Скорость химических реакций

Ключевые слова конспекта: Скорость химической реакции. Факторы, влияющие на скорость реакции: природа реагирующих веществ, площадь их соприкосновения, температура, концентрация, катализатор. Катализ. Ферменты. Ингибиторы.

Скорость — это отношение изменения какой-либо величины к промежутку времени, за которое это изменение произошло. Химические реакции протекают с разными скоростями. Одни практически мгновенно, например смесь водорода с кислородом (гремучая смесь) взрывается за доли секунды. Быстро протекает реакция нейтрализации, т. е. взаимодействие растворов кислоты со щёлочью (основанием):

2Н₂ + O₂ = 2Н₂O
H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2Н₂O

Другие реакции протекают значительно медленнее, например брожение глюкозы или коррозия металлов:

C₆H₁₂O₆ —> 2С₂Н₅ОН + 2СO₂
4Fe + 6Н₂O + 3O₂ = 4Fe(OH)₃

Что же понимается под скоростью химической реакции? Предположим, некоторое взаимодействие протекает по схеме А + В = АВ. В ходе реакции вещества А и В расходуются, превращаясь в новое вещество АВ. Изменение количества веществ, участвующих в химической реакции, характеризует такая величина, как концентрация.

В ходе реакции концентрация исходных веществ (реагентов) уменьшается, а концентрация продукта реакции увеличивается. Изменение концентраций во времени и характеризует скорость химической реакции.

Математически эту закономерность можно выразить следующей формулой:

Если в приведённой формуле С₁ и С₂ — это начальная и конечная концентрации одного из реагентов, то разность С₂ – С₁ имеет отрицательное значение, ведь С₂ < С₁. При этом промежуток времени, за которое произошло изменение концентраций (t₂ – t₁) — величина положительная. В этом случае скорость реакции получается отрицательной. Чтобы этого не допустить, перед дробью нужно поставить знак «минус». Если же C₁ и С₂ — это начальная и конечная концентрации продукта реакции, знак «минус» перед дробью не требуется, ведь ΔС > 0.

Размерность скорости реакции легко определить: концентрация измеряется в моль/л, время — в секундах, следовательно, единицей скорости реакции является 1 моль/(л • с).

Управление скоростью химической реакции имеет большое значение. Увеличение скорости реакции позволяет получить больше продуктов реакций: стали, пластмасс, химических удобрений, лекарств, топлива и др. Замедление скорости реакции позволяет уменьшать потери металла от коррозии, дольше сохранять продукты питания и т. д.

Рассмотрим, какие факторы влияют на скорость химической реакции.

✅ 1. Природа (состав и строение) реагирующих веществ. Реакции между органическими веществами протекают медленнее подобных реакций между неорганическими веществами. По-разному взаимодействуют галогены с водородом: фтор — со взрывом, хлор — со взрывом лишь при нагревании, бром — без взрыва, а реакция водорода с йодом является эндотермической и протекает медленно. Интенсивность взаимодействия щелочных металлов с водой зависит от их восстановительных свойств, которые усиливаются с увеличением радиуса атома.

✅ 2. Температура. Зависимость скорости химической реакции от температуры была установлена в конце 1884 г. голландским учёным Якобом Хендриком Вант-Гоффом.

Математическое выражение правила Вант-Гоффа записывают следующим образом:

где υ₂ — скорость реакции при температуре t₂;
υ₁ — скорость реакции при температуре t₁;
t₂ — конечная температура реакции;
t₁ — начальная температура реакции,
γ (греческая буква «гамма») — температурный коэффициент реакции, который соответствует изменению скорости химической реакции (увеличивает или уменьшает её) при изменении температуры на 10 градусов.

Например, температурный коэффициент какой–либо реакции близок к 3. Это означает, что при повышении температуры на 20 °С скорость реакции возрастёт в 9 раз:

✅ 3. Площадь соприкосновения реагирующих веществ. Этот фактор учитывается для гетерогенных реакций. Напомним, что гетерогенными (от греч. heteros — другой) называются реакции, идущие между веществами разного агрегатного состояния, т. е. имеющими поверхность раздела. Например, на поверхности соприкосновения жидкости или газа с твёрдым веществом и т. д.

