Что такое гомогенная реакция
Урок 19 Бесплатно Скорость химической реакции
Понятие о скорости химической реакции
Химические реакции протекают с различными скоростями.
Конечно же, человек захотел иметь власть над этими процессами: ускорять и замедлять реакции, исходя из необходимости.
Ржавление железа протекает медленно, но с тех самых пор, когда человек открыл для себя железо, этот процесс хочется ещё более замедлить или вообще остановить.
В промышленности при производстве каких-либо полезных веществ человек стремится ускорить реакции, ведь чем быстрее они проходят, тем больше продукции вырабатывает производство.
Для контроля всех этих процессов нужно знать, от чего зависит скорость химических реакций и понимать, можно ли на эти процессы воздействовать и каким образом.
Количественной характеристикой быстроты течения химической реакции является её скорость.
О скорости химической реакции судят по изменению концентрации исходного вещества или продукта реакции в единицу времени.
Концентрацию вещества выражают числом молей в единице массы или объма: моль/л, моль/г, моль/кг.
По мере протекания реакции концентрации исходных веществ уменьшается, а концентрация продуктов реакции увеличивается.
Скорость реакции выражается в моль/л х сек.
Вместо литра может стоять грамм или килограмм, а вместо секунды – другая единица времени.
Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации
Гомогенные и гетерогенные реакции
Характер взаимодействия веществ зависит от их агрегатного состояния.
По этому признаку различают гомогенные и гетерогенные химические реакции.
Гомогенными называют реакции, в которых отсутствует поверхность раздела между реагирующими веществами, то есть все вещества образуют однородную среду.
Такие реакции протекают во всём объёме.
Это реакции между газами, между жидкостями или протекающие в растворах.
Например, если химик сливает растворы йодида калия и нитрата серебра, происходит реакция обмена с образованием йодида серебра, который выпадает в осадок; причем осадок выпадает не на стенках сосуда и не на дне, а во всём объеме раствора.
Или, например, когда хозяйка печёт пироги, она добавляет в тесто дрожжи и соду, и тесто поднимается во всём объёме, а не только у краёв посуды.
Сгорание топливно-воздушной смеси в двигателе, горение природного газа, образование осадка при приготовлении бордосской смеси, образование озона во время грозы – всё это гомогенные химические реакции.
Гетерогенными называют реакции, в которых реагирующие вещества отделены друг от друга поверхностью раздела фаз: они протекают на поверхности соприкосновения твёрдого вещества и газа, твёрдого вещества и жидкости, двух твёрдых веществ или двух несмешивающихся жидкостей.
Примером таких реакций может служить горение твёрдого топлива, взаимодействие металлов с кислотами.
Так, взаимодействие цинка с соляной кислотой происходит только на поверхности металла:
Горение дров в костре, растворение накипи в чайнике под воздействием уксуса, образование ржавчины, осаждение металла при гальванопластике – всё это гетерогенные химические реакции.
Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации
Условия, влияющие на скорость химической реакции
Чтобы управлять химической реакцией, надо знать условия, влияющие на скорость её протекания.
Это позволит замедлить скорость нежелательной реакции (например, ржавления железа, порчи пищевых продуктов) и увеличить скорость полезных для человека реакций (например, получение водорода, выплавка металла из руды).
Факторы, влияющие на скорость химической реакции:
Давайте поподробнее рассмотрим влияние этих факторов на скорость реакции.
1) Природа реагирующих веществ.
Например, скорость взаимодействия металлов с водой различна и зависит от активности металла.
Натрий бурно реагирует с водой, однако калий при контакте с водой ещё и воспламеняется, а рубидий взрывается.
В свою очередь, скорость взаимодействия одного и того же металла с разными веществами также зависит от природы этих веществ.
Натрий, который бурно реагирует с водой, с этиловым спиртом реагирует более спокойно.
2) Концентрация реагирующих веществ
Чтобы произошло взаимодействие, частицы (атомы, молекулы, ионы) реагирующих веществ должны столкнуться.
И чем больше столкновений происходит в единицу времени, тем быстрее протекает химическая реакция.
Гомогенные реакции протекают во всём объёме, и чем больше частиц в единице объёма, тем чаше они сталкиваются.
Следовательно, с повышением концентрации реагирующих веществ происходит увеличение скорости реакции.
Если реакция гетерогенная, то взаимодействие частиц происходит лишь на поверхности твёрдого вещества, поэтому в данном случае говорят не о концентрации, а о площади соприкосновения веществ.
По сути, это понятие аналогично концентрации, ведь чем больше площадь поверхности, тем больше частиц вещества способны вступить в реакцию.
Мелкие щепки горят в костре гораздо быстрее крупных поленьев.
