РАЗДЕЛ И. ОБЩАЯ ХИМИЯ

4. Химическая реакция

4.8. Скорость химической реакции. Катализатор

Раздел химии, изучающий скорость химических реакций, называют химической кинетикой. Рассмотрим содержание некоторых понятий, которые используют в этом разделе.

Скорость химической реакции характеризуется изменением концентрации реагентов (или продуктов реакции) за единицу времени.

Если реакции происходят в однородной среде (например, реакции между газами или жидкостями), их называют гомогенными; если в неоднородном (например, между газом и твердым телом), то гетерогенными.

Во втором случае реакции происходят на поверхности соприкосновения веществ, которую называют поверхностью раздела фаз. Фаза - это часть системы, которая отделяется от других частей системы поверхностью раздела.

Скорость гомогенной реакции определяется количеством вещества, вступившего в реакцию или образовалась в результате реакции за единицу времени в единице объема:

где v_гомог. - скорость реакции в гомогенной системе, моль/с·м³ или моль/с·л;

Δс - изменение концентрации, моль/м³, моль/л;

Δt - интервал времени, с.

Скорость гетерогенной реакции определяется количеством вещества, вступившего в реакцию или образовалась в результате реакции за единицу времени на единице поверхности раздела фаз:

где v_гетер. - скорость реакции в гетерогенной системе, моль/м²·с;

Δv = v₁ - v₂ - изменение количества вещества, моль;

S - площадь раздела фаз, м²;

Δt - интервал времени, с.

Скорость химической реакции зависит от различных факторов:

1) от природы реагентов. Например, металлы реагируют с хлоридной кислотой с разной скоростью: магний быстрее, чем железо, а медь не реагирует вообще:

Галогены реагируют с водородом с разной скоростью: хлор скорее йод;

2) от концентрации реагентов (для веществ в жидкой и газообразной фазе). Например, реакция окисления нитроген(II) оксида чистым кислородом происходит быстрее, чем реакция окисления кислородом воздуха:

В 1865 г. М. М. Бекетов, а в 1867 г. К. Гульдберг и П. Вааге установили количественную зависимость скорости реакции от концентрации веществ, реагирующих. Эта зависимость выражается законом действующих масс: скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению концентраций реагентов.

Для простых одностадийных реакций концентрации веществ подносят к степени, который определяется стехиометрическим коэффициентом реагента. Например, для реакции

где а, б, в, г - коэффициенты,

A, b - формулы реагентов,

B, Г - формулы продуктов реакции,

где v - скорость реакции,

с^a(А), с^б(Б) - молярные концентрации реагентов А и Б,

а, б - коэффициенты,

k - константа скорости.

Это выражение называют кінетичнім уравнением. Напомним, что в кинетические уравнения вводят только концентрации веществ, находящихся в газообразном и жидком состояниях. Например:

а) для реакции

б) для реакции

3) от площади поверхности реагентов (когда один из реагентов находится в твердой фазе). Реакции происходят быстрее, если площадь поверхности веществ, которые реагируют, большая. Площади контакта веществ увеличивают, измельчая твердый реагент. Например, сахар (сахар-песок или кусочек рафинада) горит только в пламени, а сахарная пудра вспыхивает от искры¹;

4) от температуры - правило Вант-Гоффа²: с повышением температуры на каждые 10 °С скорость большинства химических реакций увеличивается в 2-4 раза:

где v_t2 - скорость реакции при температуре t₂,

v_t1 - скорость реакции при температуре t₁,

γ - температурный коэффициент (γ = 2...4).

Даже небольшое повышение температуры вызывает резкое увеличение скорости реакции. Это объясняется тем, что взаимодействовать могут лишь те частицы, энергия которых будет достаточным для ослабления или разрыва химических связей в исходных веществах. Такие частицы называют активными. При повышении температуры число активных частиц возрастает, соответственно возрастает и скорость реакции. Например, железо с хлором при комнатной температуре реагирует медленно, а при высоких температурах идет бурная реакция; водород вступает в реакцию с оксидами металлических элементов только во время нагрева:

5) от наличия катализатора - вещества, которое изменяет скорость химической реакции (но само при этом не расходуется).

Так, синтез аммиака из азота и водорода происходит только при наличии железа со специальными добавками:

Реакция окисления аммиака кислородом происходит только при наличии платины:

Химические реакции, которые происходят при участии катализаторов, называют каталитическими, а само явление изменения скорости реакции при наличии катализатора - катализом³.

Одни вещества увеличивают скорость реакции (положительный катализ), их называют катализаторами. Другие вещества уменьшают скорость реакции (отрицательный катализ), их называют ингибиторами. Большинство химических реакций, которые происходят в природе, является каталитическими. Наиболее известным и распространенным катализатором является вода. Живые системы используют биологические катализаторы, которые имеют белковую природу; их называют ферментами (энзимами).

Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенный катализ происходит при наличии катализатора, который находится в таком же агрегатном состоянии (в одной фазе), что и реагенты (жидком или газообразном). О гетерогенный (контактный) катализ говорят тогда, когда реагенты и катализатор находятся в разных агрегатных состояниях, то есть в разных фазах (катализатор обычно твердый, а реагенты - жидкие или газообразные).

Считают, что катализатор образует с реагентами промежуточные соединения. Например, реакция

А + В = АВ

без катализатора происходит очень медленно. Если использовать катализатор К, то он вступит в реакцию с одним из реагентов, образовав промежуточное соединение АК:

А + К = АК,

значительно активнее за вещество А и легко взаимодействует с веществом В:

АК + В = АВ + К

Таким образом катализатор не входит в состав конечных продуктов реакции, а следовательно, его количество остается неизменной.

_____________________________________________________________________

¹ Способны к окислению вещества, измельченные в порошок, являются взрывоопасными: мука, угольная пыль и т.п. могут самопроизвольно (при отсутствии искры или открытого пламени) вспыхивать и взрываться.

² Эмпирическое правило, которое на основе многих экспериментов вывел голландский химик Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852-1911), первый лауреат Нобелевской премии по химии, 1901 г. Правило действует лишь в нешироком температурном диапазоне (от 0 до 100 °С).

³ Термин «катализ» ввел 1835 г. шведский химик Йонс Якоб Берцелиус (1779-1848).