Понятно, что, чем больше площадь соприкосновения реагирующих веществ, тем выше скорость химической реакции. Чтобы увеличить её, в промышленности используют особый метод, который называется «кипящий слой». Твёрдое вещество измельчают до очень мелких частиц, через которые затем пропускают снизу второй реагент, как правило, в газообразном состоянии. При прохождении этого реагента через слой измельчённого вещества наблюдается эффект, напоминающий кипение. Метод «кипящего слоя» используется при производстве серной кислоты для обжига серного колчедана, при каталитическом крекинге нефтепродуктов.

✅ 4. Концентрация реагирующих веществ. Зависимость была установлена норвежскими учёными Като Максимилианом Гульдбергом и Петером Вааге в 1867 г. и получила название закона действующих масс.

Математическое выражение закона действующих масс для реакции aА + bВ = dD выглядит так: 

где υ — скорость химической реакции, С_А и С_B — концентрации реагентов А и В, а и b — коэффициенты в уравнении реакции, k — коэффициент пропорциональности — константа скорости реакции, которая показывает скорость химической реакции при концентрации реагирующих веществ, равных 1 моль/л.

Например, для второй стадии производства азотной кислоты, которая описывается уравнением 2NO + O₂ = 2NO₂↑, закон действующих масс отражает формула υ = k • C²(NO) • С(O₂)

Если в гетерогенной реакции принимает участие твёрдое вещество, его концентрация не входит в уравнение закона. Например, для реакции между раскалённым оксидом меди(II) и водородом СuО + Н₂ = Сu + Н₂O справедливо следующее выражение: υ = k • С(Н₂)

Это означает, что внесение дополнительного количества твёрдого вещества (оксида меди(II)) не оказывает влияния на скорость реакции.

✅ 5. Катализатор. Напомним, что катализаторами (от греч. katalysis — разрушение) называются вещества, изменяющие скорость химической реакции и не входящие в состав продуктов реакции.

Современную химическую промышленность невозможно представить без использования катализаторов. С их помощью ускоряют химические процессы, чтобы быстрее получить нужные вещества и уничтожить вредные (например, химические отходы). Производство минеральных кислот, аммиака и метанола, уксусной кислоты и полимеров, нефтепереработка и производство лекарственных препаратов — около 90 % всех химических производств основано на применении катализаторов.

С помощью катализаторов удаётся повысить производительность химических процессов и уменьшить себестоимость продукции. Катализаторы также позволяют сделать производство экологически более безопасным, т. е. уменьшить загрязнение окружающей среды вредными выбросами.

Катализаторы вошли в жизнь человека, когда он стал использовать процессы брожения для получения уксуса из виноградного сока, варить сыр и выпекать хлеб. Ведь все эти процессы протекают в присутствии биологических катализаторов, или ферментов (от лат. fermentum — закваска). Их также называют энзимами.

Ферменты содержатся во всех живых клетках. Они направляют, регулируют и многократно ускоряют биологические процессы, играя тем самым важную роль в обмене веществ и энергии.

Область применения биологических катализаторов шире, чем неорганических: ежегодный рост их производства в мире составляет 15%, а неорганических — всего 3%. Ферменты «трудятся» в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, защищают окружающую среду, помогают в быту. Например, использование стирального порошка с ферментами — залог успешной стирки. Зная, что ферменты имеют белковую природу и под действием высокой температуры способны денатурировать, вы понимаете, насколько важно следовать инструкции по применению таких порошков.

Обратное влияние на скорость химической реакции оказывают ингибиторы (от лат. inhibere — сдерживать, останавливать) — вещества, подавляющие или задерживающие течение физиологических и физико-химических (главным образом, ферментативных) процессов. Такие вещества важны, как и катализаторы: ингибиторы коррозии, например, помогают сохранить металлы от разрушения.

Конспект урока по химии «Скорость химических реакций». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 11 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ОГЭ по химии
• Найти конспект в Кодификаторе ЕГЭ по химии