Можно даже поставить «чистый» эксперимент: взять одинаковое количество (по массе) дерева, только в одном случае в виде мелких веток и щепок, а в другом в виде более крупных поленцев.
Мелкие щепки всё равно сгорят быстрее.
Происходит это именно из-за того, что в данном случае площадь поверхности дерева больше.
То же происходит и в лаборатории или в школьном кабинете химии: цинк или магний выпускают в виде маленьких гранул специально для того, чтобы скорость их взаимодействия с кислотами была больше.
3) Температура
С повышением температуры скорость химических реакций, как правило, возрастает, так как при нагревании реагирующие частицы становятся более активными и способными к взаимодействию.
Если нам нужно почистить чайник от накипи, то мы заливаем в него уксусную или лимонную кислоту и кипятим.
Можно, конечно, оставить чайник и так, но при нагревании накипь растворяется быстрее.
Экспериментально установлено, что при повышении температуры на каждые десять градусов скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.
Эту закономерность называют правилом Вант-Гоффа по имени голландского учёного, который впервые её сформулировал.
4) Действие катализаторов
Ещё алхимики заметили, что существуют такие вещества, при воздействии которых реакции идут намного быстрее.
Такие вещества называются катализаторами, а увеличение скорости реакции – катализ.
Важно то, что сам катализатор в реакции не участвует.
Природа катализа различна. Иногда катализатор служит концентратором, то есть «собирает» на себе реагенты, увеличивая концентрацию, как например, при разложении перекиси водорода: в обычном состоянии она разлагается очень медленно, а при добавлении к ней оксида марганца очень быстро с образованием большого количества пены.
Или при синтезе аммиака – скорость реакции увеличивается при введении в область реакции губчатой платины: она имеет очень неровную поверхность, которая, как активированный уголь, собирает на себе молекулы водорода и азота, увеличивая их концентрацию в несколько раз.
Иногда катализатор вступает в реакцию с одним из веществ, но в конце всей цепочки высвобождается в исходном виде.
Например, сухой хлор можно хранить в стальных баллонах длительное время.
Но если в хлоре есть примесь влаги, баллон может очень быстро разрушиться. Вода является катализатором взаимодействия хлора с железом. Сначала происходит реакция хлора и воды с образованием хлороводорода, который легко реагирует с железом:
Эти реакции происходят почти моментально, и поэтому образующийся атомарный кислород не успевает образовать двухатомные молекулы.
В итоге всю цепочку можно записать одной реакцией:
Большую часть продукции, вырабатываемой химической промышленностью, получают с использованием катализаторов.
Каталитическими являются процессы производства кислот, удобрений, резины, пластмасс, лекарств, процессы переработки нефти.
Особую роль играют биологические катализаторы – ферменты.
Они участвуют в сложных химических процессах, протекающих в живых организмах.
Слюна содержит фермент птиалин, который катализирует превращение крахмала в сахар, – переваривание пищи начинается уже во рту! Желудочный сок содержит пепсин, который катализирует расщепление белков.
В случае, когда у человека имеются серьезные нарушения пищеварения, ему прописывают медицинские препараты, содержащие пищеварительные ферменты.
В организме человека около 30 000 различных ферментов, каждый из них — катализатор какой-либо одной реакции.
5) Давление
Как правило, с повышением давления скорость химической реакции возрастает.
Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации
Классификация химических реакций
Темы кодификатора ЕГЭ: Классификация химических реакций в органической и неорганической химии.
В ходе химической реакции разрушаются химические связи, и образуются новые.
Химические реакции классифицируют по разным признакам. Рассмотрим основные виды классификации химических реакций.
Классификация по числу и составу реагирующих веществ
По составу и числу реагирующих веществ разделяют реакции, протекающие без изменения состава веществ, и реакции, протекающие с изменением состава веществ:
1. Реакции, протекающие без изменения состава веществ (A → B)
К таким реакциям в неорганической химии можно отнести аллотропные переходы простых веществ из одной модификации в другую:
Sромбическая → Sмоноклинная.
2. Реакции, протекающие с изменением состава
Как правило, в названии таких реакций есть приставка «де». Реакции разложения в органической химии происходят, как правило, с разрывом углеродной цепи.
2KI + Cl2 → 2KCl + I2.
Замещаться могут как отдельные атомы, так и молекулы.
В органической химии реакции замещения — это такие реакции, в ходе которых часть органической молекулы замещается на другие частицы. При этом замещенная частица, как правило, соединяется с частью молекулы-заместителя.
По числу частиц и составу продуктов взаимодействия эта реакция больше похожа на реакцию обмена. Тем не менее, по механизму такая реакция является реакцией замещения.
AB + CD = AC + BD
К реакциям обмена относятся реакции ионного обмена, протекающие в растворах; реакции, иллюстрирующие кислотно-основные свойства веществ и другие.
