4.21. Факторы, влияющие на скорость химических реакций кратко

Знание скоростей химических реакций и закономерностей их протекания имеет большое научное и практическое значение. Например, в химической промышленности от скорости реакций зависят конструкция, размеры и производительность аппаратуры и даже безопасность производства.

Как было отмечено в предыдущем параграфе, скорость химической реакции определяется природой реагирующих веществ. Но скорость можно увеличить или уменьшить, изменяя условия протекания реакции.

К факторам, существенно влияющим на скорость химических реакций , относятся концентрация реагентов, температура, наличие и природа катализатора, площадь поверхности соприкосновения реагентов.

Концентрация реагирующих веществ

Температура

Скорость большинства химических реакций сильно зависит от температуры. Эту зависимость в 1884 году установил голландский химик Я. Х. Вант-Гофф — первый лауреат Нобелевской премии по химии. Он сформулировал правило, названное впоследствии его именем.

При повышении температуры на каждые 10 °С скорость большинства химических реакций увеличивается в 2–4 раза.

Изучая, как изменяются свойства полимеров, лекарств, масел, смазок и многих других материалов в процессе хранения, их выдерживают некоторое время при повышенных температурах. Это значительно ускоряет химические реакции распада, гидролиза, окисления веществ и другие естественные процессы, протекание которых в итоге приводит к непригодности материалов и изделий из них. Такой способ тестирования называют ускоренным старением и используют для предварительной оценки полезного срока службы изделий или срока их годности (хранения).

Уменьшение температуры хранения пищевых продуктов замедляет химические процессы их порчи: окисления, разложения и др. Так, срок годности сливочного масла при температурах хранения +3, –6 и –16 °С составляет соответственно 35, 60 и 120 суток.

катализаторы

Проведение химических реакций в присутствии катализаторов является одним из основных способов увеличения скорости превращений веществ.

Катализ — это процесс ускорения химической реакции под действием катализатора.

Напомним, что катализаторы ускоряют химические реакции, но не входят в состав конечных продуктов. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, практически не изменяется после реакции. Химические реакции в присутствии катализатора протекают быстрее, поскольку он обеспечивает альтернативный путь превращения.

Рассмотрим действие катализатора на примере реакции:

А2 + Б2 = 2АБ.

Без катализатора эта реакция протекает медленно. Катализатор К быстро реагирует с одним из исходных веществ, например А2, и образует реакционноспособное промежуточное соединение А2K:

А2 + K = А2K (быстрая реакция).

Промежуточное соединение A2K активно взаимодействует с другим реагентом — Б2, превращаясь в продукт реакции АБ. Катализатор K высвобождается без изменения:

А2K + Б2 = 2АБ + K (быстрая реакция).

Взаимодействие реагентов A2 и Б2 по многостадийному каталитическому пути в целом протекает гораздо быстрее, чем без катализатора.

Катализатор многократно вступает в химическое взаимодействие с участниками превращения, но свой химический состав восстанавливает. Катализатор не включается в продукты реакции.

Например, реакция этерификации между карбоновой кислотой и спиртом протекает значительно быстрее в присутствии сильной минеральной кислоты:

Для окисления оксида серы(IV) SO2 в оксид серы(VI) SO3 кислородом воздуха используют катализатор V2O5:

Скорость этой реакции в присутствии катализатора увеличивается примерно в 10 000 раз.

площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ

На скорость гетерогенных реакций сильное влияние оказывает величина площади поверхности соприкосновения реагентов. Проведем два эксперимента и убедимся в этом. Для этого в две пробирки нальем разбавленную соляную кислоту равных объемов. В первую пробирку опустим кусочек мрамора (CaCO3), а во вторую — мраморную крошку (СaCO3) той же массы. Видно, что более интенсивное выделение газа происходит в пробирке с крошкой, и реакция с ней протекает быстрее, чем с кусочком мрамора.

Из повседневного опыта нам известно, что деревянные стружки и щепки сгорают быстрее, чем полено из того же дерева и той же массы. Это объясняется тем, что у стружек общая площадь горящей поверхности намного больше, чем у полена.

Таким образом, бо́льшая площадь поверхности соприкосновения реагентов обеспечивает бо́льшую вероятность контакта взаимодействующих частиц и увеличение скорости гетерогенных реакций. Предельным случаем «дробления» реагентов является их растворение и использование в виде растворов.

Вопросы, задания, задачи

1. Укажите расположение магния, цинка, железа и меди в ряду активности металлов. Как это отражается на скорости их реакции с растворами кислот?

2. Почему для протекания химической реакции, как правило, недостаточно простого столкновения частиц реагентов? Какие процессы предшествуют образованию новых связей в продуктах реакции?

3. Что такое энергия активации реакции? Почему молекулы реагентов, имеющие запас энергии меньше, чем Еа, не вступают в химическую реакцию?

4. Предложите пути увеличения скорости реакции:

2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O – Q.

5. Почему скорость большинства реакций возрастает при повышении температуры?

6. Почему многие лекарства хранят в холодильнике?

7. Какие вещества называются катализаторами? Приведите примеры известных вам реакций, протекающих в присутствии катализаторов.

8. Перечислите все факторы, увеличивающие скорость реакции синтеза аммиака:

9. В закрытом сосуде постоянного объема протекает химическая реакция: А(г) + Б(г) = В(г). До начала реакции молярная концентрация A составляла 5 моль/дм3. Скорость реакции по веществу А равна 0,06 моль/(дм3 ∙ с). Рассчитайте концентрацию вещества A через 20 с после начала реакции.

10. В химический реактор объемом 50 дм3 ввели газообразное вещество А количеством 20 моль и газообразное вещество Б количеством 60 моль, между которыми произошла реакция А(г) + 2Б(г) = В(г). Через 3 минуты концентрация вещества А уменьшилась наполовину. Определите скорость расходования вещества Б.

*Самоконтроль

1. Скорость химических реакций зависит от:

• а) поверхности соприкосновения веществ;
• б) температуры;
• в) количества вещества;
• г) молярной концентрации вещества.

2. Взаимодействие гранул цинка с соляной кислотой будет ускоряться при:

• а) увеличении концентрации кислоты;
• б) измельчении цинковых гранул;
• в) охлаждении реакционной смеси;
• г) разбавлении кислоты.

3. Без катализатора протекают реакции:

• а) NaOH + HCl = NaCl + H2O;
• б) BaCl2 + H2SO4 = BaSO4↓+ HCl;
• в) C2H4 + H2 = C2H6;
• г) AgNO3 + NaCl = AgCl↓ + NaNO3.

4. В таблице приведены значения энергии активации для реакции разложения пероксида водорода 2H2O2 = 2H2O + O2↑ без и в присутствии катализатора:

Скорость разложения пероксида водорода будет наибольшей:

• а) на платиновом катализаторе;
• б) приведенные данные не позволяют сделать такой вывод;
• в) при ферментативном разложении в присутствии каталазы;
• г) в отсутствие катализаторов.

5. При увеличении температуры на каждые 10 °С скорость некоторой реакции возрастает вдвое. Температура реакционной смеси изменилась от 20 °С до 60 °С. Скорость реакции при этом возросла в:

• а) 8 раз;
• б) 16 раз;
• в) 64 раза;
• г) 128 раз.