Тема 4 Кинетика химических реакций

1. ТЕМА №4: КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Рассматриваемые вопросы:
1. Основные понятия химической кинетики.
2. Понятие о скорости химической реакции. Факторы
влияющие на скорость химической реакции.
3.
Зависимость
скорости
химической
реакции
от
концентрации реагирующих веществ. Закон действия масс.
4.
Зависимость
скорости
химической
реакции
от
температуры. Правило Вант-Гоффа.
5. Константа скорости химической реакции. Энергия
активации.
6. Влияние катализатора на скорость химической реакции.
7. Цепные реакции.
1

2.

1. Основные понятия химической кинетики
Химическая кинетика – наука о скоростях
механизмах химических реакций.
и
Реакции могут быть гомогенными и гетерогенными, в
зависимости от того, в каких системах они протекают.
Любая система состоит из одной или нескольких фаз.
Фаза – однородная часть системы с характерными для
нее свойствами, отделенная от других частей
поверхностью раздела.
2

3.

Гомогенные – системы, состоящие только из одной
фазы.
Реакции в таких системах называются гомогенными.
Гетерогенные – системы, состоящие из нескольких
фаз.
Реакции в таких системах называются гетерогенными.
3

4.

2. Понятие о скорости химической реакции
С, моль/дм3
Продукты реакции
С1исх
С2прод
С2исх
Исходные вещества
С1прод
t1
t2
t, с
Скорость химической
реакции
–
изменение
концентрации
реагирующих веществ или
продуктов
реакции
в
единицу времени в единице
объема (для гомогенной
реакции) или на единице
поверхности раздела фаз
(для
гетерогенной
реакции).
4

5.

C С2 С1 моль
ср
,
,
3
t t2 t1 дм с
моль
;
где С - молярная концентрация вещества,
3
дм
τ - время протекания реакции, с.
Знак «–» ставится для исходных веществ,
знак «+» для продуктов реакции.
5

6.

Факторы влияющие на скорость химической реакции:
1) природа реагирующих веществ, их состояние;
2) концентрация реагентов;
3) общее давление в системе (для реакций с участием газов);
4) температура;
5) наличие катализаторов или ингибиторов и др.
6

7.

3. Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов.
Закон действия масс.
Закон действия масс – при постоянной температуре скорость
химической реакции прямо пропорциональна произведению
концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их
стехиометрическим коэффициентам.
mА nВ сС
m
n
k A B
где k – константа скорости химической реакции;
[A], [B] – молярные концентрации реагирующих веществ A и B,
моль/дм3;
m и n – стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции для
реагирующих веществ A и B.
7

8.

Для гомогенной реакции
2 NO г O2 г 2 NO2 г
закон действия масс запишется в следующем виде:
k NO O2
2
Для гетерогенной реакции FeO тв H 2 г Fe тв H 2O г
закон действия масс запишется в следующем виде:
k H2
В закон действия масс входят только фазы переменной
концентрации (ж, г), фазы постоянной концентрации (т) не
учитываются
8

9.

Задача.
Как изменится скорость реакции 2NO(г) + Cl2(г) = 2NOCl(г), если
концентрацию оксида азота увеличить в 2 раза; концентрацию хлора
увеличить в 2 раза; концентрацию всех реагентов увеличить в 2 раза?
Решение. Для этой реакции закон действия масс запишется:
2
vo = k [NO] [Cl2 ]
k 2 NO Cl2
v1
v1 k 2 NO Cl2 , т. е.
4;
2
vo
k NO Cl2
2
2
k NO 2Cl2
v2
v2 k NO 2Cl2 ,
2;
2
v1
k NO Cl2
2
2
k 2 NO 2Cl2
v3
v3 k 2 NO 2Cl2 ,
8.
2
v2
k NO Cl2
2
2
9

10.

