конспект
Сверь числа и знаки с фото.
6.3. Скорость химических реакций
Известно, что одни химические реакции протекают за доли секунды, другие — за минуты, часы, сутки. Например, при сливании растворов хлорида бария и серной кислоты мгновенно образуется белый осадок сульфата бария: \[ \mathrm{BaCl_2 + H_2SO_4 = BaSO_4\downarrow + 2HCl} \]
Наоборот, реакция ржавления железа (коррозия) идет так медленно, что проследить за ее результатами можно лишь по истечении длительного времени. Чтобы охарактеризовать быстроту течения химической реакции, пользуются понятием скорость химической реакции, которую обозначают буквой \( \upsilon \).
Скорость химической реакции (\( \upsilon \)) определяется изменением концентрации одного из реагирующих веществ или одного из продуктов реакции в единицу времени: \[ \upsilon = \pm\frac{C_2 - C_1}{t_2 - t_1} = \pm\frac{\Delta C}{\Delta t}, \] где \( C_1, C_2 \) — молярные концентрации реагирующих (или образующихся) веществ в момент времени \( t_1 \) и \( t_2 \) соответственно.
Количество вещества в единице объёма называют молярной концентрацией; она измеряется в молях на литр (моль/л). Так как время измеряется в секундах (минутах, часах), то можно вывести и единицы измерения скорости химической реакции: 1 моль/(л·с); 1 моль/(м³·мин) и т. д.
Рассмотрим факторы, определяющие скорость химической реакции.
Природа реагирующих веществ. Например, зависимость скорости взаимодействия кислоты с металлами от их природы можно пронаблюдать экспериментально (лабораторный опыт № 18).
Концентрация реагирующих веществ. Увеличение концентрации веществ обусловливает рост скорости реакции (лабораторный опыт № 19).
Температура. Известно, что при нагревании скорость химической реакции увеличивается (лабораторный опыт № 20). В конце XIX в. голландский химик Я. Вант-Гофф сформулировал правило:
При увеличении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции увеличивается в 2—4 раза: \[ \upsilon_2 = \upsilon_1 \gamma^{\frac{t_2 - t_1}{10}}, \] где \( \upsilon_2 \) — скорость реакции при конечной температуре \( t_2 \); \( \upsilon_1 \) — скорость реакции при начальной температуре \( t_1 \).
Величину \( \gamma \) называют температурным коэффициентом реакции. Его физический смысл заключается в том, что он показывает, во сколько раз возрастает скорость реакции при увеличении температуры на каждые 10 градусов. Именно значение температурного коэффициента для большинства реакций составляет от 2 до 4.
Поверхность соприкосновения реагирующих веществ. Скорость гетерогенных реакций, т. е. реакций, протекающих на границе раздела фаз, зависит при прочих равных условиях от свойств поверхности веществ. Например, растертый в порошок мел быстрее растворяется в соляной кислоте, чем равный по массе кусочек мела.
В промышленности для увеличения скорости гетерогенных реакций используют технологический прием, называемый «метод кипящего слоя». Поток газообразных или жидких реагентов под давлением подают в нижнюю [обрезано]
дуктов реакции. Кроме того, на катализаторе накапливаются (адсорбируются) различные вещества (смолы, вязкие жидкости), а ведь именно на поверхности гетерогенного катализатора происходит взаимодействие реагентов. Особенно страшны для катализаторов так называемые каталитические яды. Это вещества, не просто оседающие на поверхности катализатора, а «отравляющие» его, т. е. вступающие в химическое взаимодействие с образованием неактивных соединений. Сильными каталитическими ядами являются соединения серы, мышьяка, ртути. Чтобы избежать отравления катализатора и продлить срок его службы, исходные вещества тщательно очищают. Например, перед процессом крекинга из нефтепродуктов удаляют соединения серы.
Существуют вещества, которые замедляют химические реакции; их называют отрицательными катализаторами, или ингибиторами. Они способствуют удалению из реакционной смеси активных частиц, вступая с ними во взаимодействие, тем самым замедляют реакцию или даже сводят ее скорость к нулю.
Ингибиторы используют для замедления нежелательных процессов. Например, разложение пероксида водорода в растворе, используемом в медицине, ингибируют с помощью глицерина. Если в соляную кислоту добавить небольшое количество уротропина (медицинское название гексаметилентетрамина), она перестает реагировать с железом. При этом все прочие свойства кислоты сохраняются.
часть реактора, заполненного слоем твёрдого реагента или катализатора на твёрдом носителе. Поток газа или жидкости равномерно омывает твёрдые частицы, заставляя их перемешиваться, как бы «кипеть». Так в производстве серной кислоты проводят окисление оксида серы(IV) до оксида серы(VI).
Использование катализаторов. Это один из важнейших и самых эффективных способов повышения скорости химических реакций. Современную химическую промышленность невозможно представить без использования каталитических процессов. Производство серной и азотной кислот, аммиака и метанола, уксусной кислоты и полимеров, нефтепереработка и производство лекарственных препаратов — около 90 % всех химических производств используют катализаторы.
