Гомогенные — химические реакции, которые протекают в гомогенных системах
Примерами гомогенных реакций являются: а) горение водорода в кислороде 2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О (г) б) нейтрализация соляной кислоты водным раствором гидроксида натрия HCl(p-p) + NaOH (p-p) = NaCl(p-p) + H2O (p-p) Очевидно, что эти реакции протекают во всем объеме реакционной системы.
Гетерогенные — химические реакции, которые протекают в гетерогенных системах
Примерами гетерогенных реакций являются: а) Горение серы в кислороде S(тв) + O2(г) = SO2 (г) Протекает на поверхности серы б) взаимодействие цинка с соляной кислотой Zn(тв) + 2HCl(р-р) = ZnCl2(р-р) + H2 Протекает на поверхности цинка.
Скорость химической реакции — это изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени.
При гомогенных реакциях пространством реакции обозначается объем реакционного сосуда, а при гетерогенных — поверхность, на которой протекает реакция. Концентрацию реагирующих веществ обычно выражают в моль/л — количестве молей вещества в 1 литре раствора.
Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, давления, поверхности соприкосновения веществ и ее характера, присутствия катализаторов.
Увеличение концентрации веществ, вступающих в химическое взаимодействие, приводит к увеличению скорости химической реакции. Это происходит потому, что все химические реакции проходят между некоторым количеством реагирующих частицами (атомами, молекулами, ионами). Чем больше этих частичек в объеме реакционного пространства, тем чаще они соударяются и происходит химическое взаимодействие. Химическая реакция может протекать через один или несколько элементарных актов (соударений). На основании уравнения реакции можно записать выражение зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Если в элементарном акте участвует лишь одна молекула (при реакции разложения), зависимость будет иметь такой вид:
n = k*[A]
Это уравнение мономолекулярной реакции. Когда в элементарном акте происходит взаимодействие двух разных молекул, зависимость имеет вид:
n = k*[A]*[B]
Реакция называется бимолекулярной. В случае соударения трех молекул справедливо выражение:
n = k*[A]*[B]*[C]
Реакция называется тримолекулярной. Обозначения коэффициентов:
n — скорость реакции .
[А], [В], [С] — концентрации реагирующих веществ .
k — коэффициент пропорциональности . называется константой скорости реакции.
Если концентрации реагирующих веществ равны единице (1 моль/л) или их произведение равно единице, то v = k.. Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ и от температуры. Зависимость скорости простых реакций (т. е. реакций, протекающих через один элементарный акт) от концентрации описывается законом действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в степень их стехиометрических коэффициентов.
Для примера разберем реакцию 2NO + O2 = 2NO2.
В ней v = k*[NO]2*[O2]
В случае, когда уравнение химической реакции не соответствует элементарному акту взаимодействия, а отражает лишь связь между массой вступивших в реакцию и образовавшихся веществ, то степени у концентраций не будут равны коэффициентам, стоящим перед формулами соответствующих веществ в уравнении реакции. Для реакции, которая протекает в несколько стадий, скорость реакции определяется скоростью самой медленной (лимитирующей) стадии.
Такая зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ справедлива для газов и реакций, проходящих в растворе. Реакции с участием твердых веществ не подчиняются закону действующих масс, так как взаимодействие молекул происходит лишь на поверхности раздела фаз. Следовательно, скорость гетерогенной реакции зависит еще и от величины и характера поверхности соприкосновения реагирующих фаз. Чем больше поверхность — тем быстрее будет идти реакция.
Закон действующих масс:
Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе всех продуктов реакции.
Зако́н де́йствующих масс устанавливает соотношение между массами реагирующих веществ в химических реакциях при равновесии, а также зависимость скорости химической реакции от концентрации исходных веществ.
Константа скорости реакции (удельная скорость реакции) — коэффициент пропорциональности в кинетическом уравнении.
Физический смысл константы скорости реакции k следует из уравнения закона действующих масс: k численно равна скорости реакции при концентрации каждого из реагирующих веществ равной 1 моль/л.
Константа скорости реакции зависит от температуры, от природы реагирующих веществ, но не зависит от их концентрации.
Влияние температуры на скорость химической реакции. Температурный коэф-фициент скорости. Правило Вант-Гоффа. Влияние катализаторов на скорость химической реакции. Гомогенные и гетерогенные каталитические реакции. Многостадийность каталитических реакций. Ингибиторы.
Скорость большинства реакций увеличивается с ростом температуры, так как при этом возрастает энергия сталкивающихся частиц и повышается вероятность того, что при столкновении произойдет химическое превращение. Для количественного описания температурных эффектов в химической кинетике используют два основных соотношения – правило Вант-Гоффа и уравнение Аррениуса.
Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10оС скорость реакции возрастает в 2-4 раза. Для характеристики зависимости скорости химической реакции от Т был введен температурный коэффициент скорости реакции
g = kT+10/kT~2:4,
где kT+10 и kT – константы скорости химической реакции при температуре Т+10 и Т. В среднем этот коэффициент равен 3. Следовательно, при изменении Т на 100оС скорость реакции изменяется в 310 или 59049 раз.