Пример реакции обмена в неорганической химии — нейтрализация соляной кислоты щелочью:
NaOH + HCl = NaCl + H2O
Пример реакции обмена в органической химии — щелочной гидролиз хлорэтана:
Классификация химических реакций по изменению степени окисления элементов, образующих вещества
По изменению степени окисления элементов химические реакции делят на окислительно-восстановительные реакции, и реакции, идущие без изменения степеней окисления химических элементов.
В неорганической химии к таким реакциям относятся, как правило, реакции разложения, замещения, соединения, и все реакции, идущие с участием простых веществ. Для уравнивания ОВР используют метод электронного баланса (количество отданных электронов должно быть равно количеству полученных) или метод электронно-ионного баланса.
В органической химии разделяют реакции окисления и восстановления, в зависимости от того, что происходит с органической молекулой.
Реакции окисления в органической химии — это реакции, в ходе которых уменьшается число атомов водорода или увеличивается число атомов кислорода в исходной органической молекуле.
Реакции восстановления в органической химии — это реакции, в ходе которых увеличивается число атомов водорода или уменьшается число атомов кислорода в органической молекуле.
Классификация реакций по тепловому эффекту
По тепловому эффекту реакции разделяют на экзотермические и эндотермические.
Экзотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся выделением энергии в форме теплоты (+Q). К таким реакциям относятся почти все реакции соединения.
Исключения — реакция азота с кислородом с образованием оксида азота (II) — эндотермическая:
Реакция газообразного водорода с твердым йодом также эндотермическая:
Экзотермические реакции, в ходе которых выделяется свет, называют реакциями горения.
Также экзотермическими являются:
Эндотермические реакции — это реакции, сопровождающиеся поглощением энергии в форме теплоты (— Q). Как правило, с поглощением теплоты идет большинство реакций разложения (реакции, требующие длительного нагревания).
Также эндотермическими являются:
Классификация химических реакций по агрегатному состоянию реагирующих веществ (по фазовому составу)
Для классификации реакций по фазовому состоянию полезно уметь определять фазовые состояния веществ. Это достаточно легко сделать, используя знания о строении вещества, в частности, о типах кристаллической решетки.
Вещества с ионной, атомной или металлической кристаллической решеткой, как правило твердые при обычных условиях; вещества с молекулярной решеткой, как правило, жидкости или газы при обычных условиях.
Обратите внимание, что при нагревании или охлаждении вещества могут переходить из одного фазового состояния в другое. В таком случае необходимо ориентироваться на условия проведения конкретной реакции и физические свойства вещества.
Таким образом, паровая конверсия метана — гомогенная реакция.
Классификация химических реакций по участию катализатора
Катализатор — это такое вещество, которое ускоряет реакцию, но не входит в состав продуктов реакции. Катализатор участвует в реакции, но практичсеки не расходуется в ходе реакции. Условно схему действия катализатора К при взаимодействии веществ A + B можно изобразить так: A + K = AK; AK + B = AB + K.
В зависимости от наличия катализатора различают каталитические и некаталитические реакции.
Все реакции, протекающие с участием в клетках живых организмов, протекают с участием особых белковых катализаторов — ферментов. Такие реакции называют ферментативными.
Более подробно механизм действия и функции катализаторов рассматриваются в отдельной статье.
Классификация реакций по способности протекать в обратном направлении
Обратимые реакции — это реакции, которые могут протекать и в прямом, и в и обратном направлении, т.е. когда при данных условиях продукты реакции могут взаимодействовать друг с другом. К обратимым реакциям относятся большинство гомогенных реакций, этерификация; реакции гидролиза; гидрирование-дегидрирование, гидратация-дегидратация; получение аммиака из простых веществ, окисление сернистого газа, получение галогеноводородов (кроме фтороводорода) и сероводорода; синтез метанола; получение и разложение карбонатов и гидрокарбонатов, и т.д.
Необратимые реакции — это реакции, которые протекают преимущественно в одном направлении, т.е. продукты реакции не могут взаимодействовать друг с другом при данных условиях. Примеры необратимых реакций: горение; реакции, идущие со взрывом; реакции, идущие с образованием газа, осадка или воды в растворах; растворение щелочных металлов в воде; и др.
Пособие-репетитор по химии
ЗАНЯТИЕ 10
10-й класс (первый год обучения)
Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18/2006
Основы химической кинетики.
Состояние химического равновесия
План
1. Химическая кинетика и область ее изучения.
2. Скорость гомогенной и гетерогенной реакции.
3. Зависимость скорости реакции от различных факторов: природы реагирующих веществ, концентрации реагентов (закон действующих масс), температуры (правило Вант-Гоффа), катализатора.
4. Обратимые и необратимые химические реакции.
5. Химическое равновесие и условия его смещения. Принцип Ле Шателье.
