Скорость химических реакций

Эпиграф: «Кто учился наукам, но не применяет их, похож на того, кто пахал, но не сеет»

Саади - персидский мыслитель, поэт

Скорость химических реакций

Преподаватель химии: Малахова Мария Ильинична

Цель:

Формирование знаний

о скорости химической реакции,

о факторах, влияющих на нее,

и математических выражений скорости химической реакции.

Ключевой вопрос

Что понимают под скоростью химической реакции и от каких факторов она зависит?

Начальная мотивация учебной деятельности

Почему многие продукты питания мы готовим на огне, а храним в холодильнике?

Вопросы, рассматриваемые на занятии:

• Понятие о скорости химических реакций.
• Зависимость скорости химических реакций от различных факторов.

Вопрос 1. Понятие о скорости химических реакций.

Р аздел химии, который изучает скорости химических реакций, их зависимость от различных факторов называется

химической кинетикой

Быстрые химические процессы: взрывы, ионные реакции в растворах, передача нервного импульса

Медленные химические процессы: коррозия, фотосинтез, биосинтез белка.

Белки обновляются наполовину за 70 суток

Неорганическая основа костных тканей за 4-7 лет

Знание скорости химической реакции имеет большое практическое значение

• позволяет замедлять или ускорять процессы, сопровождающие нас в повседневной жизни: коррозия металлов, хранение продуктов питания и т. д.
• При производстве любого вещества от скорости реакции зависят:

• Размеры аппаратуры Количество вырабатываемого продукта
• Размеры аппаратуры Количество вырабатываемого продукта
• Размеры аппаратуры Количество вырабатываемого продукта
• Размеры аппаратуры
• Количество вырабатываемого продукта

Скорость гомогенной реакции (υ гомог. ) определяется изменением количества вещества в единицу времени в единице объёма

υ гомог. =

где Δ n – изменение числа молей одного из веществ, (моль);

Δt – интервал времени (с, мин);

V – объем газа или раствора (л)

Δ n

ΔC

Δt ∙V

ΔC – изменение концентрации

Скорость гомогенной реакции (υ гомог. ) определяется изменением концентрации реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени

ΔC

моль

[

]

υ гомог.

=+/-

Δt

л · с

Скорость гетерогенной реакции (υ гетер. ) определяется изменением количества вещества в единицу времени на единице поверхности соприкосновения веществ

Δ n

υ гетер.

=

Δt ∙ S

где Δ n – изменение количества вещества (реагента или продукта), (моль);

Δt – интервал времени (с, мин);

S – площадь поверхности соприкосновения веществ (см 2 , м 2 )

10

Закрепим понятие

Задача №1

Химическая реакция протекает в растворе согласно уравнению:

А+В=С

Исходная концентрация вещества А – 0,80 моль/л. Через 20 минут концентрация вещества А снизилась до 0, 74 моль/л.

Определите среднюю скорость реакции за этот промежуток времени ?

Решение

• Дано:
• С(А) = 0,80 моль/л;
• С(А1) = 0,74 моль/л;
• Δ t = 20 минут.
• Найти: υ гомог .=?
• Решение:

1. Определение средней скорости реакции в растворе производится по формуле: υ = +/- Δ C/ Δ t

Подставим значения в формулу:

υ = +/- (0,74 - 0,8)/ 20 = 0,003 моль / л∙мин. Ответ: 0,003 моль / л∙мин.

Почему протекают химические реакции?

Энергия активации Е акт - минимальный избыток энергии, который должна иметь частица (или пара частиц), чтобы произошло эффективное соударение

Энергия

Активированный

комплекс

E act

 H

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

• Природа реагирующих веществ
• Площадь поверхности твердого вещества
• Концентрация реагирующих веществ
• Давление (для газов)
• Температура
• Катализатор

υ (Zn + CH 3 COOH = H 2 + Zn(CH3COO) 2 υ (Zn + HCl = H 2 + ZnCl 2 ) υ (Zn + CH 3 COOH = H 2 + Zn(CH3COO) 2 скорость больше у металлов, которые легче отдают электроны (с большим радиусом атома) скорость больше у неметаллов, которые легче принимают электроны (с меньшим радиусом атома) скорость больше у металлов, которые легче отдают электроны (с большим радиусом атома) скорость больше у неметаллов, которые легче принимают электроны (с меньшим радиусом атома) υ (2K + 2 H 2 O = H 2 + 2KOH) υ (2Na + 2 H 2 O = H 2 + 2NaOH) υ (2K + 2 H 2 O = H 2 + 2KOH) υ (2Na + 2 H 2 O = H 2 + 2NaOH) 14" width="640"

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

• Природа реагирующих веществ

Под природой реагирующих веществ понимают их состав, строение, взаимное влияние атомов в веществах, что определяет энергию активации молекул.

