даёт уравнение:

Константа скорости реакции вычисляется как тангенс угла наклона прямой к оси времени:

Реакция второго порядка

График зависимости концентрации реагента A для второго порядка реакции

Для реакций второго порядка кинетическое уравнение имеет следующий вид:

В первом случае скорость реакции определяется уравнением

Линейная форма уравнения:

Константа скорости реакции равна тангенсу угла наклона прямой к оси времени:

Во втором случае выражение для константы скорости реакции будет выглядеть так:

Период полупревращения (для случая равных начальных концентраций!):

Молекулярность элементарной реакции — число частиц, которые, согласно экспериментально установленному механизму реакции, участвуют в элементарном акте химического взаимодействия.

Мономолекулярные реакции — реакции, в которых происходит химическое превращение одной молекулы (изомеризация, диссоциация и т. д.):

Бимолекулярные реакции — реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении двух частиц (одинаковых или различных):

Тримолекулярные реакции — реакции, элементарный акт которых осуществляется при столкновении трех частиц:

Реакции с молекулярностью более трёх неизвестны.

Для элементарных реакций, проводимых при близких концентрациях исходных веществ, величины молекулярности и порядка реакции совпадают. Чётко определенной взаимосвязи между понятиями молекулярности и порядка реакции нет, так как порядок реакции характеризует кинетическое уравнение реакции, а молекулярность — механизм реакции.

Основная статья: Катализ

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

Катализ — процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами. Каталитические реакции — реакции, протекающие в присутствии катализаторов.

Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) — при котором она убывает. Примером положительного катализа может служить процесс окисления аммиака на платине при получении азотной кислоты. Примером отрицательного — снижение скорости коррозии при введении в жидкость, в которой эксплуатируется металл, нитрита натрия, хромата и дихромата калия.

Многие важнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др., проводятся в присутствии катализаторов.

Гидролиз (от греч. hydor-вода и lysis - разложение, распад), обменная реакция между веществом и водой. Количественно гидролиз характеризуют константой гидролиза (константой равновесия реакции гидролиза) К_Г и степенью , представляющей собой отношение числа частиц ионов или молекул, подвергшихся гидролизу, к общему числу частиц, введенных в раствор. При и связаны друг с другом как константа и степень ионизации электролита , где с-концентрация раствора в моль/л).

При гидролизе солей образуются основания и кислоты. В большинстве случаев это обратимая реакция. Необратимо гидролизуются соли, образованные катионом очень слабого основания и (или) анионом очень слабой кислоты, например:

Соли, образованные катионом сильного основания и анионом сильной кислоты (например, LiClO₄, NaNO₃, KCl), в обычных условиях не гидролизуются и для их водных растворов рН 7. Соли, образованные катионом сильного основания и анионом слабой кислоты (например,CH₃COONa), гидролизуются по аниону.

Благодаря образованию ионов ОН водные растворы таких солей имеют щелочную реакцию (рН > 7). Соли слабых многоосновных кислот гидролизуются ступенчато, причем гидролиз по первой ступени всегда преобладает:

При гидролизе некоторых анионов (WO₄ 2- , VO₄ 3- и др.) образуются изополианионы (например, W₃O₁₀ 2- , V₂O₇ 4- ), молекулярная масса и состав которых зависят от условий реакции.

Соли, образованные катионом слабого основания и анионом сильной кислоты (например, АlСl₃), гидролизуются по катиону. В реакции участвует только катион, обычно входящий в состав аквакомплекса.

Химическое Сырьё! Дёшево! Оптом. Пигменты, Реактивы, Реагенты, Содопродукты и др. Доставка Бесплатно! Скидки! chem-opt.opt.ru

Закупаем: кислота glacial acetic acid trade.su

Дать объявление

B2BContext

Вследствие образования гидроксоний-ионов водные растворы таких солей имеют кислую реакцию (рН 3+ , Be 2+ , Sn 2+ , образуются комплексы [Fe₂(OH)₂] 4+ , [Ве_э(ОН)₃] 3 +, [Sn₃(OH)₄] 2+ .

Соли, образованные катионом слабого основания и анионом слабой кислоты, напр. Сu(ООССН₃)₂, гидролизуются по катиону и по аниону.

Растворы таких солей имеют слабокислую или слабощелочную реакцию в зависимости от того, какой ион гидролизуется в большей степени.

