Скорость химической реакции.
Химические реакции протекают с разными скоростями. Очень быстро проходят реакции в водных растворах практически мгновенно.
Если химические реакции происходят в однородной среде, например, и растворе или в газовой фазе, то взаимодействие реагирующих веществ происходит во всем объеме. Такие реакции называют гомогенными.
H2(г. ) + Cl2(г. ) = 2HCl(г. )
CH3COOH(р-р) + C2H5OH(р-р) ↔ CH3COOC2H5(р-р) + H2O
И гетерогенные реакции, если продукты реакции и исходные вещества находятся в разных агрегатных состояниях.
2Al(т. ) + 3CuCl2(р-р) = 3Cu(т. ) + 2AlCl3(р-р)
СаС2(т. ) + 2Н2О (ж. ) = С2Н2(г. ) + Са (ОН) 2(р-р)
2.Скорость гомогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени в единице объема:
— изменение числа молей одного из веществ (чаще всего исходного, ко может быть и продукта реакции);
— интервал времени (с, мин);
— объем газа или раствора (л).
Поскольку отношение количества веществ к объему представляет собой молярную концентрацию С, то
Таким образом, скорость гомогенной реакции определяется как изменение концентрации одного из веществ в единицу времени:
Если объем системы не меняется.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции.
Скорость химической реакции определяется следующими основными факторами:
1) природой реагирующих веществ (энергия активации);
2) концентрацией реагирующих веществ (закон действующих масс);
3) температурой (правило Вант-Гоффа);
4) наличием катализаторов (энергия активации);
5) давлением (реакции с участием газов);
6) степенью измельчения (реакции, протекающие с участием твердых веществ);
7) видом излучения (видимое, УФ, ИК, рентгеновское).
Обратимыми называются такие реакции, которые одновременно протекают в двух взаимно противоположных направлениях.
Это означает, что в реакционной смеси протекает как взаимодействие реагентов, так и взаимодействие продуктов. В этом смысле различие между реагентами и продуктами условное. Направление протекания химической реакции определяется условиями ее проведения (температурой, давлением, концентрацией веществ).
Многие реакции имеют одно преимущественное направление и для проведения таких реакций в противоположном направлении требуются экстремальные условия. В подобных реакциях происходит почти полное превращение реагентов в продукты.
Реакции, которые протекают только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных реагирующих веществ в конечные вещества, называются необратимыми. Примером такой реакции может служить разложение хлората калия (бертолетовой соли) при нагревании: 2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 ↑
Реакция прекратится тогда, когда весь хлорат калия превратится в хлорид калия и кислород. Необратимых реакций не так много. Большинство реакций являются обратимыми.
В уравнениях обратимых реакций между левой и правой частями ставят две стрелки, направленные в противоположные стороны. Примером такой реакции может служить синтез аммиака из водорода и азота.
Понятие о катализе и катализаторах. Типы Катализа.
Реакции по участию катализатора:
а) Каталитические – с участием катализатора
2KClO3 → 2KCl + 3O2↑ (катализатор - MnO2) C2H5OH → C2H4↑ + H2O (катализатор - H2SO4 конц. )
б) Некаталитические – без участия катализатора
2HgO → 2Hg + O2↑ C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O
По механизму протекания
а) Радикальные – протекают между радикалами и молекулами.
Cl2 → Cl. + Cl. (на свету; точки означают неспаренные электроны у радикалов) CH4 + Cl. → CH3. + HCl CH3. + Cl2 → CH3Cl + Cl. и т. д. б) Ионные реакции – протекают между ионами
AgNO3 + HCl = AgCl↓ + HNO3
В настоящее время каталитические процессы занимают доминирующее положение в химической технологии: более 80% продукции тяжёлой химической промышленности получают с использованием различных катализаторов. Катализ играет важнейшую роль в живой природе. Сложные комплексы химических превращений, обусловливающие брожение, дыхание, пищеварение, синтез белков осуществляется с помощью ферментов – катализаторов белковой природы, образующихся в живых телах. По некоторым свойствам ферменты существенно превосходят промышленные катализаторы. Изучение каталитических процессов является одним из важнейших направлений современной химии и знакомство с ними является существенным элементом образования современного химика-технолога.