▪ чем меньше Е акт , тем больше υ;

• скорость больше у веществ с ионной и ковалентной полярной связью (неорганические вещества) скорость меньше у веществ с ковалентной малополярной и неполярной связью (органические вещества )
• скорость больше у веществ с ионной и ковалентной полярной связью (неорганические вещества)
• скорость меньше у веществ с ковалентной малополярной и неполярной связью (органические вещества )

υ (Zn + HCl = H 2 + ZnCl 2 ) υ (Zn + CH 3 COOH = H 2 + Zn(CH3COO) 2

• υ (Zn + HCl = H 2 + ZnCl 2 ) υ (Zn + CH 3 COOH = H 2 + Zn(CH3COO) 2

• скорость больше у металлов, которые легче отдают электроны (с большим радиусом атома) скорость больше у неметаллов, которые легче принимают электроны (с меньшим радиусом атома)
• скорость больше у металлов, которые легче отдают электроны (с большим радиусом атома)
• скорость больше у неметаллов, которые легче принимают электроны (с меньшим радиусом атома)

υ (2K + 2 H 2 O = H 2 + 2KOH) υ (2Na + 2 H 2 O = H 2 + 2NaOH)

• υ (2K + 2 H 2 O = H 2 + 2KOH) υ (2Na + 2 H 2 O = H 2 + 2NaOH)

14

1. Природа реагирующих веществ

Задание для 1 группы экспертов

• Рассмотреть влияние на скорость химических реакций природы реагирующих веществ на примере взаимодействия металлов с водой. Налейте в две пробирки по 3-4 мл воды и опустите в каждую по кусочку металла: в 1-ю — М g , во 2-ю — Cu (в виде проволоки). Что наблюдаете? Нагрейте пробирки. Что наблюдаете? Добавьте в каждую пробирку по капле фенолфталеина. Что наблюдаете? Напишите уравнения реакций.

▪ чем меньше Е акт , тем больше υ;

Если Е акт

скорость такой реакции очень большая.

4 FeCl 3 + 3 K 4 [Fe(CN) 6 ] →

Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 + 12 KCl

берлинская лазурь

14

18

120 кДж/моль, скорость таких реакций очень мала. 4Fe + 2Н 2 О + ЗО 2 = 2(Fe 2 O 3 • Н 2 О) ржавление железа 18" width="640"

Если Е акт 120 кДж/моль,

скорость таких реакций очень мала.

4Fe + 2Н 2 О + ЗО 2 = 2(Fe 2 O 3 • Н 2 О)

ржавление железа

18

Если Е акт имеют промежуточные значения

(40 – 120 кДж/моль),

то скорость таких реакций будет средней.

2Na + 2H 2 O → 2NaOH + H 2

+ С 2 Н 4 →

бромная вода

18

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

2. Поверхность соприкосновения реагирующих веществ

Задание для 2 группы экспертов

Проведите опыт

• Возьмите два небольших кусочка мела, один из которых разотрите в порошок и высыпьте их в воздушные шарики.
• В две пробирки налейте по 10 мл соляной кислоты HCI , наденьте на них шарики и одновременно высыпьте в пробирки порошок и кусочки мела.
• Что наблюдаете? Сделайте вывод о влияние поверхности соприкосновения реагирующих веществ на скорость химических реакций

3. Концентрация реагирующих веществ

для 3 группы экспертов

Проведите опыт

• Рассмотрите влияние концентрации реагирующих веществ на скорость химических реакций на примере взаимодействия тиосульфата натрия с серной кислотой: Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 O + SO 2 + S
• В три стаканчика цилиндрами налить: в первый – 10 мл 1н раствора тиосульфата натрия + 20 мл дист. воды; во второй – 20 мл раствора тиосульфата натрия + 10 мл дист. воды; в третий – 30 мл раствора тиосульфата натрия. Таким образом, концентрации тиосульфата в трех пробирках будут находиться в соотношении 1:2:3
• В другие три стаканчика налейте по 10 мл 1н раствора серной кислоты.
• К первому раствору быстро прилейте раствор серной кислоты и одновременно включите секундомер. С появлением легкой мути секундомер выключите, время в секундах запишите в таблицу.

• Момент сливания растворов нужно считать началом реакции, а появление легкой мути (начало образования осадка) от выпавшей в осадок серы – концом реакции.
• Аналогично проведите опыт со вторым и третьим растворами. Концом реакции считать одинаковую интенсивность помутнения. В этих опытах определяют не абсолютную скорость реакции, а промежуток времени между началом реакции и её видимым результатом.
• Сделайте вывод о влиянии концентрации реагирующих веществ на скорость химических реакций.

21

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

3 . Концентрация : чем ↑ С, тем чаще происходят соударения и υ ↑.

Закон действующих масс (з. д. м.):

1867 г.

Скорость химической реакции (υ х.р. ) прямо пропорциональна

произведению концентраций реагирующих веществ,

взятых в степенях их коэффициентов в уравнении реакции

К.Гульдберг и П.Вааге

21

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

Для реакции а A + в B = C по закону действующих масс:

υ = k ∙ С A а ∙ C B в

где k – константа скорости;

С – концентрация (моль/л)

* З.д.м. не учитывает концентрации реагирующих веществ, находящихся в твердом состоянии, т.к. они реагируют на поверхности и их концентрации обычно остаются постоянными.