При гидролизе галогенангидридов образуются две кислоты — кислородсодержащая и галогеноводородная; реакция в большинстве случаев идет необратимо:

Гидролиз органических соединений широко используется для получения спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот из их производных или галогензамещенных углеводородов, например:

где X = Аг, ОН, NHAr и др.

гидролиз ускоряется в присутствии кислот и оснований, а также ионов металлов, способных прочно связываться с одним из продуктов и смещать тем самым равновесие реакции, например:

Подбор соответствующих условий и катализаторов позволяет избирательно расщеплять отдельные связи в молекулах, содержащих несколько группировок, способных гидролизоваться, например:

Известна обширная группа ферментов (так называемых гидролаз), катализирующих высокоселективный гидролиз молекул природных соединений. На этих процессах основано большинство методов изучения строения биополимеров.

Гидролиз органических соединений широко используется для получения глюкозы, этилового спирта, карбоновых кислот и других гидролиз жиров - основа промышленного получения мыла и глицерина. Ферментативный гидролиз органических соединений применяется в пищевой, текстильной, фармацевтической промышленности. См. также Гидролизные производства

В химии существуют такие термины как гетерогенная реакция и гомогенная реакция. Для понимания этих явлений, нужно обратиться к значению слов.

Примером гетерогенной смеси является вода и жир, а раствор поваренной соли относится к гомогенному соединению.

Что такое гетерогенные реакции

Гетерогенными реакциями ученые называют взаимодействия разнородных составляющих, то есть находящихся в различных фазах.

Термическое разложение солей на газообразные и твердые продукты - типичный пример гетерогенной реакции:

СаСО3 -> СаО + СО2,

где известняк (карбонат кальция) разлагается на оксид кальция и углекислый газ.

Другие примеры: восстановление оксидов металлов при помощи углерода или водорода:

Растворение в кислоте металла записана формулой:

Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + Н2.

Для гетерогенных реакций характерным моментом является участие конденсированных фаз (то есть образований, которые, в зависимости от входящих в состав атомов или молекул, можно смоделировать разными способами).

Это создает трудности перемешивания и кинетики полученных продуктов. При этом возможно получение такого состояния, когда молекулы реагентов активируются на границе раздела фаз.

Одним из примеров гетерогенных процессов – разложение паров этилового спирта. Это первая реакция из органической химии, которая была изучена.

Как отличить гомогенную от гетерогенной реакции

Для гетерогенной реакции характерно следующее явление: реагенты, участвующие в процессе, состоят в разных фазах.

Это значит что в объеме, где находятся две или несколько фаз, взаимодействие протекает на границе раздела.

В гомогенном процессе вещества находятся в одной из фаз (жидкой, твердой либо газообразной), и зоной протекания служит весь объем.

Гетерогенные реакции, в зависимости от агрегатного состояния исходных веществ, бывают следующих типов:

Твердое тело– газ. Сжигания угля иллюстрирует реакцию газа и твердого вещества: твердый углерод взаимодействует с газообразным кислородом, при этом получается углекислый газ;
Несмешивающиеся жидкости. При взаимодействии толуола и азотной кислоты, а это несмешивающиеся жидкости, происходит гетерогенная реакция 2 типа;
Газ – жидкость. Примером можно назвать процесс орошения, когда диспергированная в виде капель жидкость пролетает через газ;
Жидкость – твердое вещество. Серная кислота и оксид цинка – пример реакции между жидкостью и твердой фазой.

Скорость гетерогенной реакции и влияющие на нее факторы

На скорость гетерогенных химических процессов влияют разные факторы.

Рассмотрим их подробнее.

Концентрация реагентов

С повышением концентрации веществ они сильнее взаимодействуют. Концентрированная кислота реагирует с цинком намного быстрее, чем разбавленная.

Природа реагирующих веществ

Скорость протекания химических процессов зависит от природы реагентов. По-другому можно сказать, что разные вещества взаимодействуют между собой с разной скоростью.

К примеру, цинк мгновенно вступает в реакцию с соляной кислотой, а железо будет реагировать с ней гораздо медленнее.

Увеличение поверхности реагентов повышает скорость гетерогенных реакций. Для этого твердые элементы измельчают. Пример: чтобы железо и сера вступили во взаимодействие, железо превращают в опилки.

