Проект "Скорость химических реакций"

        Проект по химии

Скорость химических реакций

        Авторы:

                                                                                      Ученики 10-д класса

                                                                                      Штейман Александра

                                                                                      Матвеев Алексей

                                                                                      Холодов Дмитрий

                Учитель- Дунаева И.И.

Содержание.

Введение.

Почему некоторые  химические реакции протекают мгновенно, а некоторые – в течение нескольких часов или дней? Некоторые химические процессы мы хотим провести очень быстро, а некоторые – хотим замедлить. Химические реакции протекают с разными скоростями. Из известных на сегодняшний день реакций самая быстрая протекает в 1040 раз быстрее, чем самая медленная. Что такое скорость химической реакции и как можно повлиять на её изменение. Такие вопросы мы задавали себе, изучая эту очень интересную тему.

Мы поставили перед собой цель: изучить факторы, влияющие на скорость химических реакций.

Задачи работы: создать презентацию для урока по теме, изучить литературу по данной теме, провести эксперименты по изучению факторов, влияющих на скорость химических реакций.

1. Литературный обзор.

Превращение графита в алмаз в недрах Земли - очень медленная реакция. А взрыв смеси кислорода с водородом происходит практически мгновенно. Как сравнить скорости реакций количественно? Скорость - это изменение некоторой величины во времени. Рассмотрим реакцию:

H2 + I2 = 2HI

Скорость химической реакции — изменение количества вещества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. Является ключевым понятием химической кинетики. Скорость химической реакции — величина всегда положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение умножается на −1.

Например,  для реакции: А+В=С

выражение для скорости будет выглядеть так:

 v=d(С)\dt=-d(A)\dt

В 1865 году Н. Н. Бекетовым и в 1867 году Гульдбергом и Вааге был сформулирован закон действующих масс: Скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведенным в некоторые степени. Для элементарных реакций показатель степени при значении концентрации каждого вещества часто равен его стехиометрическому коэффициенту, для сложных реакций это правило не соблюдается. Кроме концентрации на скорость химической реакции оказывают влияние следующие факторы:

1. природа реагирующих веществ,
2. наличие катализатора,
3. температура (правило Вант-Гоффа),
4. давление,
5. площадь поверхности реагирующих веществ.

Если мы рассмотрим самую простую химическую реакцию A + B → C , то мы заметим, что мгновенная скорость химической реакции величина непостоянная.  

 1.1 Влияние природы реагирующих веществ

Константа скорости реакции зависит в первую очередь от природы реагирующих веществ. Калий быстрее взаимодействует с водой, чем натрий, а литий - еще медленнее натрия. Водород реагирует с кислородом очень быстро (часто со взрывом), а азот с кислородом - крайне медленно и лишь в жестких условиях (электрический разряд, высокие температуры).

1.2. Влияние площади  поверхности реагирующих веществ.

Пока что для простоты рассматривались гомогенные реакции, т.е. реакции, которые протекают в однородной среде, например, в смеси газов или в растворе. Но существует множество гетерогенных процессов, идущих на поверхности соприкосновения:

твердого вещества и газа: S + O2 = SO2,

твердого вещества и жидкости:

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2,

двух несмешивающихся жидкостей:

C3H7Br + KCN (водн.) = C3H7CN + KBr(водн.)

1.3. Влияние температуры.

При увеличении температуры увеличивается скорость движения молекул и их кинетическая энергия, уменьшается прочность связей, все это приводит к возрастанию числа частиц с энергией, равной энергии активации, и увеличению скорости реакции.