Уравнение Аррениуса:
k=Ae^-E/RT
E- Энергия активации в Дж/моль, R- газовая постоянная, Т- температура в К, А- предэкспонента(её размерность совпадает с размерностью k).
Вещества, которые участвуют в реакциях и увеличивают ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменными, называются катализаторами.
Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ называется катализом. Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими. В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции. В присутствии катализатора реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. Иначе говоря, в присутствии катализатора возникают другие активированные комплексы, причем для их образования требуется меньше энергии, чем для образования активированных комплексов, возникающих без катализатора. Таким образом, энергия активации резко понижается: некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.
Для ряда реакций промежуточные соединения изучены . как правило, они представляют собою весьма активные нестойкие продукты.
Механизм действия катализаторов связан с уменьшением энергии активации реакции за счет образования промежуточных соединений. Катализ можно представить следующим образом: А + К = А…К А…К + В = АВ + К, где А…К — промежуточное активированное соединение.
В химической промышленности катализаторы применяются весьма широко. Под влиянием катализаторов реакции могут ускоряться в миллионы раз и более. В некоторых случаях под действием катализаторов могут возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не протекают.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или раствор). В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы.
Примеры гомогенного катализа: 1) окисление SO2 + 1/2O2 = SO3 в присутствии NO . NO легко окисляется до NO2, а NO2 уже окисляет SO2 .
2) разложение пероксида водорода в водном растворе на воду и кислород: ионы Сг2О2=7, WO2-4, МоО2-4, катализирующие разложение пероксида водорода, образуют с ним промежуточные соединения, которые далее распадаются с выделением кислорода.
Гомогенный катализ осуществляется через промежуточные реакции с катализатором, и в результате происходит замена одной реакции с высокой энергией активации несколькими, у которых энергии активации ниже, скорость их выше:
CO + 1/2O2 = CO2 (катализатор — пары воды).
Широкое применение в химической промышленности находит гетерогенный катализ. Большая часть продукции, вырабатываемой в настоящее время этой промышленностью, получается с помощью гетерогенного катализа. При гетерогенном катализе реакция протекает на поверхности катализатора. Отсюда следует, что активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. Для того чтобы иметь большую («развитую») поверхность, катализатор должен обладать пористой структурой или находиться в сильно раздробленном (высокодисперсном) состоянии. При практическом применении катализатор обычно наносят на носитель, имеющий пористую структуру (пемза, асбест и др.).
Как и в случае гомогенного катализа, при гетерогенном катализе реакция протекает через активные промежуточные соединения. Но здесь эти соединения представляют собой поверхностные соединения катализатора с реагирующими веществами. Проходя через ряд стадий, в которых участвуют эти промежуточные соединения, реакция заканчивается образованием конечных продуктов, а катализатор в результате не расходуется.
Все каталитические гетерогенные реакции включают в себя стадии адсорбции и десорбции.
Каталитическое действие поверхности сводится к двум факторам: увеличению концентрации на границе раздела и активированию адсорбированных молекул.
Примеры гетерогенного катализа:
2H2O = 2H2O + O2 (катализатор – MnO2,) .
Н2 + 1/2 О2 = Н2О (катализатор — платина).
Очень большую роль играет катализ в биологических системах. Большинство химических реакций, протекающих в пищеварительной системе, в крови и в клетках животных и человека, являются каталитическими.реакциями. Катализаторы, называемые в этом случае ферментами, представляют собою простые или сложные белки. Так, слюна содержит фермент птиалин, который катализирует превращение крахмала в сахар. Фермент, имеющийся в желудке, — пепсин — катализирует расщепление белков. В организме человека находится около 30 000 различных ферментов: каждый из них служит эффективным катализатором соответствующей реакции.
Селективность действия катализатора заключается в том, что продукты реакции могут быть разными в зависимости от того, каким катализатором мы пользуемся.
Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов в ряде случаев можно, добавляя в реакционную среду ингибиторы (явление «отрицательного катализа»).
Ингибитор ( лат. inhibere — задерживать) — вещество, замедляющее или предотвращающее течение какой-либо химической реакции: коррозии металла, старения полимеров, окисления топлива и смазочных масел, пищевых жиров и др.
Особое практическое значение имеют ингибиторы коррозии металла. По современным представлениям, механизм действия ингибиторов коррозии имеет электрохимическую природу. Применительно к коррозии металла ингибитором называют вещество, которое,
адсорбируясь на поверхности металла, делает её потенциал положительнее, тем самым замедляя процесс коррозии. К ингибиторам также часто причисляют вещества, снижающие активность коррозионной среды или создающие на поверхности металла защитные пленки, являющиеся продуктом взаимодействия ингибитора с раствором, металлом или продуктом его коррозии (кроющие ингибиторы). Известно большое количество веществ, которые можно рассматривать в качестве ингибиторов коррозии. Наиболее четко ингибиторное действие выражено у аминов, азотсодержащих гетероциклических соединений, тиолов, мочевины и тиомочевины, сульфидов, альдегидов и др.