Если катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, его называют гомогенным. Очевидно, что твёрдых гомогенных катализаторов не бывает, они всегда гетерогенные. В этом случае каталитическая реакция протекает на поверхности катализатора. Например, разложение пероксида водорода при обычных условиях протекает довольно медленно: \[ \mathrm{2H_2O_2(р.) = 2H_2O(ж.) + O_2(г.)} \]
Здесь и далее символом (р.) обозначено состояние в растворе, (ж.) — жидкое состояние.
При добавлении нескольких капель раствора хлорида железа(III) реакция протекает достаточно бурно. Катионы \( \mathrm{Fe^{3+}} \) в растворе осуществляют гомогенный катализ разложения пероксида водорода. Такой же эффект наблюдается при добавлении к раствору пероксида водорода твёрдого оксида марганца(IV). В этом случае катализатор является гетерогенным.
В химической технологии применяют еще одну группу веществ, которые называют промоторами. Сами промоторы не обладают каталитической активностью, но усиливают действие катализатора. Например, синтез аммиака ведут в присутствии железа, промотированного оксидом калия. Если убрать из системы железо, каталитический эффект исчезает, а без оксида калия железный катализатор менее активен.
Одной из важнейших характеристик катализаторов является срок их службы. В технологическом процессе твёрдые частицы катализатора при трении друг о друга измельчаются и уносятся потоком газообразных или жидких про-
Вот конспект по теме «Скорость химических реакций» (по материалу § 6.3).
Коротко. Скорость реакции показывает, как быстро расходуется реагент или образуется продукт. На неё влияют природа веществ, концентрация, температура, площадь поверхности контакта и катализатор.
1. Определение и формула
Скорость химической реакции \(\upsilon\) — это изменение молярной концентрации одного из реагирующих веществ или одного из продуктов реакции за единицу времени:
\[ \upsilon=\pm\frac{C_2-C_1}{t_2-t_1}=\pm\frac{\Delta C}{\Delta t}. \]
Здесь \(C_1\) и \(C_2\) — молярные концентрации в моменты времени \(t_1\) и \(t_2\), а \(\Delta C=C_2-C_1\). Формула даёт среднюю скорость за промежуток \(t_2-t_1\).
- Для продукта концентрация растёт: \(\Delta C>0\), берут знак «+».
- Для реагента концентрация убывает: \(\Delta C<0\), берут знак «−», чтобы скорость была положительной.
- Единицы измерения: моль/(л·с), моль/(м³·мин) и т. п.
2. От чего зависит скорость
- Природа реагирующих веществ. Разные металлы взаимодействуют с кислотой с разной скоростью.
- Концентрация. Чем выше концентрация веществ, тем больше скорость реакции.
- Температура. Правило Вант-Гоффа: при увеличении температуры на каждые 10 °C скорость реакции возрастает в 2–4 раза:
\[ \upsilon_2=\upsilon_1\gamma^{\frac{t_2-t_1}{10}}. \]
\(\gamma\) — температурный коэффициент реакции. Он показывает, во сколько раз растёт скорость при нагревании на 10 °C; для большинства реакций \(\gamma=2\ldots4\).
- Площадь поверхности соприкосновения. Важна для гетерогенных реакций, идущих на границе раздела фаз: растёртый мел реагирует быстрее куска. В промышленности применяют «кипящий слой».
- Катализатор. Ускоряет реакцию.
3. Катализ
- Гомогенный — катализатор и реагенты находятся в одной фазе.
- Гетерогенный — катализатор составляет отдельную фазу, реакция идёт на его поверхности.
- Пример разложения пероксида водорода:
\[ \mathrm{2H_2O_2(р.)=2H_2O(ж.)+O_2(г.)}. \]
Ионы \(\mathrm{Fe^{3+}}\) дают гомогенный катализ, твёрдый \(\mathrm{MnO_2}\) — гетерогенный.
- Промоторы сами не обладают каталитической активностью, но усиливают действие катализатора. Пример: железо, промотированное оксидом калия, в синтезе аммиака.
- Каталитические яды — соединения серы, мышьяка, ртути. Они «отравляют» катализатор, поэтому исходные вещества тщательно очищают.
- Ингибиторы (отрицательные катализаторы) замедляют реакцию. Например, глицерин тормозит разложение пероксида водорода, а уротропин — взаимодействие соляной кислоты с железом.
4. Значение
Около 90 % химических производств используют катализаторы.
Проверка
Я проверил формулу на примере: если \(\gamma=3\), а температуру повысили на 30 °C, то
\[ \frac{\upsilon_2}{\upsilon_1}=3^{30/10}=3^3=27. \]
Скорость выросла в 27 раз.
Как понять
Скорость — это «быстрота изменения концентрации». Всё, что увеличивает число эффективных столкновений частиц (рост концентрации, нагревание) или открывает большую поверхность для контакта (измельчение, катализатор), увеличивает скорость. Ингибиторы, наоборот, связывают активные частицы и замедляют процесс.