4. Зависимость скорости химической реакции от температуры.
Правило Вант-Гоффа
Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на
каждые 10 С скорость химической реакции увеличивается в
среднем в 2-4 раза.
t
2
t
t
10
t2 t1
10
,
1
где – температурный коэффициент скорости химической
реакции, имеющий значения в пределах от 2 до 4.
νt2 и νt1 – скорости реакции при конечной t2 и начальной t1
температурах.
10

11.

Правило Вант-Гоффа можно записать через время протекания
реакции.
tt
1
tt
t2 t1
10 ,
2
где τt2 и τt1 – время протекания реакции при температурах t2 и t1,
соответственно.
11

12.

Задача. Как измениться скорость химической реакции при
увеличении температуры от 60 до 100 С, если ее температурный
коэффициент равен 3?
Решение.
Поскольку концентрации веществ в системе неизменны, то по
правилу Вант-Гоффа
t
2
t
t2 t1
10
100 60
10
3
3 81
4
1
Скорость реакции в результате повышения температуры
системы возрастет в 81 раз.
12

13.

5. Константа скорости химической реакции. Энергия
активации
Физический смысл константы скорости реакции:
константа скорости химической реакции численно равна
скорости химической реакции, когда произведение
концентраций реагирующих веществ равно единице.
ν k , при A 1 и B 1
Константа скорости зависит от природы реагирующих
веществ, температуры, давления, катализатора, площади
соприкосновения двух фаз (в гетерогенной системе), но не
зависит от концентрации реагирующих веществ.
13

14.

активированный 2
комплекс
1
E
исходные
вещества
Eакт
1 – экзотермическая;
2 – эндотермическая
реакции
продукты
реакции
∆Hэнд
∆Hэкз
Путь реакции
Энергия активации – энергия, которая необходима молекулам
со средней энергией для того, чтобы произошло взаимодействие.
14

15.

В активированном комплексе связи в молекулах исходных
веществ ослаблены и уже частично сформированы новые связи.
15

16.

6. Влияние катализатора на скорость химической реакции
Катализаторы – вещества, которые влияют на скорость
химической реакции, количественно и качественно при этом не
изменяясь.
Е
Еакт
A+B+K
Е1
Е2
Катализаторы образуют
активированные комплексы,
при которых получаются
продукты
реакции
с
меньшей
энергией
активации.
AK+B
AB+K
Путь реакции
16

17.

Катализ – процесс с участием катализатора.
положительный катализ – скорость реакции увеличивается (Eакт↓ );
отрицательный катализ – скорость реакции замедляется (Eакт↑).
Катализ бывает гомогенный и гетерогенный.
Гомогенный катализ – катализатор и реагирующие вещества
находится в одно и той же фазе.
Гетерогенный катализ – катализатор и реагирующие вещества
находится в разных фазах.
Ингибитор –
вещество, способное понизить скорость
химических реакций или вообще их предотвратить.
17

18.

7. Цепные реакции.
Цепные реакции – реакции протекающие с участием
свободных радикалов.
Радикал – короткоживущая валентноненасыщенная
частица: атом или группа атомов с неспаренным
электроном.
18

19.

Типы цепных реакций:
1) с неразветвленными цепями;
2) с разветвленными цепями.
В любой цепной реакции можно выделить три основных
стадии:
– зарождение цепи;
– рост цепи;
– обрыв цепи.
Разветвленная цепная реакция – если в результате одного
первичного процесса возникают две и более активные частицы.
Неразветвленная цепная реакция – если из одной частицы
возникает одна частица.
19

20.

Неразветвленная цепная реакция
Например, фотохимический синтез
возникает
в
результате
атомов–радикалов.
Cl2 → 2Cl
HCl. Цепь
образования
- зарождение цепи
H2 + Сl• → HCl + H• - развитие цепи
H• + Cl2 → HCl + Cl
H• + H• → H2
H• + Cl• → HCl
- обрыв цепи
20

21.

Несмотря на то, что биохимические
реакции протекают в основном по
цепному механизму, избыток радикалов
повреждает живые клетки.
Антиоксиданты уменьшают влияние
опасных окислителей путем связывания
с этими молекулами.
21