III. Влияние температуры на скорость реакции

Отражено в правиле Вант-Гоффа: при увеличении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2 - 4 раза:

,

где - скорость реакции при температуре t₁, - скорость этой же реакции при температуре t₂, g - температурный коэффициент, принимает значения 2, 3, 4 (реже 5).

Пример:

Как изменится скорость реакции при повышении температуры с -10°С до +20°С, если температурный коэффициент = 3?

Решение:

, откуда .

Ответ: скорость реакции возрастет в 27 раз.

IV. Влияние катализатора на скорость реакции

Катализаторы - вещества, изменяющие скорость реакции, но не входящие в состав конечных продуктов. Катализ бывает:

а) положительный - если катализатор увеличивает скорость реакции;

б) отрицательный - если катализатор уменьшает скорость реакции (катализаторы в этом случае называют «ингибиторы»).

Химические реакции, протекающие в присутствии катализатора, называют «каталитические».

Если реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе, то катализ гомогенный (гомо - однородный), если в различных фазах - гетерогенный (гетеро - разнородный).

Механизм действия катализаторов - образование промежуточных соединений:

Пример:

Нитрозный способ получения серной кислоты:

Вещества, снижающие активность твердого катализатора, - каталитические яды (это соединения Hg, Pb, цианиды и др.).

Энергия активации (Е_акт) - та избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновения привели к образованию нового вещества. Такие молекулы называют «активные», с ростом температуры их число увеличивается и скорость реакции растёт.

Пример:

Разрыв старых связей и образование новых схематично можно изобразить:

Энергетически продукты реакции(ПР) более выгодны, чем исходные вещества(ИВ):

С. Аррениус вывел термодинамическое уравнение зависимости константы скорости_. от температуры с учётом энергии активации:

,

где Е_акт – константа;

R – универсальная газовая постоянная;

Т – температура, град. К;

А – частотный множитель, доля числа столкновений между молекулами, которая заканчивается реакцией.

V. Влияние давления на скорость газовых реакций

Изменение давления ведет к изменению концентраций, а это в соответствии с законом действующих масс влияет на скорость реакции.

VI. Влияние степени измельчённости твердых веществ на скорость реакции

Чем сильнее размолото твердое вещество, тем больше площадь его поверхности. А так как реакции идут на поверхности твердых частиц, то чем больше активная поверхность вещества, тем будет больше соударений, приводящих к появлению новых веществ.

Химическое равновесие

Химическое равновесие - такое состояние системы реагирующих веществ, когда u_{прямой реакции} = u_{обратной реакции}.

Равновесие бывает:

а) истинное – оно соответствует такому состоянию системы, когда малое внешнее воздействие незначительно смещает равновесие;

б) кажущееся – малое воздействие на систему сильно смещает равновесие.

Константа равновесия (К) - количественная оценка химического равновесия; находится как отношение констант скорости прямой и обратной реакции.

Например для реакции nA + mB Û pC + qD

u_{прямой реакции} = k₁×[A]ⁿ×[B]^m;

u_{обратной реакции}.= k₂×[C]^p×[D]^q;

Т.к. u_{прямой реакции} = u_{обратной реакции}., то

k₁×[A]ⁿ×[B]^m = k₂×[C]^p×[D]^q,

отсюда

.

Величина К равновесия характеризует выход химической реакции:

1. K >>1 (∆G < 0) – выход реакции велик и она с большой полнотой протекает слева направо;

2. К = 1 (∆G = 0) – типично обратимая реакция, находится в состоянии равновесия;

3. K << 1 (∆G > 0) – прямая реакция не идёт, равновесие смещено в сторону обратной реакции.

Величина К зависит от природы веществ, температуры и не зависят от концентрации.

Принцип Ле-Шателье: если на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, производится какое-либо внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону реакции, уменьшающей это воздействие.

Возможные воздействия:

а) изменение концентрации за счет введения или выведения какого-либо вещества;

б) одновременное изменение всех концентраций за счет изменения давления или объема;

в) изменение температуры.

Пример:

Как сместится равновесие при изменении температуры для процесса:

2HI Û Н₂ + I₂ - Q.

Ответ: при нагревании извне равновесие сместится вправо, а при охлаждении – влево.

Вопросы для закрепления материала:

1.В каких единицах измеряется скорость химической реакции?

2.Написать выражение К равновесия для процесса N₂ + 3H₂ = 2NH₃ . Куда сместится равновесие при увеличении давления?

УЧЕНИЕ О РАСТВОРАХ

Раствор - гомогенная равновесная система переменного состава, образованная из двух или более компонентов (ингредиентов).

Растворитель - среда, в которой растворенные вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов.

Растворы часто занимают промежуточное состояние между механической смесью и химическим соединением.

Различия между раствором и химическим соединением:

1. состав раствора может варьироваться в очень широких пределах, а состав химического соединения неизменен;

2. из раствора можно выделять отдельные компоненты, не разрушая его однородности ( с химическим соединением это невозможно).

