§1 Скорость химической реакции

Го-го-го-го-го!

Что там у нас с понятием скорости в физике 7 класса?

Одинаковое расстояние можно преодолеть за разное время.

Отсюда, скорость движения — величина численно равная пути, проходимому телом в единицу времени. В общем, чтобы найти скорость тела при равномерном движении надо пройденный телом путь разделить на время движения (v = s/t). Где мой 7 класс😭

Как же было прекрасно и беззаботно…

Ок, а в химии чего? Скорость химической реакции. РЕАКЦИИ!

По аналогии со скоростью движения она что-то тоже там должна в единицу времени. Погнали, сначала разберём наглядненько.

Есть химические реакции настолько медленные, что ленивиц из Зверополиса отдыхает, а есть спринтеры, что Усэйн Болту и не снилось.

1) Медленные

Ну вот коррозия, она ж месяцами, годами может идти. Творит неприятные вещи.

А иногда и ужасные. 15 декабря, 1967 год. Серебряный мост, соединяющий Пойнт Плезант, штат Западная Виргиния, и Канауга, штат Огайо, неожиданно рухнул в реку Огайо. В момент обрушения 37 автомобилей двигались по мосту, и 31 из них упали вместе с мостом. Сорок шесть человек погибли, и девять серьёзно пострадали. Помимо человеческих жертв и травм, был разрушен основной транспортный путь между Западной Виргинией и Огайо. Причиной обрушения стала коррозия.

1 of 3

Да, превращение графита в алмаз в недрах Земли — тоже очень медленная реакция.

2) Средней терпимости

Например, ферментация чайка (окисление воздухом)

Как раз я недавно была на чайной плантации и в чайном цеху, где технолог всё показывал и рассказывал.

1 of 2

Вот говорит, чёрный чай это 100%-ая ферментация

Красный — где-то 60-80%

Жёлтый — до 10%

Зелёный — без ферментации

Я все продегустировала, так вкусненько. Теперь покупать пакетированные «чаи» да ещё и со всякими вкусами типа малина как-то совсем не хочется.

А по длительности чего? Ну от 45 минут и до нескольких недель, смотря какой чаёк хочешь.

Ооо, ещё примерчик вспомнила. Для своей дипломной работы делала синтез. Так вот реакция получения моего целевого полимерчика занимала 12 часов. Температурку ещё нужно было постоянно поддерживать при 110°C, благо для этого был ПИД-регулятор. Да ещё и при постоянном перемешивании. В общем, не особо комильфо было сидеть в лабе с утра до вечера. С учётом того, что переделывала я эту реакцию раз 5.

3) Усэйн Болты

Быстро (это «Египетская ночь», на примере этой реакции обычно показывают зависимость скорости реакции от концентрации, ну мы ещё дойдём)

Ещё быстрее

Взрывы. Мгновенно😱

Надеюсь чутка нагляднее стало. Вот медленную увидели, вот средней терпимости, а вот и быстрые. Ну и что же тогда такое скорость химической реакции?

Ответить на вопрос выше поможет наука, изучающая закономерности протекания реакций во времени — химическая кинетика

Вот что она говорит

Скорость химической реакции — количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объёма системы.

Количество вещества (n) — моль

Объём (V) — литр

Опа, переходим в удобную величину — КОНЦЕНТРАЦИЯ (С), моль/л. (C=n/V)

Отсюда определение скорости реакции немного изменяется

Скорость химической реакции — ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ реагента или продукта в единицу времени.

Как математически обозначить это изменение концентрации?

Греческой буковкой ДЕЛЬТА — Δ

Она как раз означает разницу между тем, что было и тем, что стало.

Если кто впервые столкнулся, давайте сразу быстренько поясню.

ΔС — это разница концентраций вещества

ΔС = С2 - С1

Например, в начале реакции было 3 моль/л, через время стало 1 моль/л. Разница 2 моль/л.

Вотъ

Настало время записать определение скорости химической реакции математически

где ν — скорость реакции, ΔC — изменение концентрации (в моль/л), а Δτ — интервал времени, в течение которого это изменение произошло (сек). Следовательно, размерность скорости реакции — "моль/л · сек".

А как же быть с гомо- и гетерогенным реакциям?

Как у них скорость реакции будет выражаться?

Для начала вскроем понятия о гомо- и гетерогенных реакциях. Кто такие вообще?

Гомогенные (однородные) реакции

В гомогенных реакциях все взаимодействующие вещества находятся в одной фазе (газовой, жидкой). Зоной реакции при проведении гомогенных реакций служит весь реакционный объем.

