Химические реакции. Скорость химической реакции

По числу и составу исходных веществ и продуктов реакции химические реакции можно разделить на следующие типы: разложение; соединение; обмен; замещение.

1. Реакции соединения, в результате которых из исходных веществ получается одно новое вещество:

2. Реакции разложения, в результате которых из исходного вещества образуются два или более новых веществ:

3. Реакции обмена, в течение которых происходит обмен атомами, входящими в состав молекулы. Обмен наиболее характерен для ионных реакций:

К реакциям обмена относится и реакция нейтрализации:

4. Реакции замещения, в результате которых происходит замещение одних атомов, содержащихся в молекуле, на другие. В данную реакцию вступают одно сложное вещество и одно простое вещество. В результате этой реакции образуется новое простое и сложное вещества:

В зависимости от теплового эффекта реакции подразделяются на экзотермические и эндотермические.

Экзотермическими называют реакции, протекающие с выделением энергии:

Реакции, сопровождающиеся поглощением энергии, называют эндотермическими:

1. Выделение или поглощение энергии может быть обозначено в уравнении реакции соответственно знаком +Q или —Q. Такие уравнения называются термохимическими. Реакции разложения обычно протекают с поглощением энергии, а присоединения — с выделением энергии.

По обратимости реакции различают необратимые и обратимые реакции. Необратимые реакции протекают до полного превращения исходных веществ в продукты:

Признаками необратимости реакций в растворах является образование малодиссоциирующего вещества (осадка, газа или воды).

Обратимые реакции протекают как в сторону получения продуктов реакции, так и в сторону получения исходных веществ:

Важно отметить, что по разным признакам одна и та же реакция может быть отнесена одновременно к нескольким типам, например 2S02 + 02 2S03. Эта реакция относится к следующим типам реакций: соединения, экзотермическим, окислительно-восстановительным, каталитическим и обратимым.

Под скоростью химической реакции понимается изменение количества вещества за определенный промежуток времени:

где Дп — изменение числа молей реагирующих веществ или продуктов реакции (в случае расчета величины скорости реакции через число молей продуктов реакции в формуле используют знак минус для сохранения физического смысла скорости химической реакции); At — время реакции.

Единицей измерения скорости химической реакции служит моль/л-|с-1.

Скорость реакции зависит от следующих факторов:

  • • природы реагирующих веществ;
  • • поверхности реагирующих веществ (для гетерогенных реакций);
  • • концентрации реагирующих веществ;
  • • газового давления;
  • • температуры;
  • • наличия катализатора или ингибитора.

Природа реагирующих веществ. При взаимодействии соляной и уксусной кислот с цинком о скорости химической реакции можно судить по темпу выделения газообразного водорода:

При участии в реакции соляной кислоты скорость выделения газообразного водорода выше, следовательно, скорость данной химической реакции также выше. Это объясняется тем, что соляная кислота более сильная, чем уксусная.

Поверхность реагирующих веществ. Чем больше поверхность реагирующих веществ, тем выше скорость гетерогенной реакции. В качестве примера можно рассмотреть реакцию взаимодействия карбоната кальция (мел) и соляной кислоты. В результате реакции образуется слабая угольная кислота, которая разлагается в растворе с выделением углекислого газа:

Если карбонат кальция внести в реакционную сферу в виде порошка, скорость реакции значительно повысится.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих газообразных или растворенных веществ подчиняется закону' действия масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степени их стехиометрических коэффициентов. Запишем химическую реакцию в общем виде:

Если считать, что реакция протекает в гомогенной среде, то закон действия масс для нее выглядит следующим образом:

где [А] и В — молярные концентрации веществ А и В а и Ь показатели степеней, соответствующие количеству моль веществ А и В к — константа скорости реакции, зависящая от температуры, но не зависящая от концентрации реагирующих веществ (к — это скорость реакции при условии, что концентрации исходных веществ равны одному молю в литре).

При участии в реакции газообразных веществ в уравнении закона действия масс концентрации веществ можно заменить их газовыми (парциальными) давлениями:

Рассмотрим закон действия масс для конкретных реакций:

При написании уравнения закона действия масс не учитывают концентрации веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии, и веществ, находящихся в реакционной сфере в избытке. Так как цинк — твердое вещество, его участие в реакции учитывается константой скорости химической реакции. Веществом, находящимся в избытке в реакционной сфере, чаще всего выступает вода, например в реакциях гидролиза.

Влияние температуры на скорость химической реакции подчиняется уравнению Вант-Гоффа: При изменении температуры на каждые 10° скорость химической реакции возрастает в 2—4 раза. Математическое выражение закона:

где vf| — начальная скорость реакции при температуре tx; v,2 — измененная скорость при температуре ty, у — температурный коэффициент; Д Т° — изменение температуры реакции, АТ° = Т2— Т.

V,

При изменении температуры на 10 °С, скорость реакции — изме-

Vj

няется в 2 -г 4 раза, т.е. температурный коэффициент находится в пределах от 2 до 4.

Присутствие катализатора или ингибитора. Катализом называется процесс изменения скорости химической реакции под действием особых веществ, которые принимают участие в химической реакции, но сами в результате реакции не расходуются. Если в результате катализа происходит повышение скорости реакции, то такой процесс называется положительным катализом, или просто катализом. Вещества, которые ускоряют химические реакции, называются катализаторами. Например, разложение бертолетовой соли и пероксида водорода ускоряется в присутствии оксида марганца (IV). Если в результате катализа происходит уменьшение скорости реакции, то такой процесс называется отрицательным катализом, или ингибированием, а вещества — ингибиторами.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В первом случае катализатор и реагирующие вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии (образуют одну фазу), во втором — в разных агрегатных состояниях (гетерогенная система, так как присутствует граница раздела фаз).

 
Посмотреть оригинал