Скорость химических реакций

Скорость химических реакций

Иванова Ксения,

ученица 8г класса

МОУ Лицей №15 г.Саратова

Вокруг нас постоянно происходят тысячи химических реакций. Горит костер, ржавеет железо, молоко превращается в творог и многое другое.  Известно ,что одни химические реакции протекают за малые доли секунды, другие же за минуты ,часы, дни. Некоторые протекают так быстро, что за ними не уследишь. Вот мы зажигаем спичку. Чирк! Воспламеняется от трения о коробку фосфор, входящий в состав спичечной головки, мгновенно появляется пламя. Химическая реакция заняла доли секунды. Дрова в костре тоже сгорают весьма быстро. Взрыв смеси кислорода с водородом происходит  практически мгновенно, а превращение графита в алмаз в недрах Земли -  очень медленная реакция. При  этом нельзя ограничиваться чисто качественными реакциями, рассуждать о « быстрых» и « медленных реакциях.

Знание скоростей химической реакций имеет очень большое практическое и научное значение. Например , в химической промышленности от скорости химической  реакции зависят размеры, производительности аппаратов, качество вырабатываемого  продукта и в конечном итоге зарплата работников и себестоимость продукции.

В физике скорость передвижения тела узнают ,измеряя расстояние ,за которое это тело переместилось в определенный промежуток времени. Но химические вещества не всегда перемещаются в пространстве. Часто они просто расходуются в определенном количестве, переходя в продукты реакции за некоторый промежуток времени. А в химии?

Химические реакции называются явления, при которых одни вещества, обладающие определенным составом и свойствами, превращаются в другие вещества – с другим составом и другими свойствами.

Вещества, которые вступают в химическую реакцию, называются исходными веществами или реагентами. Вещества, которые образуются в результате реакции , называются продуктами реакции.

Признаки химической реакции:

1. Образование осадка
2. Выделение газа
3. Изменение окраски (цвета)
4. Выделение теплоты (света)
5. Появление или изменения запаха или вкуса

Обыденные примеры химических реакций из жизни:

1. При зажигании спички мы наблюдаем сразу выделение теплоты, света и изменение окраски;
2. При скисании молока получаем простоквашу и наблюдаем изменения запаха и вкуса;
3. При  ржавление железа меняется окраска.

Все эти и многие другие химические реакции мы наблюдаем изо дня в день.

Теперь, что такое скорость химической реакции

Скорость химической реакции называется изменение концентрации реагента или продукта в единицу времени.

Разницу между тем, что было и тем, что стало, часто обозначают буквой греческого алфавита Δ (дельта) Следовательно, только что приведенное определение математически можно выразить так:

где v - скорость реакции, ΔC - изменение концентрации (в моль/л), а Δτ - интервал времени, в течение которого это изменение произошло (сек). Следовательно, размерность у скорости реакции такая: "моль/л.сек".

Количество вещества выражают в молях ( единица измерения количества вещества в Международной системе единиц ( Си)), а объем в литрах.

От чего зависит скорость химической реакции

Одна из основных задач химической кинетике – управление скоростью реакции. Полезные реакции нужно заставить идти быстрее, а вредные – медлить. Для этого надо знать, какие факторы влияют на их скорость.

Все химические превращения в растворе или газовой фазе происходят при столкновении молекул. Чем чаще молекулы встречаются, тем быстрее идет взаимодействие. Число же столкновений, а следовательно и скорость реакции, зависит от числа молекул в единице объема, т. е. от концентраций реагирующих веществ.

Если бы при каждом столкновении молекулы вступали во взаимодействие, все химические реакции заканчивались бы мгновенно, многие — со взрывом. На самом деле некоторые молекулы при столкновении превращаются в продукты реакции, а другие — нет. От чего это зависит?

Дело в том, что для разрыва или ослабления старых химических связей нужна энергия. Когда сталкиваются активные молекулы, которые обладают некоторым запасом энергии, они могут прореагировать. Если же энергия мала, то столкновение не приводит к реакции и молекулы разлетаются без химического превращения. Энергия молекул в свою очередь зависит от температуры. Это и есть важнейший фактор, определяющий скорость реакции. Подавляющее большинство реакций ускоряется с ростом температуры.

В том случае, когда для реакции не требуется дополнительной энергии, т. е. все молекулы активные, она происходит при каждом столкновении. Примером служит взаимодействие двух свободных радикалов — частиц, содержащих неспаренные электроны. Скорость таких реакций почти не зависит от температуры.

Для гетерогенных реакций, т. е. таких, которые протекают на поверхности реагирующих фаз, огромное значение имеет величина этой поверхности. Поэтому деревянные щепки сгорают быстрее полена такой же массы и металлические стружки растворяются в кислоте скорее, чем брусок.  