Примерчики

1) NO2(г) + CO(г) → NO(г) + CO2(г)

2) NaOH(р-р) + HCl(р-р) → NaCl(р-р) + H2O

Гетерогенные (неоднородные) реакции

В гетерогенных процессах реагенты, принимающие участие в реакции, находятся в разных фазах. В реакционном объеме одновременно находятся две или более фазы, а химическая реакция протекает на границе раздела фаз или в объеме одной из фаз.

Так, ну у нас есть — жидкая, газовая и твёрдая фазы.

Какие тут тогда варики могут быть? Т-Г, Т-Ж, Ж-Г, Т-Т.

Примерчики

Как раз про коррозию выше говорили))

1) Разберём ржавление железа. Да, это гетерогенная реакция.

Железо – это твердое вещество, а вода и кислород воздуха, под воздействием которых происходит ржавление, — это жидкость и газ соответственно.

Вот как это можно записать:

4Fe(тв.) + 6Н2O(ж.) + 3О2 (г.) → 4Fe(OH)3 (тв.)

2) Ну и ещё примерчик можно. Будучи подростком, мне мама готовила вкуснейшие сосиски в тесте. И всё ведь дело в тесте (не, ну и в сосичях тоже, но я их сама покупала и брала мои любимые).

Так вот, что нужно, чтобы тесто было пышным?

Соду уксусом гасить. Это тоже гетерогенный процесс, так как взаимодействуют 2 вещества, находящиеся в разных агрегатных состояниях.

В виде уравнения реакции:

NaHCO3(тв.) + CH3COOH(ж.) → CH3COONa(ж.) + H2O(ж.) + CO2(г.)

Итак, вспомнили, узнали кто такие гомо- и гетерогенные реакции, а тпереь про скорости))

Скорость гомогенной реакции

Скорость гомогенной реакции — количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объёма системы.

Скорость реакции может быть только положительной. Поэтому, знак «±» в формуле используется для того, чтобы значение скорости реакции всегда было положительным, независимо, от того, производится расчет по числу молей исходного вещества или продукта реакции. Знак «-» — для реагентов, «+» — для продуктов реакции.

Скорость гетерогенной реакции

Скорость гетерогенной реакции — количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единице поверхности раздела фаз.

Скорость реакции может постоянно меняться. Ну логично ведь. Например, у нас есть реакция — А + Б = В. За скоростью этой реакции можно следить по расходованию одного из реагентов (А или Б), либо по накоплению продукта (В). В начале реакции, когда молекул А и Б ещё много, столкновения между ними происходят гораздо чаще, чем в конце реакции, когда молекул А и Б уже намного меньше. И это следующая проблемес…

Как же быть в таком случае? Что принимать за истинную скорость реакции?

Всё норм, Гульдберг и Вааге уже всё разрулили

Чем больше концентрация молекул (А) или (Б) в смеси, тем больше вероятность столкновения между ними. Если обозначить буквами А и Б (в квадратных скобках) молярные концентрации этих веществ, то скорость реакции будет пропорциональна произведению этих молярных концентраций:

v = [А моль/л][Б моль/л]

Что там с размерностями?

У скорости реакции — "моль/л · сек",

А размерность произведения концентраций в правой части — "моль^2/л^2"

Не комильфо. Для того чтобы выровнять размерности в правой и левой частях уравнения, нужен коэффициент пропорциональности. Он будет обозначен в виде буквы k, а размерность его будет — "л/моль · сек".

Тогда уравнение примет вид:

Ура, теперь размерности выровнены.

Но оказалось, что коэффициент пропорциональности k способен выполнять гораздо более полезную функцию, чем простое выравнивание размерностей в левой и правой частях уравнения. И если хотите подробнее об этом узнать, то вот вам статейка на эту тему — физический смысл k .

Коэффициент k ещё называют КОНСТАНТОЙ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ. Уравнение — v = k[А][Б], называется КИНЕТИЧЕСКИМ УРАВНЕНИЕМ для реакций типа А + Б = В (или А + Б = В + Г + ...).

А для такой реакции — aA +bB + cC = dD + eE + fF + … Какое будет кинетическое уравнение?

Такое:

То есть кинетическое уравнение записываем в виде произведения концентраций реагентов, каждая из которых взята в степени, равной числу молей соответствующего вещества в полном уравнении реакции.

Кинетическое уравнение оно же — закон действующих масс оно же — основной закон химической кинетики оно же — закон Гульдберга и Вааге

Этот закон можно сформулировать так:

Норвежские ученые Гульдберг и Вааге, опубликовали свои работы в 1864 и 1867 гг. Они экспериментально показали, что скорость реакции пропорциональна произведению "масс реагентов в реакции", то есть "действующих масс", откуда и возникло название.