Раздел химии, изучающий скорости и механизмы протекания химических реакций, называется химической кинетикой. Одним из основных в этом разделе является понятие скорости химической реакции. Одни химические реакции протекают практически мгновенно (например, реакция нейтрализации в растворе), другие – в течение тысячелетий (например, превращение графита в глину при выветривании горных пород).
Скорость гомогенной реакции – это количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени в единице объема системы:
Другими словами, скорость гомогенной реакции равна изменению молярной концентрации какого-либо из реагирующих веществ за единицу времени. Скорость реакции – величина положительная, поэтому в случае выражения ее через изменение концентрации продукта реакции ставят знак «+», а при изменении концентрации реагента знак «–».
Скорость гетерогенной реакции – это количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единице поверхности фазы:
Важнейшие факторы, влияющие на скорость химической реакции, – природа и концентрация реагентов, температура, присутствие катализатора.
Влияние природы реагентов проявляется в том, что при одних и тех же условиях различные вещества взаимодействуют друг с другом с разной скоростью, например:
При увеличении концентрации реагентов увеличивается число столкновений между частицами, что приводит к увеличению скорости реакции. Количественно зависимость скорости реакции от концентрации реагентов выражается з а к о н о м д е й с т в у ю щ и х м а с с (К.М.Гульдберг и П.Вааге, 1867 г.; Н.И.Бекетов, 1865 г.). Скорость гомогенной химической реакции при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам (концентрации твердых веществ при этом не учитываются), например:
где А и В – газы или жидкости, k – константа скорости реакции, равная скорости реакции при концентрации реагентов 1 моль/л. Константа k зависит от свойств реагирующих веществ и температуры, но не зависит от концентрации веществ.
Зависимость скорости реакции от температуры описывается экспериментальным п р а в и л о м
В а н т-Г о ф ф а (1884 г.). При повышении температуры на 10°, скорость большинства химических реакций увеличивается в 2–4 раза:
где 
– температурный коэффициент.
Катализатором называется вещество, изменяющее скорость химической реакции, но не расходующееся в результате этой реакции. Различают положительные катализаторы (специфические и универсальные), отрицательные (ингибиторы) и биологические (ферменты, или энзимы). Изменение скорости реакции в присутствии катализаторов называется катализом. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. Если реагенты и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, катализ является гомогенным; в разных – гетерогенным.
Механизм действия катализаторов является очень сложным и не изученным до конца. Существует гипотеза об образовании промежуточных соединений между реагентом и катализатором:
А + кат. 
[A кат.],
[A кат.] + В АВ + кат.
Для усиления действия катализаторов применяют промоторы; существуют также каталитические яды, ослабляющие действие катализаторов.
На скорость гетерогенной реакции влияют величина поверхности раздела фаз (степень измельченности вещества) и скорость подвода реагентов и отвода продуктов реакции от поверхности раздела фаз.
Все химические реакции делятся на два типа: обратимые и необратимые.
Необратимыми называются химические реакции, протекающие только в одном направлении, т.е. продукты этих реакций не взаимодействуют друг с другом с образованием исходных веществ. Условия необратимости реакции – образование осадка, газа или слабого электролита. Например:
BaCl2 + H2SO4 = BaSO4 
+ 2HCl,
K2S + 2HCl = 2KCl + H2S
,
HCl + NaOH = NaCl + H2O.
Обратимыми называются реакции, протекающие одновременно в прямом и обратном направлениях, например:
При протекании обратимой химической реакции скорость прямой реакции вначале имеет максимальное значение, а затем уменьшается вследствие уменьшения концентрации исходных веществ. Обратная реакция, наоборот, в начальный момент времени имеет минимальную скорость, которая постепенно увеличивается. Таким образом, в определенный момент времени наступает состояние химического равновесия, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции. Состояние химического равновесия является динамическим – продолжают протекать как прямая, так и обратная реакции, но поскольку скорости их равны, то концентрации всех веществ в реакционной системе не изменяются. Эти концентрации называются равновесными.
Отношение констант скоростей прямой и обратной реакций является постоянной величиной и называется константой равновесия (Кр). Концентрации твердых веществ не входят в выражение константы равновесия. Константа равновесия реакции зависит от температуры и давления, но не зависит от концентрации реагирующих веществ и от присутствия катализатора, который ускоряет ход как прямой, так и обратной реакции. Чем больше Кр, тем выше практический выход продуктов реакции. Если Кр > 1, то в системе преобладают продукты реакции; если Кр
1. Как изменится скорость образования диоксида азота в реакции оксида азота(II) с кислородом, если давление в системе увеличить в 3 раза, а температуру оставить неизменной?
2 по сравнению со скоростью реакции 
Т имеет вид:
2СО (г.) – Q