1.4. Влияние концентрации реагирующих веществ

Чем больше концентрация реагирующих веществ, тем чаще их частицы соударяются, и тем больше скорость реакции. Для реакции aA + bB =dD, протекающей в одну стадию, скорость реакции v = k·(cA)a·(cB)b. Это выражение называется законом действующих масс для скорости реакции. Постоянная (при постоянной температуре) величина k называется константой скорости реакции. Она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагентов. Чтобы вещества прореагировали, необходимо, чтобы их молекулы столкнулись. Вероятность столкновения двух людей на оживленной улице гораздо выше, чем на пустынной. Так и с молекулами. Очевидно, что вероятность столкновения молекул на рисунке слева выше, чем справа. Она прямо пропорциональна количеству молекул реагентов в единице объема, т.е. молярным концентрациям реагентов. В середине XIX в. (1865 г. - Н.Н.Бекетов, 1867 г. - К.Гульдберг, П.Вааге) был сформулирован основной постулат химической кинетики, называемый также законом действующих масс: Скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов, возведенным в некоторые степени: v = k[A]n[B]m,   для реакции aA + bB = ...Числа n, m в выражении закона действующих масс называются порядками реакции по соответствующим веществам. Это экспериментально определяемые величины. Сумма показателей степеней n, m называется общим порядком реакции. Обратите внимание, что степени при концентрациях А и В в общем случае не равны стехиометрическим коэффициентам в реакции! Они становятся численно равными только в том случае, если реакция протекает именно так, как записывается (такие реакции называются простыми или элементарными и достаточно редки). В большинстве случаев уравнение реакции отражает лишь суммарный результат химического процесса, а не его механизм. Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости реакции. Значение константы скорости реакции постоянно для данной реакции при данной температуре. *В закон действующих масс не входят концентрации твердых веществ, т.к. реакции с твердыми веществами протекают на их поверхности, где "концентрация" вещества постоянна. Cтв+O2=CO2, v=k[C]m[O2]n=k'[O2]n; k'=k[C]m

1.5. Наличие катализатора. 

Есть вещества, которые влияют на скорость химической реакции, не являясь при этом реагентами. Они принимают в реакции самое непосредственное участие, но в результате реакции остаются неизменными. Такие вещества называются катализаторами, если они ускоряют реакцию, и ингибиторами, если замедляют ее. 75% химической промышленности использует каталитические процессы. Среди них - как крупнотоннажные производства: синтез аммиака и его окисление, производство серной кислоты, так и тонкие многостадийные синтезы, например, лекарственных средств. Все биохимические реакции, протекающие в живых организмах, требуют участия природных катализаторов - ферментов. Ферменты представляют собой крупные белковые молекулы с так называемым активным центром - как правило, это химически связанная с белком молекула небелковой природы или ион металла. Ферменты обладают непревзойденной активностью (т.е. скоростью каталитического процесса), ускоряя реакции в миллиарды и триллионы раз при комнатной температуре. При высоких температурах они теряют активность, так как белок денатурируется. Кроме того, ферменты характеризуются чрезвычайной избирательностью (селективностью), превращая лишь строго определенные вещества в строго определенные продукты. Они способны на это благодаря своей уникальной форме, к которой реагенты должны подойти, как ключ к замку. Действие катализаторов основано на том, что они уменьшают энергию активации реакции. В упрощенном виде механизм действия катализатора можно представить следующим образом. Изменение энергии активации реакции происходит за счет образования катализатором К с одним из реагентов А промежуточного соединения АК: A + K = AK (1) AK + B = AB + K (2) Суммарная реакция A + B = AB Но вместо энергетического барьера этой реакции преодолеваются более низкие барьеры реакций (1) и (2): E1 и E2. Многие катализаторы не просто ускоряют реакции, а ведут их по другому пути. Так, реакция окисления аммиака без катализатора: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O не представляет никакого интереса для промышленности, а в результате каталитического окисления на платине: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O получается ценный продукт - оксид азота(II). Ингибиторы, наоборот, увеличивают энергию активации реакции. В пищевой промышленности широко используются ингибиторы, предотвращающие гидролиз жиров, реакции окисления и брожения. Ингибиторы, наоборот, увеличивают энергию активации реакции. В пищевой промышленности широко используются ингибиторы, предотвращающие гидролиз жиров, реакции окисления и брожения. Особый случай катализа - аутокатализ, или ускорение реакции одним из ее продуктов. При этом скорость реакции не уменьшается по мере расходования реагентов, а растет. Так, реакция

2KMnO4 + 5K2SO3 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 6K2SO4 + 3H2O

ускоряется по мере накопления ионов Mn2+, образующихся при восстановлении перманганата.

1.6. Влияние давления на скорость химической реакции.

