Поняття про швидкість хімічних реакції. Її залежність від природи реагуючих речовин.

Формальна кінетика дає математичний опис швидкості реакції без урахування механізму цієї реакції.

Швидкість хімічної реакції – це кількість речовини, що реагує за одиницю часу в одиниці об'єму, тобто зміна концентрації реагуючої речовини за одиницю часу:
Швидкість реакції виражається наступним кінетичним рівнянням: V = k·СА·СВ,
Швидкість хімічної реакції залежить від:

1) температури: у разі підвищення температури на кожні 10 °С швидкість реакції зростає у два-чотири рази (правило Вант-Гоффа), Для початку хімічної реакції реагенти повинні мати певний запас енергії. Ця енергія Еа називається енергією активації, тобто це енергія, яку повинні мати молекули, що зіштовхуються, щоб зіткнення привело до хімічного перетворення.

2) природи реагентів,

3) концентрації реагентів (Закон діючих мас),

4) опромінення,

5) присутності каталізатора.

Константа швидкості реакції залежить в першу чергу від природи реагуючих речовин. Калій швидше взаємодіє з водою, ніж натрій, а літій - ще повільніше натрію. Водень реагує з киснем дуже швидко (часто з вибухом), а азот з киснем - вкрай повільно і лише в жорстких умовах (електричний розряд, високі температури).

 

Під «природою реагуючих речовин» розуміють:

1. для речовин молекулярної будови - тип хімічних зв'язків у молекулах реагентів, міцність зв'язків. Щоб молекула прореагувала, зв'язок в ній необхідно розірвати.

2. для речовин немолекулярное будови (іонний або атомний кристал) - будова кристалічної решітки, її міцність.

3. для речовин, у яких «молекула» складається з одного атома (наприклад, метали, благородні гази) - будова електронної оболонки атома, міцність зв'язування зовнішніх електронів.

4. для молекул складної форми - ймовірність сприятливого для реакції взаємного розташування реагентів при зіткненні.

9. Сформулювати закон діючих мас для швидкості хімічних реакцій. Записати кінетичне рівняння для гомогенної та гетерогенної реакції. Фіз. зміст константи швидкості реакції.
а)швидкість реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин у ступенях, що є відповідними коефіцієнтами в рівнянні реакції.

Ця закономірність має назву закону діючих мас (ЗДМ), його відкрив Бекетов (рос.) і Гульдберг та Вааге (норвез.). б) Коефіцієнт пропорційності k називається константою швидкості реакції. Фізичний зміст константи швидкості можна встановити, якщо прийняти, що сА = сВ = cD = 1.

Тоді

υ=k,
тобто константа швидкості дорівнює швидкості реакції при умові, що концентрації всіх реагуючих речовин рівні одиниці. Константа швидкості залежить від природи реагентів, температури, каталізатора, але не залежить від концентрацій. Її називають питомою швидкістю.
в)Існує і безліч інших реакцій, що відбуваються на межах розділу фаз – між газоподібним речовиною і розчином, між розчином і твердою речовиною, між твердим і газоподібним речовинами. Такі реакції називаються гетерогенними. В якості типового прикладу гетерогенної реакції розглянемо лабораторний метод отримання водню з металевого цинку і розведеної сірчаної кислоти:

Zn (тв) + H2SO4 (р -р) = H2 (г) + ZnSO4 (р -р)

Цинк у вигляді гранул (шматочки металу неправильної форми і різної величини) поміщають в розбавлений розчин сірчаної кислоти і збирають виділяється газоподібний водень. У пробірці з однієї великої гранулою реакція йде помітно повільніше (рис. 1-10). При однаковій масі цинку в пробірках кількість виділився водню в обох дослідах буде однаковим, але в пробірці з дрібними гранулами реакція закінчиться швидше. Причина в тому, що реакція між цинком і розчином сірчаної кислоти йде тільки на поверхні контакту гранул з розчином (межа розділу фаз), а загальна поверхня у декількох дрібних гранул більше, ніж у однієї великої гранули тієї ж маси. Цинк у вигляді порошку для цієї реакції використовувати просто небезпечно – реакція починає йти настільки швидко, що суміш вихлюпується з пробірки.

Для такої гетерогенної реакції вже не можна записати кінетичне рівняння виду: v = k [Zn] [H2SO4] (1)

Один з членів цього рівняння – «молярна концентрація цинку» – не має сенсу, оскільки цинк знаходиться в твердій фазі. З досвіду ми бачимо, що на швидкість гетерогенної реакції впливає ступінь роздробленості твердої речовини. У принципі, цей фактор може враховуватися (чисто експериментально) константою швидкості реакції – тоді для реакцій з однією великою або кількома дрібними гранулами чисельні значення k будуть різними, а кінетичне рівняння реакції в загальному випадку прийме вигляд:

v = k [H2SO4] (2)

Але й таке рівняння не зможе досить добре описувати швидкість нашої реакції. По-перше, в ході реакції гранули поступово зменшуються в розмірах, площа їх поверхні змінюється і константа швидкості реакції k вже не може враховувати цю зміну. Якщо використовувати гранули з дуже чистого цинку, то до них «прилипає» утворюється водень (як це не дивно) і площа контакту реагентів змінюється непередбачувано. По-друге, на поверхні розділу фаз концентрація сірчаної кислоти зовсім не така, як у верхніх шарах розчину. У зоні реакції активно утворюється розчин солі ZnSO4, який витісняє розчин сірчаної кислоти з поверхні гранул.

