Сегодня мы будем изучать одну из несложных тем школьного курса химии – скорость и механизм химического процесса. Для успешного понимания вам потребуются знания физики и элементарной математики (алгебры). Этой теме посвящено 20 задание егэ по химии. Вопросы достаточно простые, но многие учащиеся «заваливают» его по невнимательности или недостаточному пониманию темы. Попробуем объяснить все доступным языком с использованием примеров.
Любая химическая реакция протекает с определенной скоростью в различных условиях. Для предсказания скорости той или иной реакции при тех или иных условиях, а также для управления химическими процессами необходимо знать, как скорости химических реакций зависят от условий, в которых они протекают. Кроме того, изучение влияния различных факторов на скорость реакции позволяет делать выводы о ее механизме, судить о том через какие стадии она протекает, какие промежуточные продукты реакции и каков характер взаимодействия между ними. Учение о скорости и механизме химических реакций –химическая кинетика-имеет большое значение для химии.
Входе химического процесса исходные вещества расходуются, их концентрация снижается, а продукты-образуются их концентрация увеличивается.
Скорость реакции определяется как изменение концентрации реагирующих веществ за единицу времени. Средняя скорость реакции вычисляется как отношение изменения концентрации к единице времени. При этом за изменение концентрации можно брать как реагирующие вещества так и продуктов реакции. При этом на практике под скоростью химической реакции подразумевают среднюю скорость реакции.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции
Скорость реакции зависит:
- от природы реагирующих веществ;
- от концентрации как исходных веществ и продуктов реакции;
- от температуры;
- от давления;
- от площади соприкосновения реагирующих веществ (для многокомпонентной реакции);
- от катализатора/ингибитора.
В зависимости от природы веществ реакция может протекать стремительно (ионные реакции в растворах), либо очень медленно (коррозия металлов, взаимодействие между некоторыми органическими веществами).
Зависимость скорости химической реакции зависит от состава взаимодействующих веществ и их строения. Любой химический процесс- это перегруппировка атомов в пространстве, то есть обмен, разделение или соединение отдельных групп атомов в молекулы. Подобные процессы могут происходить только при тесном сближении молекул реагирующих веществ (при их столкновении). То есть для осуществления некой эмпирической реакции между веществами А и В необходимо чтобы молекулы А и В в некоторый момент времени оказались в определенном объеме или проще говоря столкнулись между собой. Вероятность того, что молекула А окажется в этом элементе объема пропорциональна количеству молекул в единице объема, то есть их концентрации. Аналогичны рассуждения и для молекулы В. Из теории вероятностей известно, что вероятность одновременного осуществления двух независимых событий равна произведению вероятностей каждого из событий.
Значит, вероятность того что молекула А и окажутся в одно и тоже время в одном и том же элементе объеме равна произведению их концентраций. Соответственно скорость реакции будет пропорциональна произведению концентраций веществ А и В то есть скорость = k*c(A)*c(B), где к-это коэффициент пропорциональности, представляющий некую функцию от природы участвующих в реакции веществ и температуры при которой протекает реакция. Эту величину называют константой скорости реакции. Равна она той скорости, при которой происходит реакция если концентрация каждого из реагирующих вещества равна одному моль на литр.
Уравнение, описывающее зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ именуется кинетическим уравнением реакции.
Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях с показателями, численно равными коэффициентам в уравнении реакции (кинетическая форма закона действующих масс).
Объяснить увеличение скорости реакции одним только увеличением числа соударений между частицами реагентов невозможно. Доля успешных столкновений (с образованием новых молекул) зависит как от природы реагирующих частиц, так и от энергии, которой они обладают.
Реакция молекул зависит от запаса энергии, равным или большим некоторой величины, называемой энергией активации (Еа)
Если большое количество молекул заключено при постоянной температуре в некотором объеме, то за счет хаотических соударений в результате теплового движения запас энергии у разных молекул будет отличаться.
Некий процент молекул будет обладать наиболее вероятным запасом энергии Еf. Количество молекул N, обладающих иным запасом энергии будет тем меньшим, чем больше их энергия отличается от Ef. При повышении температуры от T1 до Т2 Ef возрастает. А значит и возрастают доли молекул, обладающих энергией равной или больше Еа. Это и поясняет резкое увеличение скорости реакции при повышении температуры.
Выражается такая зависимость уравнением Аррениуса.
При реакции с участием газообразных веществ давление оказывает влияние в большой мере. Поскольку при изменении давления меняется концентрация газообразных веществ в определенном объеме.
А при взаимодействии твердых веществ скорость реакции зависит от величины их поверхности. То есть степени диффундирования и площади соприкосновения, дисперсности системы.
Отдельного внимания требует участие катализаторов в процессе. В некоторых случаях необходимы катализаторы реакции (металлургия, промышленные методы получения химических соединений). А в некоторых замедлить (коррозия металлов, окисление препаратов и реактивов, увеличение срока хранения пищевых продуктов). В первом случае необходим катализатор, во втором-ингибитор.
Увеличение скорости реакции под действием катализатора объясняется изменением механизма реакции и энергии активации лимитирующей стадии оказывается более низкой чем при отсутствии катализатора.
Различают гетерогенный и гомогенный катализ.
При гетерогенном катализе реакция осуществляется на поверхности катализатора. Наилучшими каталитическими свойствами обладают катализаторы с несовершенной кристаллической структурой и большой удельной поверхностью.
Гомогенный катализ связан с образованием реакционноспособных промежуточных соединений.
Мы не будем углубляться в сложные процессы, и математические модели при изучении скорости реакций. Для успешного решения 20 задачи егэ по химии достаточно вышеуказанного материала.
И по традиции предлагаем вам решить тренировочное 20 задание егэ по химии 2020.
Из предложенного перечня внешних воздействий выберите два, которые приводят к увеличению скорости реакции в гетерогенной системе
- Понижение температуры
- Уменьшение концентрации исходных веществ
- Введение катализатора
- Уменьшение давления
- Увеличение давления
Ответы