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

Задача 2.

Реакция идет по уравнению А +2В → С. Во сколько раз и как изменится скорость реакции при увеличении концентрации вещества В в 3 раза?

Решение:

А +2В → С

По з.д.м. υ = k ∙ С A ∙ C B 2

Пусть С А = а, С В = в, тогда

υ 1 = k ∙ а ∙ в 2

υ 2 = k ∙ а ∙ (3в) 2

υ 1 / υ 2 = а ∙ в 2 / а ∙ 9в 2 = 1/9

Дано:

↑ С В в 3 раза

Найти:

Как изменится

υ х.р.

Ответ: скорость реакции увеличится в 9 раз

21

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

4. Для газообразных веществ υ х.р. зависит от давления

(что аналогично изменению концентрации

реагирующих веществ. Давление и молярная концентрация газа связаны прямо пропорционально )

• Чем ↑ р, тем ↑ υ

21

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

5. Температура

Задание для 4 группы экспертов

Проведите опыт

• В две пробирки поместите небольшое количество оксида меди и в каждую прилейте 2-3 мл серной кислоты. Одну из пробирок нагрейте.
• Дайте пояснения: Что наблюдали в результате реакции? Почему реакции имеют разные скорости?
• Сформулируйте зависимость скорости химической реакции от увеличения температуры.

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

4. Температура: при увеличении ↑ температуры t на каждые 10 0 С, скорость химической реакции υ увеличивается ↑ в 2-4 раза (правило Вант-Гоффа)

При ↑ t, ↑ количество активных частиц (с Е акт ) и их активных соударений.

21

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

Задача 3.

Скорость некоторой реакции при 0 0 С равна 1 моль/л ∙ ч, температурный коэффициент реакции ɣ равен 3. Какой будет скорость данной реакции при 30 0 С?

Дано:

υ t 1 = 1 моль/л ∙ ч

γ =3

t 1 = 0 0 С

t 2 = 30 0 С

Найти: υ t 2

Решение:

υ t 2 = υ t 1 ∙ γ Δt/10

υ t 2 =1∙3 30 - 0/10 = 3 3 = 27 моль/л∙ч

Ответ: Скорость данной реакции при 30 0 С будет равна 27 моль/л∙ч

21

υ ↑. ▪ Катализаторы остаются неизменными по окончании реакции ▪ Ферменты – биологические катализаторы белковой природы ▪ Ингибиторы – вещества, которые понижают↓ υ 21" width="640"

2. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов

6. Катализаторы – вещества, которые изменяют механизм реакции, уменьшают Е акт = υ ↑.

▪ Катализаторы остаются неизменными по окончании реакции

▪ Ферменты – биологические катализаторы белковой природы

▪ Ингибиторы – вещества, которые понижают↓ υ

21

21

21

21

Е

А … В

без Kat

с Kat

А … К

АК … В

А + В

А+В+К

АВ

АК

АВ+К

Промежут. соед.

Координата реакции

Выводы по теме урока

• Химические реакции протекают с различными скоростями. Величина скорости реакции не зависит от объёма в гомогенной системе и от площади соприкосновения реагентов – в гетерогенной.
• На пути всех частиц, вступающих в химическую реакцию, имеется энергетический барьер, равный энергии активации E а.
• Скорость реакции зависит от факторов :

-природа реагирующих веществ;

-температура;

-концентрация реагирующих веществ;

- действие катализаторов;

-поверхность соприкосновения реагирующих веществ (в гетерогенных реакциях).

Выводы по теме урока

• Величина энергии активации веществ – это фактор, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции. Чем меньше энергия активации, тем больше эффективных соударений реагирующих частиц.
• При увеличении температуры на 10 º С общее число активных соударений увеличивается в 2-4 раза.
• Чем больше концентрации реагентов, тем больше соударений реагирующих частиц, а среди них и эффективных соударений.
• Катализатор изменяет механизм реакции и направляет её по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации. Ингибитор замедляет ход реакции.
• Гетерогенные реакции протекают на поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Нарушение правильной структуры кристаллической решётки приводит к тому, что частицы на поверхности образующихся микрокристаллов значительно реакционноспособнее, чем те же частицы на «гладкой» поверхности.

Цель:

Формирование знаний

о скорости химической реакции,

о факторах, влияющих на нее,

и математических выражений скорости химической реакции.

Ключевой вопрос

Что понимают под скоростью химической реакции и от каких факторов она зависит?

Начальная мотивация учебной деятельности

Почему многие продукты питания мы готовим на огне, а храним в холодильнике?

Домашнее задание

•   О.С.Габриелян, И.Г.Остроумов. Химия: учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образования-12-е изд., стер.-М.: Академия, 2014- 336с. Стр.104-109,
• Ответить на вопросы и решить задачи в конце главы 6.1