Температура исходных веществ

Температура существенно повышает скорость реакции. Некоторые вещества при повышении температуры всего на 10 градусов начинают вступать в реакцию быстрее от 2 до 4 раз.

Наличие катализатора

Для повышения скорости протекания процессов применяют катализаторы. При этом они сами не расходуются.

Например, при добавлении оксида марганца происходит бурный распад перекиси водорода 2H₂O₂ = 2H₂O + O₂↑

Остающийся на дне оксид марганца можно использовать еще раз.

Ингибиторами называются вещества, которые, в отличие от катализаторов, замедляют скорость взаимодействия.

Катализаторами биологических процессов являются белки. Их еще называют энзимами.

Примеры решения задач

Задача 1

Твердый малорастворимый электролит, растворяясь, устанавливает равновесие:

По закону действующих масс, для этого состояния составляется уравнение, чтобы найти произведение растворимости (ПР):

Задача 2

Определить процессы, происходящие в растворе с ионами Cl, Br, J при добавлении катиона Ag.

Химические реакции протекают с различными скоростями.

Одни из них протекают быстро (например ,сгорание топлива в баке автомобиля или горение природного газа), другие идут медленно (переваривание пищи, коррозия железа).

Конечно же, человек захотел иметь власть над этими процессами: ускорять и замедлять реакции, исходя из необходимости.

Ржавление железа протекает медленно, но с тех самых пор, когда человек открыл для себя железо, этот процесс хочется ещё более замедлить или вообще остановить.

В промышленности при производстве каких-либо полезных веществ человек стремится ускорить реакции, ведь чем быстрее они проходят, тем больше продукции вырабатывает производство.

Для контроля всех этих процессов нужно знать, от чего зависит скорость химических реакций и понимать, можно ли на эти процессы воздействовать и каким образом.

Количественной характеристикой быстроты течения химической реакции является её скорость.

О скорости химической реакции судят по изменению концентрации исходного вещества или продукта реакции в единицу времени.

Концентрацию вещества выражают числом молей в единице массы или объма: моль/л, моль/г, моль/кг.

По мере протекания реакции концентрации исходных веществ уменьшается, а концентрация продуктов реакции увеличивается.

Скорость реакции выражается в моль/л х сек.

Вместо литра может стоять грамм или килограмм, а вместо секунды – другая единица времени.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Гомогенные и гетерогенные реакции

Характер взаимодействия веществ зависит от их агрегатного состояния.

По этому признаку различают гомогенные и гетерогенные химические реакции.

Гомогенными называют реакции, в которых отсутствует поверхность раздела между реагирующими веществами, то есть все вещества образуют однородную среду.

Такие реакции протекают во всём объёме.

Это реакции между газами, между жидкостями или протекающие в растворах.

Например, если химик сливает растворы йодида калия и нитрата серебра, происходит реакция обмена с образованием йодида серебра, который выпадает в осадок; причем осадок выпадает не на стенках сосуда и не на дне, а во всём объеме раствора.

Или, например, когда хозяйка печёт пироги, она добавляет в тесто дрожжи и соду, и тесто поднимается во всём объёме, а не только у краёв посуды.

Сгорание топливно-воздушной смеси в двигателе, горение природного газа, образование осадка при приготовлении бордосской смеси, образование озона во время грозы – всё это гомогенные химические реакции.

Гетерогенными называют реакции, в которых реагирующие вещества отделены друг от друга поверхностью раздела фаз: они протекают на поверхности соприкосновения твёрдого вещества и газа, твёрдого вещества и жидкости, двух твёрдых веществ или двух несмешивающихся жидкостей.

Примером таких реакций может служить горение твёрдого топлива, взаимодействие металлов с кислотами.

Так, взаимодействие цинка с соляной кислотой происходит только на поверхности металла:

Горение дров в костре, растворение накипи в чайнике под воздействием уксуса, образование ржавчины, осаждение металла при гальванопластике – всё это гетерогенные химические реакции.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Условия, влияющие на скорость химической реакции

Чтобы управлять химической реакцией, надо знать условия, влияющие на скорость её протекания.

Это позволит замедлить скорость нежелательной реакции (например, ржавления железа, порчи пищевых продуктов) и увеличить скорость полезных для человека реакций (например, получение водорода, выплавка металла из руды).

Факторы, влияющие на скорость химической реакции:

Давайте поподробнее рассмотрим влияние этих факторов на скорость реакции.

1) Природа реагирующих веществ.

Например, скорость взаимодействия металлов с водой различна и зависит от активности металла.

Натрий бурно реагирует с водой, однако калий при контакте с водой ещё и воспламеняется, а рубидий взрывается.

В свою очередь, скорость взаимодействия одного и того же металла с разными веществами также зависит от природы этих веществ.

Натрий, который бурно реагирует с водой, с этиловым спиртом реагирует более спокойно.

2) Концентрация реагирующих веществ

Чтобы произошло взаимодействие, частицы (атомы, молекулы, ионы) реагирующих веществ должны столкнуться.

И чем больше столкновений происходит в единицу времени, тем быстрее протекает химическая реакция.

Гомогенные реакции протекают во всём объёме, и чем больше частиц в единице объёма, тем чаше они сталкиваются.

Следовательно, с повышением концентрации реагирующих веществ происходит увеличение скорости реакции.

Если реакция гетерогенная, то взаимодействие частиц происходит лишь на поверхности твёрдого вещества, поэтому в данном случае говорят не о концентрации, а о площади соприкосновения веществ.

По сути, это понятие аналогично концентрации, ведь чем больше площадь поверхности, тем больше частиц вещества способны вступить в реакцию.

Мелкие щепки горят в костре гораздо быстрее крупных поленьев.

Мелкие щепки всё равно сгорят быстрее.

Происходит это именно из-за того, что в данном случае площадь поверхности дерева больше.

То же происходит и в лаборатории или в школьном кабинете химии: цинк или магний выпускают в виде маленьких гранул специально для того, чтобы скорость их взаимодействия с кислотами была больше.

3) Температура

С повышением температуры скорость химических реакций, как правило, возрастает, так как при нагревании реагирующие частицы становятся более активными и способными к взаимодействию.

Если нам нужно почистить чайник от накипи, то мы заливаем в него уксусную или лимонную кислоту и кипятим.

Можно, конечно, оставить чайник и так, но при нагревании накипь растворяется быстрее.

Экспериментально установлено, что при повышении температуры на каждые десять градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.

Эту закономерность называют правилом Вант-Гоффа по имени голландского учёного, который впервые её сформулировал.

4) Действие катализаторов

Ещё алхимики заметили, что существуют такие вещества, при воздействии которых реакции идут намного быстрее.

Такие вещества называются катализаторами, а увеличение скорости реакции – катализ.

Важно то, что сам катализатор в реакции не участвует.

Или при синтезе аммиака – скорость реакции увеличивается при введении в область реакции губчатой платины: она имеет очень неровную поверхность, которая, как активированный уголь, собирает на себе молекулы водорода и азота, увеличивая их концентрацию в несколько раз.

Иногда катализатор вступает в реакцию с одним из веществ, но в конце всей цепочки высвобождается в исходном виде.

Например, сухой хлор можно хранить в стальных баллонах длительное время.

Но если в хлоре есть примесь влаги, баллон может очень быстро разрушиться. Вода является катализатором взаимодействия хлора с железом. Сначала происходит реакция хлора и воды с образованием хлороводорода, который легко реагирует с железом:

Эти реакции происходят почти моментально, и поэтому образующийся атомарный кислород не успевает образовать двухатомные молекулы.

В итоге всю цепочку можно записать одной реакцией:

Большую часть продукции, вырабатываемой химической промышленностью, получают с использованием катализаторов.

Каталитическими являются процессы производства кислот, удобрений, резины, пластмасс, лекарств, процессы переработки нефти.

Особую роль играют биологические катализаторы – ферменты.

Они участвуют в сложных химических процессах, протекающих в живых организмах.

Слюна содержит фермент птиалин, который катализирует превращение крахмала в сахар, – переваривание пищи начинается уже во рту! Желудочный сок содержит пепсин, который катализирует расщепление белков.

В случае, когда у человека имеются серьезные нарушения пищеварения, ему прописывают медицинские препараты, содержащие пищеварительные ферменты.

В организме человека около 30 000 различных ферментов, каждый из них — катализатор какой-либо одной реакции.

5) Давление

Как правило, с повышением давления скорость химической реакции возрастает.

Читайте также: