Самостоятельное изучение теоретического материала

Химическая кинетика – это раздел химии, изучающий скорость и механизмы химических реакций.

Химические реакции протекают с различными скоростями. Столетиями разрушаются лаки и краски на полотнах мастеров. Процесс ржавления также идёт достаточно медленно. Взрыв – мгновенная реакция, а процесс нейтрализации идёт на глазах.

Чтобы прошла химическая реакция, нужно, чтобы взаимодействующие частицы были активными. Они должны обладать повышенной энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер, называемый энергией активации. Если энергия активации мала, то и скорость реакции будет высокой.

В химии рассматривается вещество или совокупность веществ, это так называемая система. В этой системе можно выделить часть, которая отделена от других частей − это фаза.

Если система состоит из одной фазы, то её называют гомогенной, или однородной. Гомогенными системами являются газовые смеси, растворы. Гетэрогенными, или неоднородными считаются системы, которые состоят из нескольких фаз. Например, это смеси из твёрдых веществ, смесь, состоящая из газа и твёрдого вещества, а также смесь, которая состоит из жидкости и твёрдого вещества.

Следовательно, реакции, которые протекают в гомогенных системах, называются гомогенными, а реакции, которые идут в гетэрогенных системах, называются гетэрогенным. Сами гомогенные реакции протекают во всём объёме смеси, а гетэрогенные – на поверхности раздела фаз.

Скорость гомогенной реакции – это количество вещества, которое вступило в реакцию или образовалось в результате её за единицу времени в единице объёма системы.

В данной формуле эн – это число молей реагирующего вещества в данный момент времени; тэ – это время; а вэ – это объём системы.

Если учесть, что отношение числа молей к объёму реакционной смеси это молярная концентрация, то для определения скорости гомогенной реакции можно использовать формулу, где в числителе использована молярная концентрация. В этой формуле цэ – молярная концентрация реагирующего вещества в данный момент времени.

Следовательно, скорость гомогенной реакции равна изменению концентрации какого-либо из реагирующих веществ в единицу времени и выражается в моль на литр в секунду.

Так как скорость химической реакции может быть только положительной, то знак «плюс» ставится тогда, когда молярная концентрация – это концентрация продукта реакции, а знак «минус», если молярная концентрация – это концентрация исходного вещества.

Скорость же гетэрогенной реакции – это отношение числа количества вещества, которое вступает в химическую реакцию или которое образуется в результате реакции за единицу времени на единице поверхности раздела фаз. В этой формуле эс – это поверхность раздела фаз.

Скорость любой химической реакции зависит от ряда факторов.

Во-первых, скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ. То есть при одинаковых условиях различные вещества взаимодействуют друг с другом иначе. Если взять уксусную и серную кислоту одинаковой концентрации и поместить туда гранулы цинка, то интенсивность выделения водорода в пробирке с серной кислотой будет больше.

Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ. Как правило, при увеличении концентрации реагирующих веществ скорость реакции увеличивается, так как увеличивается число столкновений между частицами реагирующих веществ.

Зависимость скорости реакции от концентрации веществ количественно выражается законом действующих масс, который сформулировали Гульберг и Вааге в 1867 году.

К. Гульдберг

(1836–1902)

Согласно этому закону скорость химической реакции пропорциональная произведению концентраций реагирующих веществ. Концентрации веществ при этом берутся в степенях, которые равны коэффициэнтам перед формулами веществ.

Например, для реакции двух веществ А и Б скорость реакции равна произведению концентрации вещества А на концентрацию вещества Б с учётом стереохимических коэффициэнтов.

A и Б – это концентрации исходных веществ, а ка – это константа скорости, которая равна скорости реакции, если концентрация вещества А и Б равны по одному моль на литр.

Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации веществ.

Чтобы образовался хлорид аммония должны столкнуться молекулы аммиака и соляной кислоты. Скорость этой реакции прямопропорциональна концентрации реагирующих веществ.

Если в элементарном акте превращения участвует 2 молекулы, то такая реакция называется двухмолекулярной. Такой реакцией является реакция взаимодействия водорода с йодом.

Разложение азометана в газовой фазе обусловлено разложением одной молекулы. Такая реакция называется одномолекулярной. Все одномолекулярные реакции являются реакциями первого порядка.

Двухмолекулярные реакции являются реакциями второго порядка.

Зависимость скорости реакции от концентрации можно показать с помощью эксперимента. Если в пробирки налить растворы серной кислоты разной концентрации и поместить туда гранулы цинка, то интенсивность выделения водорода будет больше в той пробирке, где концентрация кислоты была больше.

