Швидкість хімічних реакцій. Дія каталізаторів

 

Швидкість хімічної реакції визначається кількістю речовини, прореагировавшего в одиницю часу в одиниці об’єму.

Якщо при постійних обсязі і температурі концентрація одного з реагуючих речовин зменшилася від с1 до с2 за певний проміжок часу від t1 до t2, то швидкість хімічної реакції дорівнює:

 

v= – (c2 – c1 ) / (t2 – t1 )=∆c/∆t,

 

Знак «-» у правій частині рівняння означає: при мірі протікання реакції (t2 – t1) > 0 концентрація реагуючих речовин зменшується (с2 – с1 < 0), а так як швидкість реакції не може бути від’ємною, перед рівнянням ставиться знак «-».

Концентрація виражається в моль/л, а швидкість – моль/(л·с).

Швидкість хімічної реакції залежить:

  • Від природи реагуючих речовин;
  • Від умов, в яких вона протікає (концентрація, температура, наявність каталізатора).

Природа хімічних реагентів має ключове вплив на швидкості реакцій. (Наприклад, водень реагує із фтором при кімнатній температурі і дуже енергійно, а при взаємодії з йодом – реакцію треба проводити при значному нагріванні).

Кількісна залежність між швидкістю реакції та молярної концентрації реагуючих речовин описується основним законом хімічної кінетики – законом діючих мас.

Закон діючих мас: швидкість хімічної реакції при постійній температурі пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин.

 

aA + bB +… → cC + dD +….

 

Відповідно до закону швидкість хімічної реакції може бути представлена в наступному вигляді:

 

v= k[A]a[B]vB,

 

де k – коефіцієнт, що не залежить від концентрації, називається константою швидкості реакції,

vA і vB – постійні числа – показники порядку швидкості реакції по реагенту А і В.

Сума vA + vB = v називається загальним (спільним) порядком реакції.

Слід зазначити, що показники порядку швидкості реакції vA і vB про реагентів ніколи не дорівнюють стехіометричним коефіцієнтам a і b (виключення може бути тільки в одному випадку – якщо реакція являє собою елементарний акт).

Для складних реакцій показники порядку реакції не дорівнюють стехіометричним коефіцієнтам і визначаються тільки експериментально.

Така залежність справедлива для газів і рідин (гомогенні системи). Для гетерогенної реакції (з участю твердих речовин) швидкість реакції залежить ще і від величини поверхні зіткнення між реагують речовинами. Будь-яке збільшення площі поверхні призводить до збільшення швидкості реакції.

 

Вплив каталізаторів на швидкість хімічної реакції.

 

Каталізатор – речовина, що змінює швидкість хімічної реакції, але залишається незмінним після того, як хімічна реакція закінчується.

Вплив каталізаторів на швидкість реакцій називається каталізом. Коли реагенти і каталізатор перебувають в одному агрегатному стані, то мова йде про гомогенном каталізі. При гетерогенном каталізі реагенти і каталізатор перебувають у різних агрегатних станах (зазвичай, каталізатор – у твердому, а реагенти – в рідкому або газоподібному).

 

Механізм дії каталізаторів (спрощений).

 

В ході хімічної реакції каталізуються відбувається утворення проміжних продуктів (утворення зв’язку між каталізатором і реагує речовиною).

 

А +В = АВ,

 

Реакція без каталізатора йде дуже повільно, а при додаванні каталізатора До, реагує з одним з вихідних речовин (наприклад, з А), утворюючи дуже нетривке і реакційноздатне проміжне з’єднання АК:

 

А + ДО = АК,

 

Це проміжне з’єднання реагує з іншим вихідною речовиною, утворюючи кінцевий продукт АВ і каталізатор виходить у первісному вигляді:

 

АК + В = АВ + К.

 

Каталізатор може брати участь у реакції нескінченне число разів. Але слід врахувати, що в реакціях можуть бути присутніми сполуки, що знижують активність каталізатора. Такі речовини називається каталітичними отрутами, а сам процес – отруєнням.

 

Гомогенний каталіз.

 

2SO2 + O2= 2SO3 (1),

(А + В = АВ),

Каталізатор – NO.

 

O2 + 2NO = 2NO2 (2),

(В + К = ВК),

2NO2 + 2SO2 = 2SO3+ 2NO (3),

(ВК + А = АВ + ДО).

 

Гетерогенний каталіз.

 

При гетерогенном каталіз відбувається адсорбція реагуючих речовин поверхнею каталізатора (вона неоднорідна, і тут розташовані активні центри, під дією яких зв’язок між атомами реагентів послаблюється, молекула деформується, а іноді навіть розпадається).

 

2SO2 + O2 = 2SO3,

 

Каталізатор V2O5, Pt.

 

SO2 + V2O5 = SO3 + 2VO2,

2VO2 + ½ O2= V2O5.

 

Для каталізатора характерна вибірковість дії (певний каталізатор для певної реакції). Підбір оптимальних каталізаторів є нагальною проблемою багатьох виробництв: переробка газів, крекінг вуглеводнів, нафтова промисловість, отримання полімерів, каучуку і т. д.

У живій природі каталізатори також відіграють велику роль, тільки називаються вони ферментами.

Посилання на основну публікацію