Скорость химических реакций. Действие катализаторов.

Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема.

Если при постоянных объеме и температуре концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась от с₁ до с₂ за определенный промежуток времени от t₁ до t₂, то скорость химической реакции равна:

v= ­- (c₂ - c₁ ) / (t₂ - t₁ )=∆c/∆t,

Знак «-» в правой части уравнения означает: при мере протекания реакции (t₂ - t₁) > 0 концентрация реагирующих веществ убывает (с₂ - с₁ < 0), а так как скорость реакции не может быть отрицательной, перед уравнением ставится знак «-».

Концентрация выражается в моль/л, а скорость ­– моль/(л·с).

Скорость химической реакции зависит:

1. От природы реагирующих веществ;
2. От условий, в которых она протекает (концентрация, температура, наличие катализатора).

Природа химических реагентов оказывает ключевое влияние на скорости реакций. (Например, водород реагирует со фтором уже при комнатной температуре и очень энергично, а при взаимодействии с йодом - реакцию надо проводить при значительном нагревании).

Количественная зависимость между скоростью реакции и молярной концентрацией реагирующих веществ описывается основным законом химической кинетики – законом действующих масс.

Закон действующих масс: скорость химической реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

aA + bB +… → cC + dD +….

В соответствии с законом скорость химической реакции может быть представлена в следующем виде:

v= k[A]^vA[B]^vB,

где k - коэффициент, не зависящий от концентрации, называется константой скорости реакции,

v_A и v_B – постоянные числа – показатели порядка скорости реакции по реагентам А и В.

Сумма v_A + v_B = v называется суммарным (общим) порядком реакции.

Следует отметить, что показатели порядка скорости реакции v_A и v_B о реагентам никогда не равны стехиометрическим коэффициентам a и b (исключение может быть только в одном случае – если реакция представляет собой элементарный акт).

Для сложных реакций показатели порядка реакции не равны стехиометрическим коэффициентам и определяются только экспериментально.

Такая зависимость справедлива для газов и жидкостей (гомогенные системы). Для гетерогенной реакции (с участием твердых веществ) скорость реакции зависит еще и от величины поверхности соприкосновения между реагирующими веществами. Любое увеличение площади поверхности приводит к увеличению скорости реакции.

Влияние катализаторов на скорость химической реакции.

Катализатор - вещество, изменяющее скорость химической реакции, но остающееся неизменным после того, как химическая реакция заканчивается.

Влияние катализаторов на скорости реакций называется катализом. Когда реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, то речь идет о гомогенном катализе. При гетерогенном катализе реагенты и катализатор находятся в разных агрегатных состояниях (обычно, катализатор - в твердом, а реагенты – в жидком или газообразном).

Механизм действия катализаторов (упрощенный).

В ходе катализируемой химической реакции происходит образование промежуточных продуктов (образование связи между катализатором и реагирующим веществом).

А +В = АВ,

Реакция без катализатора идет очень медленно, а при добавлении катализатора К, о реагирует с одним из исходных веществ (например, с А), образуя очень непрочное и реакционноспособное промежуточное соединение АК:

А + К = АК,

Это промежуточное соединение реагирует с другим исходным веществом В, образуя конечный продукт АВ и катализатор выходит в первоначальном виде:

АК + В = АВ + К.

Катализатор может участвовать в реакции бесконечное число раз. Но следует учесть, что в реакциях могут присутствовать соединения, понижающие активность катализатора. Такие вещества называется каталитическими ядами, а сам процесс – отравлением.

Гомогенный катализ.

2SO₂ + O₂= 2SO₃ (1),

(А + В = АВ),

Катализатор – NO.

O₂ + 2NO = 2NO₂ (2),

(В + К = ВК),

2NO₂ + 2SO₂ = 2SO₃+ 2NO (3),

(ВК + А = АВ + К).

Гетерогенный катализ.

При гетерогенном катализе происходит адсорбция реагирующих веществ поверхностью катализатора (она неоднородна, и здесь расположены активные центры, под действием которых связь между атомами реагентов ослабляется, молекула деформируется, а иногда даже распадается).

2SO₂ + O₂ = 2SO_3,

Катализатор V₂O₅, Pt.

SO₂ + V₂O₅ = SO₃ + 2VO_2,

2VO₂ + ½ O₂= V₂O₅.

Для катализатора характерна избирательность действия (определенный катализатор для определенной реакции). Подбор оптимальных катализаторов является насущной проблемой многих производств: переработка газов, крекинг углеводородов, нефтяная промышленность, получение полимеров, каучука и т. д.

В живой природе катализаторы также играют большую роль, только называются они ферментами.