Скорость реакции при повышении давления

Влияние давления на скорость реакции

Влияние концентрации на скорость химической реакции

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ сформулирована в законе действующих масс: “При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам”

Например: для реакции mA + nB → pAB

математическое выражение закона действующих масс:

υ = k m ∙ n (иначе– кинетическое уравнение реакции),

где и концентрации реагирующих веществ А и В; m и n – стехиометрические коэффициенты; k – коэффициент пропорциональности, названный константой скорости.

Физический смысл константы скорости заключается в том, что при концентрациях реагирующих веществ равных 1,0 моль/л(= = 1моль/л), скорость химической реакции равна константе скорости (υ=k). Константа скорости зависит только от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от концентрации веществ.

Математическая запись закона действующих масс для гомогенных и гетерогенных систем имеет некоторые отличия. Для гетерогенных реакций в кинетическое уравнение входят концентрации только тех веществ, которые находятся в системе в растворе или в газовой фазе. Концентрация же веществ, находящихся в твердом состоянии на поверхности в течение реакции остается постоянной, поэтому ее величина учитывается в константе скорости реакции.

Например: для гомогенной реакции 2H2(г) + O2(г) = 2H2O(г)

выражение закона: υ = k ∙ 2 ∙ ;

для гетерогенной реакции С(тв)+O2(г)=СО2(г)

выражение закона υ = k эф ∙ ,

где: k эф – эффективная константа скорости, равная k ∙

Задача

Как изменится скорость реакции 2H2(г) + O2(г) = 2H2O(г) при увеличении концентрации исходных веществ в два раза?

Решение

Зависимость скорости реакции от концентрации (кинетическое уравнение) запишется: υ = k ∙ 2 ∙

Если концентрации исходных веществ увеличить в 2 раза, то кинетическое уравнение имеет вид: υ’ = k ∙ 2 ∙ , тогда υ’/υ = 8 – скорость данной реакции возросла в 8 раз.

Зависимость скорости реакции от давления описывается выражением аналогичным закону действующих масс, где вместо концентраций веществ используют парциальные давления реагирующих газов.

Например: для реакции 2H2(г) + O2(г) = 2H2O(г) зависимость скорости реакции от давления запишется: υ = k ∙ РH22 ∙ РO2

Задача

Решение

Зависимость скорости реакции от давления запишется:

Зависимость скорости химической реакции от температуры

Скорость химической реакции при данной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени, равной стехиометрическому коэффициенту, стоящему перед формулой данного вещества в уравнении реакции.

Закон действия масс справедлив только для наиболее простых по своему механизму реакций взаимодействия, протекающих в газах или в разбавленных растворах.

Для гомогенных реакций:

1. aA(Ж) + bB(Ж) ↔ cC(Ж) + dD(Ж) ; (T=const)

2. 3H2(Г) + N2(Г) ↔ 2NH3(Г);

Для гетерогенных реакций:

1. aA(т) + bB(Г) = cC(Г) + dD(Г); 2. С (т)+О2(Г)=СО2(Г);

В законе действия масс не учитываются концентрации веществ, находящихся в твердой фазе. Чем больше площадь поверхности твердой фазы, тем выше скорость химической реакции.

k – константа скорости химической реакции определяется природой реагирующих веществ и зависит от температуры, от присутствия в системе катализатора, но не зависит от концентрации реагирующих веществ. Константа скорости представляет собой скорость химической реакции (), если концентрации реагирующих веществ .

3. Зависимость скорости химической реакции от давления. Для газообразных систем увеличение давления или уменьшение объема, равноценно увеличению концентрации и наоборот.

Задача: Как изменится скорость химической реакции 2SO2(г) + O2(г) 2SO3(г), если давление в системе увеличить в 4 раза?

