Лекция по теме: "Скорость химической реакции. Химическое равновесие"
план-конспект занятия на тему

Понятие о скорости химической реакции

Химическая кинетика – наука, изучающая закономерности химических процессов во времени и его механизмы

Скорость химической реакции – изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени при неизменном объеме системы.

V= -ΔC/Δt

              С1

              С2

                                      t1                        t2                                                                  Время   t,с

Рассмотрим в общем виде скорость реакции, протекающей по уравнению:

А + В = С + Д

По мере расходования вещества А скорость реакции уменьшается.

В момент времени t1 концентрация вещества А измеряется величиной с1, а в момент  t 2 величиной с2. Поэтому средняя скорость химической реакции определяется изменением концентрации вещества  ΔC = С2 – С1, за промежуток времени  Δt = t2 – t1

V = - С2 – С1 /  t2 – t1 = -ΔC/Δt

Знак минус ставится потому, что. несмотря на убывание концентрации вещества А и, следовательно, на отрицательное значение разности С2 – С1,скорость реакции может быть только положительной величиной.

Истинная скорость химической реакции – скорость в данный момент времени.

Скорость реакции обратно пропорциональна времени.

2) Факторы, влияющие на скорость реакции

Скорость химической реакции зависит от:

• природы реагирующих веществ
• условий протекания реакции
• концентрации
• температуры
• присутствия катализатора
• давления (для газов)
• от величины поверхности вещества - измельчения (для твердых веществ)
• и т.д.

Влияние концентрации реагирующих веществ

Чтобы осуществилось химическое взаимодействие между веществом А и В, их молекулы (частицы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число столкновений тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ    ⇒ ОСНОВНОЙ ЗАКОН ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ (закон действующих масс)

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ взятых в степенях равных стехиометрическим коэффициентам

Для реакции:                   аА + вВ = сС + дД

где cA  и   cB    - концентрации веществ А и В, моль/л, k- коэффициент пропорциональности – константа скорости реакции.

Физический смысл константы скорости химической реакции:   она численно равна скорости реакции, когда концентрация каждого из реагирующих веществ составляет  1 моль/л или когда их произведение равно единице.

Константа зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, на не зависит от концентрации.

Влияние температуры

Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа:

при повышении температуры на каждые 10 0С скорость большинства реакций увеличивается на 2-4 раза

где  Vt2   и    Vt1  - скорости реакции при начальной t1   и   t2 температурах.

γ - температурный коэффициент скорости реакции, который показывает во сколько раз увеличится скорость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10 0С

Увеличение скорости реакции объясняется тем, что исходные молекулы получают дополнительную энергию для разрыва исходной химической связи

Скорость реакции зависит от величины поверхности вещества:

твердые вещества быстрее реагируют в измельченном состоянии, а в растворах реакция идет еще быстрее

Влияние катализатора на скорость химической реакции

Вещества влияющие на скорость химической реакции, но к концу реакции остающиеся химически неизмененными, называются катализаторами

Реакции, протекающие в присутствии катализаторов, называются каталитическими.

Реакция происходит на поверхности катализатора.

Поверхность катализатора неоднородна; в ней имеются группы молекул, образующие так называемые активные центры.

 Их число возрастает с увеличением пористости или раздробленности катализатора.

 Процесс изменения скорости реакции под действием катализатора называется катализом.

Катализ может быть гомогенным и гетерогенным.

Гомогенней  катализ называется в том случае, когда катализатор и

реагирующие вещества находятся в одном и том же агрегатном состоянии - жидком или газообразном.

Примером такого катализа является окисление оксида серы (IV) кислородом в серный ангидрид в присутствии оксида азота (11). Кислород, оксид серы (IV) и оксид азота (11) являются газами.

Гетерогенным катализ называется в том случае, когда реагирующие вещества находятся в одном, а катализатор - в другом агрегатном состоянии.

Чаще катализатор бывает твердым, а реагирующие вещества - жидкими или газообразными.

В качестве примера можно привести окисление оксида серы (IV) кислородом в присутствии оксида ванадия (V) V 205.

Ингибиторы – катализаторы, замедляющие скорость реакции – отрицательный катализ

 Пример – коррозия металла

Положительный катализ – ускорение реакции.

1. Обратимые и необратимые реакции

Химические реакции можно разделить на 2 группы:

• обратимые
• необратимые

 Необратимые реакции – идут только в одном направлении и завершаются полным превращением исходных веществ в конечные продукты

        t

        2KClO3        2KCl  +  3O2

Обратимые реакции – одновременно протекают в двух взаимно противоположных направлениях.   

3H2  +  N2    ⇔     2NH3   

                                       прямая реакция     обратная реакция

2. Химическое равновесие

Обратимые реакции не доходят до конца и заканчиваются установлением химического равновесия 

Например, в реакции синтеза аммиака равновесие наступает тогда, когда в единицу времени образуется столько же молекул аммиака, сколько их распадается на азот и водород.

химическое равновесие можно определить как такое состояние системы реагирующих веществ, при котором скорости прямой и о6раmой реакций равны между собой.

Характеристики химического равновесия:

• прямая и обратная реакции не прекращаются  ⇒ подвижное или  динамическое равновесие
• в реагирующей смеси видимых изменений не происходит
• концентрации всех реагирующих веществ  как исходных, так и образующихся - остаются строго постоянными – равновесные концентрации ( Они обычно обозначаются формулами реагирующих веществ, заключенными в квадратные скобки, например [Н2], [N2], [NНз]

На состояние химического равновесия оказывают влияние:

• концентрация реагирующих веществ,
• температура,
• а для газообразных веществ - давление 

При изменении одного из этих параметров равновесие нарушается, и концентрация всех реагирующих веществ изменяется до тех пор, пока не установится новое равновесие, но уже при иных значениях равновесных концентраций.

Это называется смещением химического равновесия

Если при изменении условий реакции увеличивается концентрация конечных веществ, то говорят о смещении равновесия в сторону продуктов реакции.

Если же увеличивается концентрация исходных веществ, то равновесие смещается в сторону их образования.

3. Принцип Ле-Шателье

Направление смещения химического равновесия при изменениях концентрации реагирующих веществ, температуры и давления (в случае газовых реакций) определяется общим положением, известным под        названием принципа подвижного равновесия или принципа Ле-Шателье:

если на систему, находящуюся в равновесии, производится какое-либо внешнее воздействие (изменяется концентрация, температура, давление), то оно благоприятствует протеканию той из двух противоположных реакций, которая ослабляет воздействие

Поясним это на примере реакции синтеза аммиака:

        З/2Н2 + 1/2N2 ⇔ NНз,

        2 объема        1        объем                                  ΔH= -46,2 кДж/моль

• Концентрация

Если внешнее воздействие выражается в увеличении концентрации азота или водорода, то оно благоприятствует реакции, вызывающей уменьшение концентрации этих веществ, и, следовательно, равновесие сместится в сторону образования аммиака. Соответственно увеличение концентрации аммиака смещает равновесие в сторону исходных веществ.

• Температура

Поскольку прямая реакция, как видно из уравнения, протекает с выделением теплоты, повышение температуры смеси благоприятствует протеканию реакции с поглощением теплоты – эндотермической реакции, и равновесие стремится в сторону исходных веществ; понижение температуры вызовет смещение равновесия в сторону продукта реакции – экзотермической реакции.

• Давление

Чтобы определить влияние давления на смещение равновесия, необходимо подсчитать число молекул в левой и правой частях уравнения. При повышении давления равновесие сместится в сторону меньшего числа молекул