       Большинство химических и биохимических процессов с ростом температуры заметно ускоряются. Так, мясо при комнатной температуре испортится гораздо скорее, чем в холодильнике. В странах с влажным тропическим климатом фрукты созревают раньше, а машины ржавеют быстрее,чем в северных широтах. Железо не реагирует с холодной концентрированной серной кислотой, но растворяется в горячей.

Этот эффект ещё вXIXв. был описан с помощью эмпирического (т. е. выведенного из опытных данных)  правила Вант-Гоффа:

Скорость многих реакций при нагревании на 10 °С увеличивается в 2—4 раза.

Так, при повышении температуры с 30 до 40 °С скорость гидролиза сахарозы в присутствии кислоты возрастает в 3,9 раза.

Математически правило Вант - Гоффа можно записать в виде степенной зависимости:

где g— температурный коэффициент, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при нагревании на 10 °С.

Однако правило Вант - Гоффа справедливо лишь при небольшом изменении температуры и далеко не для всех реакций. Гораздо более точно описывает температурные эффекты в химической кинетике уравнение Аррениуса для константы скорости (удельная скорость реакции):

Где Аи ЕА -  постоянные величины, которые не зависят от температуры, а определяются только природой реагирующих веществ; R— универсальная газовая постоянная. Температура T в уравнении Аррениуса измеряется по шкале Кельвина. Последний сомножитель равен доле активных молекул, энергия которых больше некоторого порогового значения ЕА. Величину ЕА называют энергией активации. Доля молекул, имеющих энергию большую, чем ЕА, быстро растёт с увеличением температуры.

Энергию активации реакции можно определить экспериментальным путём, если измерить зависимость константы скорости (или самой скорости) от температуры.

Практическая часть.

В условиях школьной лаборатории мы изучаем влияние нескольких факторов на скорость химической реакции.

1. Влияние площади соприкосновения реагирующих веществ.

Мы взяли в качестве реагентов соляную кислоту , железо металлическое, восстановленное водородом ( порошок) , железный гвоздь. В две пробирки налили одинаковый объем раствора соляной кислоты и добавили железо.

Результат: реакция быстрее проходила в той пробирке, где находилось железо металлическое восстановленное в виде порошка.

2. Влияние природы реагирующих веществ.

В качестве реагентов взяли цинк, растворы соляной и уксусной кислот одинаковой концентрации. В пробирки налили одинаковое количество растворов кислот и добавили одинаковое количество цинка гранулированного.

Результат: в пробирке с соляной кислотой наблюдаем более энергичное выделение пузырьков газа, чем в пробирке  с уксусной кислотой.

3. Влияние температуры.

В качестве  реагентов мы взяли соляную кислоту и оксид меди ( II ).

В две пробирки насыпали равные массы порошка оксида меди и добавили одинаковые объемы соляной кислоты. Наблюдаем за реакцией при комнатной  температуре ( явных изменений в течении минуты не происходит). Одну пробирку нагрели в пламени спиртовки. Наблюдаем изменение цвета раствора ( он становится голубым).

Результат: скорость химической реакции зависит от температуры реагирующих веществ, при повышении температуры скорости реакции увеличивается.

4. Влияние концентрации реагирующих веществ.

В качестве реагентов взяли раствор соляной кислоты и гранулы цинка. Одинаковые объемы раствора кислоты налили в две пробирки. Во вторую пробирку добавили такой же объем дистиллированной воды( уменьшили концентрацию реагирующего  вещества). В пробирках наблюдается выделение пузырьков газа. Наиболее энергично проходит процесс в  пробирке № 1 .

Результат: чем выше концентрация вещества, тем выше скорость химической реакции.

Вывод

  Знание скорости химических  реакций  имеет очень большое практическое и научное значение. Например, в химической промышленности от скорости химической реакции зависят размеры, производительность аппаратов, качество вырабатываемого продукта и в конечном итоге зарплата работников и себестоимость продукции.

   В данной работе были рассмотрены вопросы, определяющие факторы, влияющие на скорость химической реакции. А так же, выяснено, что значения о скорости химической реакции и факторах, влияющих  на ее изменение, позволяют управлять в значительной степени химической реакциями.

Используемая литература

http://www.kazedu.kz/referat/110870

http://www.kristallikov.net/page19.html

http://profmeter.com.ua/communication/learning/course/course6/lesson779/?LESSON_PATH=455.485.779

https://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%EE%EB%FC

http://doc4web.ru/himiya/konspekt-uroka-po-himii-faktori-vliyayuschie-na-skorost-himiche3.html

http://pages.marsu.ru/iac/resurs/burkova/himia/method/skor_him_reak.html

Мир Энциклопедий Аванта том 17 «Химия»