В соответствие с законом действия масс для прямой реакции, записываем выражение:

, пусть = a моль/л, = b моль/л, тогда по закону действия масс

Уменьшение объема в 4 раза соответствует увеличению концентрации в системе в 4 раза, тогда:

Влияние температуры на скорость химической реакции приближенно определяется правилом Вант-Гоффа. При повышении температуры на 100С скорость химической реакции возрастает в 2-4раза.

Математическая запись правила Вант-Гоффа: γ — температурный коэффициент скорости реакции или коэффициент Вант-Гоффа для большинства реакций лежит в пределах 2-4.

Задача. Во сколько раз изменится скорость химической реакции, протекающей в газовой фазе, если температура изменилась от 80 0С до 120 0С (γ = 3)?

В соответствии с правилом Вант-Гоффа записываем:

Увеличение скорости химической реакции при повышении температуры объясняется не только увеличением кинетической энергии взаимодействующих молекул. Например, число столкновений молекул растет пропорционально корню квадратному из абсолютной температуры. При нагревании веществ от нуля до ста градусов по Цельсию, скорость движения молекул возрастает в 1,2 раза, а скорость химической реакции возрастает примерно в 59 тысяч раз. Такое резкое увеличение скорости реакции с ростом температуры объясняется долей активных молекул, столкновения которых приводит к химическому взаимодействию. Согласно теории активных столкновений в реакцию вступают только активные молекулы, энергия которых превышает среднюю энергию молекул данного вещества, т.е. молекулы, обладающие энергией активации.

Энергия активации (EА) – это тот избыток энергии по сравнению со средним запасом, которым должны обладать молекулы для осуществления химической реакции. Если ЕА< 40 кДж/моль – реакции протекают быстро, если ЕА > 120 кДж/моль – реакции не идут, если ЕА = 40-120 кДж/моль – реакции протекают в обычных условиях. Повышение температуры снижает энергию активации, делает вещества более реакционно-способными, скорость взаимодействия при этом увеличивается.

Более точную зависимость скорости химической реакции от температуры установил C. Аррениус: константа скорости реакции пропорциональна основанию натурального логарифма, возведенного в степень ( –ЕА/RT). ,

А – предэкспоненциальный множитель, определяет число активных соударений;

е – экспонента (основание натурального логарифма).

Логарифмируя выражение , получим уравнение:

. Уравнение Аррениуса показывает, что скорость реакции тем выше, чем меньше энергия активации. Для снижения энергии активации используют катализаторы.

Химия, Биология, подготовка к ГИА и ЕГЭ

Изменение скорости реакции

08-Янв-2014 | комментария 3 | Лолита Окольнова

Скоростью химической реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Тема большая, зачастую в ней присутствуют формулы для расчета скорости, но в этой статье мы разберем все вопросы в формате подготовки к ЕГЭ.

Факторы, влияющие на

изменение скорости реакции

  • концентрация;
  • площадь поверхности реагентов;
  • катализатор реакции;
  • давление;
  • температура

Теперь разберем каждый фактор отдельно.

1. Влияние концентрации на изменение скорости реакции:

По указанному определению можно записать формулу скорости:

ν — скорость реакции

ΔС — изменение концентрации

Δt — время реакции

Если Δt — примем как постоянную, не меняющуюся величину, то изменение скорости реакции напрямую зависит от изменения концентрации

Изменение скорости реакции прямопропорционально изменению концентрации

Эта зависимость определяется не только уравнением. Есть простая логика — чем больше вещества, тем больше взаимодействие между частицами — тем быстрее идет реакция.

2. Влияние площади поверхности на изменение скорости реакции.

Есть гетерогенные реакции — реакции, в которых есть больше чем одна фаза:

— твердое вещество \ жидкость: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

— твердое вещество \ газ: C + O2= CO2

Изменение скорости реакции прямопропорционально площади поверхности

Давайте представим, что кусочек цинка бросили в кислоту. Что будет происходить? Слой за слоем металл будет растворяться.
А что будет если мы внесем в кислоту цинк в виде порошка? Конечно, реакция пройдет намного быстрее.