Катализаторы – вещества, которые изменяют механизм реакции, уменьшают Еакт => υ ↑.
▪ Катализаторы остаются неизменными по окончании реакции.
▪ Ферменты – биологические катализаторы, по природе белки.
▪ Ингибиторы – вещества, которые ↓ υ.
Под катализом в настоящее время понимается изменение скорости химической реакции при добавлении к реагентам небольших количеств веществ (катализаторов), многократно вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой состав. Наряду с увеличением скорости реакций, небольшие добавки веществ, не изменяющие после окончания цикла свой состав, могут вызывать и уменьшение скорости процесса. В этом случае говорят об ингибировании (отрицательном катализе) химических реакций.
В подавляющем большинстве случаев катализатор не изменяет состояния равновесия, так как снижает энергетический барьер и в обратной реакции, но ускоряет достижение равновесного состава. Строго говоря, введение катализатора меняет изобарно-изотермический потенциал системы и может изменить свойства среды, например, коэффициенты активности. Обычно этим обстоятельством пренебрегают, поскольку количество вводимого катализатора мало.
Константа скорости в каталитических процессах может расти как за счет уменьшения энергетического барьера, так и в результате роста энтропии активации. Снижение энергии активации обусловлено тем, что взаимодействие катализатора и реагирующей молекулы изменяет их свойства (длина и энергия связи в реакционном узле) и образование активированного комплекса происходит с меньшими энергетическими затратами. Изменение энтропии связано с реорганизацией реагирующей системы.
Важной особенностью каталитических процессов является сохранение катализатором своего состава в процессе реакции. Количество реагирующего вещества, которое может испытывать превращение в присутствии определенного количества катализатора не ограничивается какими-либо стехиометрическими соотношениями и может быть очень большим. Например, одна весовая часть катализатора в производстве серной кислоты вызывает превращение 104весовых частей реагирующих веществ.
Катализаторы подразделяют на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор и реагирующие вещества образуют единую фазу, чаще всего жидкую, в которой протекает каталитическая реакция. К гомогенным катализаторам относят также ферменты или энзимы — биокатализаторы, под действием которых в живых организмах протекает синтез большинства веществ, необходимых для их жизнедеятельности. Гетерогенно-каталитические реакции протекают на границе раздела фаз, образуемых катализатором и реагентами. Наиболее часто в качестве гетерогенных катализаторов используют твердые тела, при этом реагирующие вещества находятся в жидкой или газовой фазе.
СН3СOOС2Н5+ Н2O→CH3COOH+ С2Н5OН
Специфичность катализа.
Специфичность каталитического действия заключается в том, что реакции данного типа ускоряются катализаторами лишь определенного химического состава независимо от того, являются они гомогенными или гетерогенными. Так, кислотно-основные реакции ускоряются кислотами или основаниями, а окислительно-восстановительные — переходными металлами или их соединениями, при этом особенно высоким каталитическим действием обладают элементы восьмой группы таблицы Д.И.Менделеева. Однако даже в пределах одной группы каталитические свойства веществ меняются немонотонно. Так, из всех элементов восьмой группы лишь железо обладает достаточно высокой активностью в реакции синтеза аммиака. Такое же заключение можно сделать относительно каталитического действия серебра при сравнении его с медью и золотом в реакции окисления этилена. Специфичность свойственна в той или иной мере всем катализаторам и обусловлена специфичностью химических связей (ковалентной, донорно-акцепторной или водородной), которые возникают между катализатором и реагентом.
В образовании химической связи с реагентами участвуют лишь определенные группы атомов катализатора. Такую группу атомов принято называть каталитическим или активным центром. В гомогенном катализе каждая молекула катализатора, например, ион гидроксония, может рассматриваться как активный центр. В комплексных соединениях переходных металлов в качестве активных центров может выступать "вакантное место" в координационной сфере комплексного соединения иона металла. Активные центры гетерогенных катализаторов находятся на поверхности твердого тела и представляют собой один или группу атомов, ионов кристаллической решетки. Более сложное строение имеют активные центры ферментов. Специфичность каталитического действия того или иного катализатора определяется химическим составом, строением и структурой его активных центров.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|