Различия между раствором и простой механической смесью:

1. часто при растворении образуются сольваты или гидраты:

CuSO₄ + 4H₂O = [Cu(H₂O)₄] SO₄;

2. при растворении может измениться цвет раствора по сравнению с растворяемым веществом;

3. растворение часто сопровождается эндотермическим или экзотермическим эффектом.

Из этого следует, что растворение – это физико-химический процесс, в котором играют роль физические и химические явления. Согласно физической теории, растворы рассматривают как смеси, образующиеся в результате измельчения растворяемого вещества в среде растворителя без непосредственного химического взаимодействия с ним. При этом большая роль отводится такому физическому явлению, как диффузия. Благодаря диффузии молекулы, ионы удаляются с поверхности ратворяющегося векщества и равномерно распределяются по всему объему растворителя. Из-за этого, при отсутствии перемешивания, быстрота растворения зависит от скорости диффузии.

Классификация растворов

1. По агрегатному состоянию:

а) Газообразные (воздух, воздушные смеси) . В растворах газов, как и в индивидуальных веществах, находящихся в газообразном состоянии, наблюдается слабое взаимодействие между молекулами смешиваемых веществ. Для газового раствора характерно химическое движение молекул и отсутствие определенной геометрической структуры. Они находятся в виде химической смеси, каждому компоненту которой присущи индивидуальные физические и химические свойства. В качестве примера такой смеси можно привести воздух, состоящий из растворенных друг в друге азота, кислорода, углекислого газа, инертных и др. газов, паров воды и некоторых твердых микрочастиц (которые называют пылью).

б) Твердые (сплавы, таблетки, пища). Они представляют собой однородные крисьталлы, образующиеся, как правило, из металлов. При этом для одних металлов их взаимная растворимость в твердом состоянии неограниченна, другие же рнастворимы друг в друге лишь до определенной концентрации. Для получения твердого раствора проводят охлаждение расплава, что сопровождается, как правило, выпадением кристаллов.

в) Жидкие (плазма крови, лимфа, речная и морская вода, микстуры). Они обладают внутренней структурой, которая при больших разбалениях близка к структуре растворителя, а в концентрированных растворах – растворенного вещества. Этот тип растворов наиболее распространен.

2. По физическим свойствам (например электропроводность):

а) неэлектролиты (раствор глюкозы);

б) электролиты (физиологический раствор).

3. По размеру частиц:

a) истинные растворы (растворенные вещества находятся в растворе в виде молекул или ионов);

признаки: (1) прозрачны;

(2) устойчивы при хранении;

(3) диаметр частиц < 1 ммк.

б) коллоидные растворы (растворенные вещества в виде сложных агрегатов);

признаки: (1) при прохождении света через раствор специфично рассеивают его, образуя конус Тиндаля;

(2) при хранении разрушаются;

(3) диаметр частиц лежит в интервале 1 - 100 ммк

в) дисперсные системы (взвеси)

существуют в виде эмульсий или суспензий;

признаки: (1) непрозрачны;

(2) неустойчивы;

(3) диаметр частиц > 100 ммк

4. По количеству растворенных частиц:

a) насыщенные (устойчивы - имеет место равновесие между раствором и твердым веществом); ∆G = 0.

б)ненасыщенные; ∆G < 0.

в)пересыщенные. ∆G > 0; система неустойчива, при встряхивании из них образуются насыщенные растворы и выделяется избыток растворённого вещества.

Растворимость газов

Этот процесс можно рассматривать:

1) либо как механический процесс (действие сил Ван-дер-Ваальса) – например при растворении в воде Н₂ , О₂ , N ₂ , инертных газов;

2)либо как химическое взаимодействие

(NH₃ + H₂O = NH₄OH ; Cl₂ + H₂O = HCl + HClO).

Растворимость газов зависит от нескольких факторов:

1. От давления по закону Генри – масса газа, растворяющегося в данном объёме жидкости при постоянной температуре, прямо пропорциональна его парциальному давлению:

m_газа = k × P,

где m – масса газа в растворе;

k – константа пропорциональности;

Р – парциальное давление.

2. От температуры – чем выше температура, тем хуже растворяется газ.

3. От наличия в растворе других веществ по закону И.М. Сеченова (был выведен при подсчёте кислородной ёмкости крови) – на растворимость газов в жидкости влияют другие вещества:

,

где - растворимость газа в чистом растворителе;

- растворимость газа в растворе соли;

- концентрация соли в растворе;

- константа Сеченова, положительная величина.

Анализ формулы показывает, что всегда .

Растворимость жидких и твёрдых веществ

1. Как правило не зависит от давления, потому что при смешивании жидкостей объем меняется незначительно и может измениться только при давлении в несколько тысяч атмосфер;

2. Как правило это эндотермический процесс: при повышении температуры растворимость возрастает, так как энергия затрачивается на разрушение кристаллической решетки и равномерное распределение молекул (ионов) по всему объему раствора.

3. Если же при растворении выделяется теплота, то следовательно в растворе образуются сольватные частицы (если растворитель – вода, то чакстицы называют гидратными) и процесс будет экзотермическим.