Есть, конечно, определенные нюансы, но в школьном курсе они не рассматриваются…

3. Влияние температуры на изменение скорости реакции.

Как и в случае концентрации, увеличение температуры увеличивает количество активных столкновений между частицами, что, естественно, увеличивает скорость реакции.

Изменение скорости реакции при повышении температуры соответствует правилу (приблизительному, для точных определений существует ряд формул) —

— при повышении температуры на 10ºС скорость химической реакции возрастает в два — четыре раза.

4. Влияние катализатора на изменение скорости реакции.
Здесь все очень просто. Определение катализа и катализатора говорит само за себя:

катализаторы — это вещества, которые повышают скорость химической реакции. Они вступают во взаимодействие с реагентами с образованием промежуточного химического соединения и освобождаются в конце реакции.

5. Влияние давления на изменение скорости реакции.
А вот на этот пункт стоит обратить внимание.

Давление влияет на изменение скорости реакции именно в газовой среде.

Любой газ занимает весь предоставленный объем — молекулы разлетаются, и число их столкновений уменьшается. Если повысить давление, число активных соударений возрастает, соответственно, скорость реакции увеличивается.

Изменение скорости реакции в газовой фазе прямопропорционально изменению давления

  • в ЕГЭ это вопрос А20 — Скорость реакции, ее зависимость от различных факторов

Категории:

  • Неорганическая химия
  • Теоретическая Химия
  • физическая химия

| Метки: лекция, неорганика, химия

Обсуждение: «Изменение скорости реакции»

  • Елена says: 06.12.2015 в 3:18 пп

    Доброго дня. помогите с решением:
    SO2+2O=2SO3
    во ск раз изменится скорость реакции, если
    а) уменьшение объема системы в 2 раза,
    б) повышение концентрации кислорода в 4 раза.
    Заранее благодарю

    • Лолита Окольнова says: 06.12.2015 в 5:08 пп

      у вас уравнение неверно записано. Должно быть: 2SO2 + O2 = 2SO3
      v = k* C^2(SO2) *C(O2)
      концентрация = моль\л, т.е. на объем
      из-за уменьшения объема концентрация увеличится в 2 раза: v=k*2C^2(SO2)*2C(O2)? т.е. в 8 раз ув-ся скорость
      Если увеличиваем в 4 раза концентрацию кислорода, то и скорость возрастет в 4 раза

  • Анифур says: 22.02.2019 в 9:00 дп

    Здравствуйте.Помогите пожалуйста:
    Хлорирование бензола до хлорбензола в дихлорэтане или тетрахлористом углероде протекает значительно медленнее, чем в уксусной кислоте.Дайте этому объяснение

Электронный читальный зал Поиск по сайту:

2.4 РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ “ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ”
(для нехимических специальностей)

1. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции N2(г)+3Н2(г)2NH3(г), если давление в системе увеличить в 2 раза?

Решение.

Увеличение давления в системе в 2 раза равносильно уменьшению объема системы в 2 раза. При этом концентрации реагирующих веществ возрастут в 2 раза. Согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна vн=k··3. После увеличения давления в 2 раза концентрации азота и водорода увеличатся в 2 раза, и скорость реакции станет равна vк=k·2·233=k·32·3. Отношение vк./vн показывает, как изменится скорость реакции после изменения давления. Следовательно, vк/vн=k·32·3/(k··3)=32. Ответ: скорость реакции увеличится в 32 раза.

2. В реакции С(т)+2H2(г)CH4(г) концентрацию водорода уменьшили в 3 раза. Как изменится скорость реакции?

Решение.

3. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры с 10 до 30oС (γ=3)?

Решение.

При увеличении температуры с 10 до 30oС скорость реакции в соответствии с правилом Вант-Гоффа возрастает:

4. Равновесие реакции 2H2(г)+O2(г)2H2O(г) ; ΔH<0 смещается вправо при:

1) повышении температуры; 2) уменьшении давления; 3) увеличении давления?