Скорость химической зависит также от температуры. Так, при увеличении температуры скорость большинства химических реакций увеличивается.

Эта зависимость подчиняется правилу Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10 градусов по Цэльсию скорость большинства химических реакций увеличивается в два-четыре раза.

Я. Вант-Гофф

(1852–1911)

Это можно изобразить в виде формулы, где гамма – это температурный коэффициэнт, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 градусов по Цэльсию; вэ-один – скорость реакции при температуре тэ-один; вэ-два – скорость реакции при температуре тэ-два.

Вант-Гофф первый лауреат Нобелевской премии по химии в 1901году, он изучил зависимость скорости реакции от температуры. Своё правило он сформулировал в 1884 году. Кроме того, он создал теорию пространственного расположения атомов в молекуле, вывел основные уравнения химической тэрмодинамики. Заложил основы теории разбавленных растворов.

Зависимость скорости реакции от температуры можно показать с помощью эксперимента.

Если положить в пробирку гранулу цинка и прилить раствор соляной кислоты, то можно заметить, что водород выделяется интенсивно. Если содержимое пробирки нагреть, то интенсивность выделения водорода увеличивается.

Молекулы сталкиваются друг с другом миллионы раз в секунду. Если бы все столкновения были эффективными, то все бы реакции заканчивались мгновенно.

Причины увеличения скорости реакции при увеличении температуры объясняется теорией активных молекул или теорией активации. Согласно теории, в реакции могут участвовать только те молекулы, энергия которых больше средней энергии молекул на какую-то определённую величину. Эта избыточная энергия, или энергия активации, необходима для разрыва или ослабления исходных связей в молекулах.

Соответственно, чем больше активных молекул, тем больше скорость реакции, а при повышении температуры количество этих активных молекул увеличивается.

Для газообразных веществ скорость реакции зависит от давления. Соответственно, при увеличении давления увеличивается концентрация вещества, а значит, увеличивается и скорость реакции.

Эта закономерность отражена в уравнении Менделеева-Клайперона.

На скорость химических реакций влияет также наличие катализаторов, которые изменяют скорость химической реакции, но сами не расходуются. Реакции, которые идут в присутствии катализаторов, называются каталитическими.

Катализ может быть гомогенным и гетэрогенным. Если катализатор и реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии или являются компонентами одного раствора, то такой катализ называется гомогенным.

Если же реагирующие вещества и катализатор находятся в разных агрегатных состояниях, то тогда данный катализ считается гетэрогенным.

Так, реакция получения аммиака из азота и водорода в присутствии катализатора железа является гетэрогенным катализом, а реакция получения оксида шесть из оксида серы четыре и кислорода в присутствии катализатора оксида азота два является гомогенным катализом.

Если реакция идёт в присутствии катализатора, то катализатор взаимодействует с одним из исходных веществ и образуется промежуточное соединение. Затем это соединение реагирует с другим исходным веществом и образуется конечный продукт, а катализатор выделяется в свободном состоянии.

Таким образом, ускоряющее действие катализатора заключается в понижении энергии активации основной реакции. Каждая из промежуточных реакций с участием катализатора протекает с меньшей энергией активации, чем катализируемая реакция.

При нагревании муравьиная кислота разлагается на углекислый газ и воду. Энергия активации данной реакции велика, поэтому эта реакция идёт медленно.

Чтобы увеличить скорость реакции можно не только увеличить число активных молекул, но и уменьшить энергетический барьер. Для этого нужно нагреть муравьиную кислоту с сильными кислотами. В данном случае ион водорода будет катализатором, он уменьшить энэргетический барьер, препятствующий разложению муравьиной кислоты. Скорость реакции при этом увеличится.

Как правило, катализаторы увеличивают скорость реакции. Но есть вещества – ингибиторы, которые замедляют химические реакции.

Если в пробирку с серной кислотой и цинком прилить формалин, то интенсивность выделения водорода уменьшиться, потому что формалин, в данном случае – ингибитор.

Биологические катализаторы – это ферменты, или энзимы. По своей природе ферменты являются белками. Они осуществляют все биохимические процессы.

На скорость химической реакции влияет также площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Чем больше площадь соприкосновения, тем быстрее протекает реакция.

Если в две пробирки налить соляной кислоты одинаковой концентрации, но в одну поместить измельчённый мел, а в другую кусочек мела, то выделение углекислого газа более бурно происходит в пробирке с измельчённым мелом, то есть, где площадь соприкосновения с кислотой большая.