Давление сильно влияет на скорость реакций с участием газов, потому что оно непосредственно определяет их концентрации.

В уравнении Менделеева-Клапейрона:

                         pV = nRT

перенесем V в правую часть, , а RT - в левую и учтем, что n/V = c:

                          p/RT = c

Давление и молярная концентрация газа связаны прямо пропорционально. Поэтому в закон действующих масс мы можем подставлять вместо концентрации p/RT. Давление сильно влияет на скорость реакций с участием газов, потому что оно непосредственно определяет их концентрации. В уравнении Менделеева-Клапейрона:pV = nRT перенесем V в правую часть, , а RT - в левую и учтем, что n/V = c: p/RT = c Давление и молярная концентрация газа связаны прямо пропорционально. Поэтому в закон действующих масс мы можем подставлять вместо концентрации p/RT.   Влияние давления на скорость химической реакции. (Дополнительный материал). Цепные реакции включают в свой механизм множество последовательно повторяющихся однотипных элементарных актов (цепь). Рассмотрим реакцию: H2 + Cl2 = 2HCl Она состоит из следующих стадий, общих для всех цепных реакций:

1) Инициирование, или зарождение цепи Cl2 = 2Cl· Распад молекулы хлора на атомы (радикалы) происходит при УФ-облучении или при нагревании. Сущность стадии инициирования - образование активных, реакционноспособных частиц.

 2) Развитие цепи Cl· + H2 = HCl + H· H· + Cl2 = HCl + Cl· В результате каждого элементарного акта развития цепи образуется новый радикал хлора, и эта стадия повторяется вновь и вновь, теоретически - до полного расходования реагентов. 3) Рекомбинация, или обрыв цепи 2Cl· = Cl2 2H· = H2 H· + Cl· = HCl Радикалы, оказавшиеся рядом, могут рекомбинировать, образуя устойчивую частицу (молекулу). Избыток энергии они отдают "третьей частице" - например, стенкам сосуда или молекулам примесей. Рассматриваемая цепная реакция является неразветвленной, поскольку в элементарном акте развития цепи количество радикалов не возрастает. Цепная реакция взаимодействия водорода с кислородом является разветвленной, т.к. число радикалов в элементарном акте развития цепи увеличивается:

 H· + O2 = OH· + O· O· + H2 = OH· + H· OH· + H2 = H2O + H· К разветвленным цепным реакциям относятся многие реакции горения. Неконтролируемый рост числа свободных радикалов (как в результате разветвления цепи, так и для неразветвленных реакций в случае слишком быстрого инициирования) может привести к сильному ускорению реакции и взрыву.

2. Экспериментальная часть.

В условиях школьной  лаборатории мы изучили влияние нескольких факторов на скорость химической реакции железа с кислотами.

1) Влияние площади соприкосновения реагирующих веществ.

Мы взяли в качестве реагентов соляную кислоту и железо в виде опилок и железного гвоздя. Результат предсказуемый – реакция быстрее проходила в той пробирке, где находились железные опилки.

2) Влияние природы реагирующих веществ.

В качестве реагентов взяли железо и 2 кислоты: соляную и уксусную одинаковой концентрации. Соляная кислота сильнее, скорость химической реакции выше.

3) Влияние температуры.

Температура увеличивает скорость данной химической реакции.

4) Влияние концентрации реагирующих веществ.

Чем выше концентрация кислоты, тем выше скорость химической реакции.

(Приложение 1).

Заключение.

Знание скоростей 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 работы были рассмотрены вопросы, определяющие факторы влияющие на скорость химической реакции. При этом рассматривались не только гомогенные реакции, но и более сложные случаи: гетерогенные, обратимые реакции. По каждому фактору приводились примеры уравнений химических реакций. Проведена экспериментальная часть, подготовлена презентация к уроку или внеклассному занятию.

Используемая  литература

1. Кубасов А. А. Химическая кинетика и катализ.

2. Пригожин И., Дефей Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966. 510 с.

3. Яблонский Г. С., Быков В. И., Горбань А. Н., Кинетические модели каталитических реакций, Новосибирск: Наука (Сиб. отделение), 1983.- 255 c.