Решение.

Все вещества в системе – газы. В соответствии с принципом Ле Шателье, повышение давления приводит к смещению равновесия в сторону реакции, приводящей к меньшему количеству молей газов, т.е. в сторону образования Н2О. Следовательно, повышение давления в системе смещает равновесие реакции вправо. Ответ: при увеличении давления.

5. В какую сторону сместится равновесие реакции 2SO2(г)+O2(г)2SO3(г); ΔH<0 при повышении температуры?

Решение.

Поскольку ΔH<0, теплота выделяется в ходе прямой реакции, которая является экзотермической. Обратная реакция будет эндотермической. Повышение температуры всегда благоприятствует протеканию реакции с поглощением теплоты, т.е. равновесие сместится в сторону исходных веществ.

Ответ: влево.

Решение.

Константа равновесия обратимой химической реакции равна отношению произведения равновесных концентраций продуктов к произведению равновесных концентраций исходных веществ. Значение каждой из концентраций должно быть возведено в степень, равную стехиометрическому коэффициенту перед соответствующим веществом в уравнении реакции. Поэтому

Ответ: 0,233.

К следующему разделу

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции — основное понятие химической кинетики, выражающее отношения количества прореагировавшего вещества (в молях) к отрезку времени, за которое произошло взаимодействие.

Скорость реакции отражает изменение концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Единицы измерения для гомогенной реакции: моль/л * сек. Физический смысл в том, что каждую секунду какое-то количество одного вещества превращается в другое в единице объема.

Мне встречались задачи, где была дана молярная концентрация вещества до реакции и после, время и объем. Требовалось посчитать скорость реакции. Давайте решим подобное несложное задание для примера:

Молярная концентрация вещества до реакции составляла 1.5 моль/л по итогу реакции — 3 моль/л. Объем смеси 10 литров, реакция заняла 20 секунд. Рассчитайте скорость реакции.

Влияние природы реагирующих веществ

При изучении агрегатных состояний веществ возникает вопрос: где же быстрее всего идут реакции: между газами, растворами или твердыми веществами?

Запомните, что самая высокая скорость реакции между растворами, в жидкостях. В газах она несколько ниже.

Если реакция гетерогенная: жидкость + твердое вещество, газ + твердое вещество, жидкость + газ, то большую роль играет площадь соприкосновения реагирующих веществ.

Очевидно, что большой кусок железа, положенный в соляную кислоту, будет гораздо дольше реагировать с ней, нежели чем измельченное железо — железная стружка.

Химическая активность также играет важную роль. Например, отвечая на вопрос: какой из металлов Li или K быстрее прореагирует с водой? Мы отдадим предпочтение литию, так как в ряду активности металлов он стоит левее калия, а значит литий активнее калия.

Иногда для верного ответа на вопрос о скорости реакции требуется знание активности кислот. Мы подробнее обсудим эту тему в гидролизе, однако сейчас я замечу: чем сильнее (активнее) кислота, тем быстрее идет реакция.

Например, реакцию магния с серной кислотой протекает гораздо быстрее реакции магния с уксусной кислотой. Причиной этому служит то, что серная кислота относится к сильным (активным) кислотам, а активность уксусной кислоты меньше, она является слабой кислотой.

Как я уже упомянул, слабые и сильные кислоты и основания изучаются в теме гидролиз.

Влияние изменения концентрации

Влияние концентрации «прямо пропорционально» скорости реакции: при увлечении концентрации реагирующего вещества скорость реакции повышается, при уменьшении — понижается.

Замечу деталь, которая может оказаться важной, если в реакции участвуют газы: при увеличении давления концентрация вещества на единицу объема возрастает (представьте, как газ сжимается). Поэтому увеличение давление, если среди исходных веществ есть газ, увеличивает скорость реакции.