Отже, ми бачимо, що в загальному випадку швидкість гетерогенної реакції залежить від:

а) швидкості підведення реагентів до межі розділу фаз;

б) швидкості реакції на поверхні розділу фаз, яка залежить від площі цієї поверхні;

в) швидкості відводу продуктів реакції від межі розділу фаз.

10. Навести приклади складних реакції (послідовні, паралельні, спряжені, ланцюгові). Фотохімічні реакції та їх роль в життєдіяльності.

Складні реакції

• Паралельні

• Оборотні

• Послідовні

• Спряжені

• Радикальні (ланцюгові)Ланцюгові реакції

Ініціація, розвиток ланцюга:

Cl2 === 2С1.

Ріст ланцюга:

1. Cl. + Н2 = HCl + H.

2. H. + Cl2 = HCl + Cl.

Обрив ланцюга:

Сl. + Cl. = Сl2

H. + H. = Н2

H. + Cl. = НСl

Паралельні реакції.

Це реакції в яких за одинакових умов утворюється декілька продуктів

наприклад: нітрування фенолу утворюються орто-, мета, паранітрофенол.

Послідовні реакції

Послідовні реакції – це реакції у яких продукт першої реакції є вихідною

речовиною наступної реакції: A BCD….

C18H32O16 + HOH = C12H22O11 + C6H12O6

Рафіноза дисахарид моносахарид

C12H22O11 + HOH = C6H12O6 + C6H12O6

дисахарид моносахариди

Спряжені реакції

A + B = M (a)

A + C = N (b)

A - актор

B - індуктор

C - промотор.

Оборотні реакції – це реакції, які проходять в двох напрямках за однакових умов.
Фотохімічні реакції відбуваються під дією УФ- або видимого випромінювання внаслідок зміни електронного стану молекул і, відповідно, їх хімічних властивостей. У збудженому стані змінюються такі властивості молекул, як спорідненість до електронів (зростає), потенціал іонізації (зменшується), кислотність, основність, енергія зв’язків, дипольні моменти.
До процесів, які розглядаються Ф., належать фотосинтез органічних речовин у рослинах, перетворення кисню на озон під дією УФ-радіації Сонця тощо. Фотохімічні реакції широко використовуються в хімічній промисловості, зокрема для фотополімеризації, а також в мікроелектроніці та лазерній техніці.

Порядок реакції.

Порядок реакції — це важлива кінетична характеристик, величина формальна й дорівнює сумі показників степенів у кінетичному рівнянні. Для визначення загального порядку реакції необхідно спочатку встановити порядок реакції за кожною реагуючою речовиною.. Для визначення порядку реакції за даною речовиною необхідно створити такі умови, щоб в процесі реакції змінювалася концентрація тільки даної речовини. Для цього концентрації всіх інших учасників повинні бути настільки великими, щоб зміною їх в часі можна було знехтуватиЗі співвідношення загальний порядок n даної реакції дорівнює

n = nA + nB + nD.

При цьому величини nA, nB, nD називаються приватними порядками реакції за речовинами А, В і D. Отже, загальний порядок реакції n дорівнює сумі приватних порядків.

Для елементарних реакцій nA = a, nB = b, nD = d.

 

З точки зору хімічної кінетики всі елементарні реакції можна класифікувати на реакції нульового, першого, другого та третього порядків.

Реакції нульового порядку – це реакції, які проходять при надлишку реагентів так, що змінювання концентрації не впливає на швидкість реакції. Реакції нульового порядку. Трапляються рідко. Прикладом таких є реакція розкладання N2O5 у газовій фазі за наявності твердого N2O5, коли постійна концентрація реагенту в газовій фазі підтримується сталою за рахунок випарювання твердого оксиду. у реакціях нульового порядку концентрація лінійно зменшується з часом.

Реакції першого порядку. відмітна ознака реакцій першого порядку- період напівперетворення не залежить від початкової концентрації реагенту. До елементарних реакцій першого порядку належать такі, які можна подати у вигляді А--- продукти.

Частіше за все це реакції розкладання. Наприклад, реакція розкладання ацетону. Класичним прикладом реакції першого порядку є реакція інверсії тростинного цукру До істинно молекулярних або, краще сказати, моноатомних процесів першого порядку відносять усі численні перетворення радіоактивних речовин.

Реакції другого порядку. Такі проходять за участі двох частинок (молекул, атомів) А1 + А2 продукти, причому концентрації речовин А1 та А2 різні

 

Pеакціі другого порядку бувають двох типів: у одному випадку реагують один з одним дві молекули одного і того ж речовини, а в іншому - дві молекули різних речовин.

Реакцій другого порядку багато. Наприклад:

Утворення йодоводню у газовій фазі, або його розклад

Н2 + І2(пар) 2HI,

2HI H2 + I2 (пар),

 

Омилення естеру лугом: CH3COOC2H5+NaOH=CH3COONa+C2H5OH

Розклад нітроген оксиду: 2NO2= 2NO+O2