Научная работа: Скорость химической реакции
Но данное определение справедливо для гомогенных реакций. Гомогенные реакции бывают такими:
- во-первых, это реакции взаимодействия газов с получением газообразных продуктов, например, реакция водорода и кислородом с получением водяного пара: 2Н2 (г) + О2 (г) = 2 Н2 О (г) .
- во-вторых, взаимодействие веществ в растворе с образованием продуктов, тоже хорошо растворимых, например взаимодействие гидросульфата натрия с гидроксидом натрия и воды:
NaHSO4 + NaOH = Na2 SO4 + 2 H2 O
Совсем иначе обстоят дела с гетерогенными реакциями – в тех случаях, когда реагирующие вещества отделены друг от друга «границей фаз». Например, твердого вещества и газа: S + O2 = SO2 ; твердого вещества и жидкости: Fe + 2HCl = FeCl2 + H2 ; двух несмешивающихся жидкостей: C3 H7 Br + KCN (водн.) = C3 H7 CN + KBr(водн.).
Скорость гетерогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени на единицу поверхности:
Раздел химии, изучающий скорость химической реакции, называют 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.
Рассмотрим более подробно каждый из факторов.
Влияние концентраций веществ на скорость химической реакции
Чтобы вещества прореагировали, необходимо, чтобы их молекулы столкнулись. Очевидно, что вероятность столкновения молекул прямо пропорциональна количеству молекул реагентов в единице объема, т.е. молярным концентрациям реагентов.
В середине XIX в. (1865 г. – Н.Н. Бекетов, 1867 г. – К. Гульдберг, П. Вааге) был сформулирован основной постулат химической кинетики, называемый также законом действующих масс: с корость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных коэффициентам перед формулами веществ в уравнении реакции: υ = k [A]а * [B] b , для реакции aA + bB = cC + dD, где υ – скорость химической реакции; [А] – концентрация вещества А; [В] – концентрация вещества В; k – константа скорости реакции (коэффициент пропорциональности); а и b – коэффициенты в уравнении реакции.
Если [А]= [В]= 1 моль/л, то скорость химической реакции (υ) равна константе (k). Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации вещества.
Например, напишем кинетическое уравнение для реакции синтеза аммиака
N2 (г) + 3 H2 (г) ↔ 2 NH3 (г) : υ = k [N2 ] * [H2 ] 3 .
В закон действующих масс не входят концентрации твердых веществ, т. к. реакции с твердыми 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. Твердые 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.
Влияние природы реагентов на скорость химической реакции
Константа скорости реакции зависит в первую очередь от природы реагирующих веществ. Калий быстрее взаимодействует с водой, чем натрий, а литий – еще медленнее натрия. Водород реагирует с кислородом очень быстро (часто со взрывом), а азот с кислородом – крайне медленно и лишь в жестких условиях (электрический разряд, высокие температуры).
Под «природой реагирующих веществ» понимают:
1. для веществ молекулярного строения – тип химических связей в молекулах реагентов, прочность связей. Чтобы молекула прореагировала, связь в ней необходимо разорвать.
2. для веществ немолекулярного строения (ионный или атомный кристалл) – строение кристаллической решетки, ее прочность.
3. для веществ, у которых «молекула» состоит из одного атома (например, металлы, благородные газы) – строение электронной оболочки атома, прочность связывания внешних электронов.