Закон действующих масс устанавливает соотношение между концентрациями реагирующих веществ и их продуктами. Скорость простой реакции aA + bB → cC определяют по уравнению:

υ = k × СaA × СbB

Физический смысл константы скорости — k — в том, что она численно равна скорости реакции при том условии, что концентрации реагирующих веществ равны 1. Обратите внимание, что стехиометрические коэффициенты уравнения переносятся в степени — a и b.

Записанное выше следствие закона действующих масс нужно не только «зазубрить», но и понять. Поэтому мы решим пару задач, где потребуется написать подобную формулу.

Окисление диоксида серы протекает по уравнению: 2SO2(г) + O2 = 2SO3(г). Как изменится скорость этой реакции, если объемы системы уменьшить в три раза?

По итогу решения становится ясно, что скорость реакции в таком случае возрастет в 27 раз.

Решим еще одну задачу. Дана реакция синтеза аммиака: N2 + ЗН2 = 2NH3. Как изменится скорость прямой реакции образования аммиака, если уменьшить концентрацию водорода в два раза?

В результате решения мы видим, что при уменьшении концентрации водорода в два раза скорость реакции замедлится в 8 раз.

Влияние изменения температуры на скорость реакции

Постулат, который рекомендую временно взять на вооружение: «Увеличение температуры увеличивает скорость абсолютно любой химической реакции: как экзотермической, так и эндотермической. Исключений нет».

Очень часто в заданиях следующей темы — химическом равновесии, вас будут пытаться запутать и ввести в заблуждении, но вы не поддавайтесь и помните про постулат!

Итак, влияние температуры на скорость реакции «прямо пропорционально»: чем выше температура, тем выше скорость реакции — чем ниже температура, тем меньше и скорость реакции. Однако, как и в случае с концентрацией, это больше чем простая «пропорция».

Правило Вант-Гоффа, голландского химика, позволяет точно оценить влияние температуры на скорость химической реакции. Оно звучит так: «При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два — четыре раза»

В формуле, написанной выше, используются следующие обозначение:

  • υ1 — скорость реакции при температуре t1
  • υ2 — скорость реакции при температуре t2
  • γ — температурный коэффициент, который может быть равен 2-4

Если по итогам решения задач у вас получится температурный коэффициент меньше 2 или больше 4, то, скорее всего, где-то вы допустили ошибку. Используйте этот факт для самопроверки.

Для тренировки решим пару задач, в которых потребуется использование правило Вант-Гоффа.

Как изменится скорость гомогенной реакции при повышении температуры от 27°C до 57°C при температурном коэффициенте, равном трем?

Иногда в задачах требуется рассчитать температурный коэффициент, как, например, здесь: «Рассчитайте, чему равен температурный коэффициент скорости, если известно, что при понижении температуры от 250°C до 220°C скорость реакции уменьшилась в 8 раз».

Катализаторы и ингибиторы

Катализатор (греч. katalysis — разрушение) — вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не участвующее в ней. Катализатор не расходуется в химической реакции.

Многие химические реакции в нашем организме протекают с участием катализаторов — белковых молекул, ферментов. Без катализаторов подобные реакции шли бы сотни лет, а с катализаторами идут одну долю секунды.

Катализом называют явление ускорения химической реакции под действием катализатора, а химические реакции, идущие с участием катализатора — каталитическими.

Ингибитор (лат. inhibere — задерживать) — вещество, замедляющее или предотвращающее протекание какой-либо химической реакции.

Ингибиторы применяют для замедления коррозии металла, окисления топлива, старения полимеров. Многие лекарственные вещества являются ингибиторами.

Так при лечении гастрита — воспаления желудка (греч. gaster — желудок) или язв часто назначаются ингибиторы протонной помпы — химические вещества, которые блокирует выработку HCl слизистой желудке. В результате этого соляная кислота прекращает воздействие на поврежденную стенку желудка, воспаление стихает.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2020

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *