Обычно концентрацию выражают в моль⁄ л, а время - в секундах или минутах. Если, например, исходная концентрация одного из реагирующих веществ составляла 1 моль⁄л, а через 4 с. от начала реакции она стала 0,6 моль⁄л, то средняя скорость реакции будет равна (1-0,6) ⁄ 4 = 0,1 моль⁄(л∙с).
Рассмотрим в общем виде скорость реакции, протекающей по уравнению
А + В = С + D (1)
По мере расходования вещества А скорость реакции уменьшается. Отсюда следует, что скорость реакции может быть определена лишь для некоторого промежутка времени.
Так как концентрация вещества А в момент времени t 1 измеряется величиной c 1 , а в момент t 2 - величиной c 2 , то за промежуток времени ∆t = t 2 - t 1 изменение концентрации вещества составит ∆c = c 2 - c 1 , откуда определится средняя скорость реакции (υ)
υ = - (c 2 - c 1 ⁄ t 2 - t 1) = ∆c⁄∆t
Знак минус ставится потому, что, несмотря на убывание концентрации вещества А и, следовательно, на отрицательное значение разности c 2 - c 1, скорость реакции может быть только положительной величиной.
Можно также следить за изменением концентрации одного из продуктов реакции - веществ С или D; она в ходе реакции будет возрастать, и поэтому в правой части уравнения нужно ставить знак плюс.
Поскольку скорость реакции все время изменяется, то в химической кинетике рассматривают только истинную скорость реакции υ , т. е. скорость в данный момент времени.
Скорость химической реакции зависит от:
1. природы реагирующих веществ и условий протекания реакции
2. концентрации реагирующих веществ c;
3. температуры t;
4. присутствия катализаторов;
5. а также от некоторых других факторов (например, от давления - для газовых реакций, от измельчения - для твердых веществ, от радиоактивного облучения).
Чтобы осуществлялось химическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (частицы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений тем больше, чем выше концентрация реагирующихвеществ.
Отсюда на основе обширного экспериментального материала сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ:
скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
Для реакции (1) этот закон выразится уравнением
υ =k c А∙ c В, или υ =k[А]∙[В] ,
где c А и c В или [А] и [В] - концентрации веществ А и В, моль⁄л;
k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции. Основной закон химической кинетики часто называют законом действующих масс.
В общем случае, если в реакцию вступают одновременно т молекул вещества А и n молекул вещества В, т. е.
уравнение скорости реакции имеет вид:
υ = k[А] m ∙[В] n ,
Это уравнение есть математическое выражение закона действующих масс в общем виде.
Из данных уравнений нетрудно установить физический смысл константы скорости k: она численно равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ составляют 1 моль⁄л или когда их произведение равно единице.
Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от их концентраций.
Основной закон химической кинетики не учитывает реагирующие вещества, находящиеся в твердом состоянии, т. к. их концентрации постоянны и они реагируют лишь на поверхности.
Так, например, для реакции горения угля:
С + О 2 = СО 2
скорость реакции пропорциональна только концентрации кислорода: υ = k[О 2 ].
Влияние температуры. Зависимостьскорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа:
приповышении температуры на каждые 10 ◦ скорость большинства реакцийувеличивается в 2 - 4 раза.
Математически эта зависимость выражается соотношением
V t2 = V t1 γ t2- t 1 ⁄ 10
Где V t1 и V t2 - скорости реакции соответственно при начальной и конечной температурах, а γ - температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10 ◦ .
Скорость химической реакции равна изменению количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства В зависимости от типа химической реакции (гомогенная или гетерогенная) меняется характер реакционного пространства. Реакционным пространством принято называть область, в которой локализован химический процесс: объем (V), площадь (S).
Реакционным пространством гомогенных реакций является объем, заполненный реагентами. Так как отношение количества вещества к единице объема называется концентрацией (с), то скорость гомогенной реакции равна изменению концентрации исходных веществ или продуктов реакции во времени. Различают среднюю и мгновенную скорости реакции.
Средняя скорость реакции равна:
где с2 и с1 - концентрации исходных веществ в моменты времени t2 и t1.
Знак минус «-» в этом выражении ставится при нахождении скорости через изменение концентрации реагентов (в этом случае Dс < 0, так как со временем концентрации реагентов уменьшаются); концентрации продуктов со временем нарастают, и в этом случае используется знак плюс «+».
Скорость реакции в данный момент времени или мгновенная (истинная)скорость реакции vравна:
Скорость реакции в СИ имеет единицу [моль×м-3×с-1], также используются и другие единицы величины [моль×л-1×с-1], [моль×см-3 ×с-1], [моль×см –З×мин-1].
Скоростью гетерогенной химической реакции v называют, изменение количества реагирующего вещества (Dn) за единицу времени (Dt) на единице площади раздела фаз (S) и определяется по формуле:
или через производную:
Единица скорости гетерогенной реакции - моль/м2 ×с.
Пример 1 . В сосуде смешали хлор и водород. Смесь нагрели. Через 5 с концентрация хлороводорода в сосуде стала равной 0,05 моль/дм3. Определите среднюю скорость образования хлороволорода (моль/дм3 с).
Решение. Определяем изменение концентрации хлороводорода в сосуде через 5 с после начала реакции:
где с2, с1 - конечная и начальная молярная концентрация HСl.
Dс (НСl) = 0,05 - 0 = 0,05 моль/дм3.
Рассчитаем среднюю скорость образования хлороводорода, используя уравнение (3.1):
Ответ: 7 = 0,01 моль/дм3 ×с.
Пример 2. В сосуде объемом 3 дм3 протекает реакция:
C2H2 + 2H2®C2H6.
Исходная масса водорода равна 1 г. Через 2 с после начала реакции масса водорода стала равной 0,4 г. Определите среднюю скорость образования С2Н6 (моль/дм"×с).
Решение. Масса водорода, вступившего в реакцию (mпрор (H2)), равна разнице между исходной массой водорода (mисх (Н2)) и конечной массой непрореагировавшего водорода (тк (Н2)):
тпрор.(Н2)= тисх (Н2)-mк(Н2); тпрор (Н2)= 1-0,4 = 0,6 г.
Рассчитаем количество водорода:
= 0,3 моль.
Определяем количество образовавшегося С2Н6:
По уравнению: из 2 моль Н2 образуется ® 1 моль С2Н6;
По условию: из 0,3 моль Н2 образуется ® х моль С2Н6.
n(С2Н6) = 0,15 моль.
Вычисляем концентрацию образовавшегося С2Н6:
Находим изменение концентрации С2Н6:
0,05-0 = 0,05 моль/дм3. Рассчитаем среднюю скорость образования С2Н6, используя уравнение (3.1):
Ответ: =0,025 моль/дм3 ×с.
Факторы, влияющие на скорость химической реакции . Скорость химической реакции определяется следующими основными факторами:
1) природой реагирующих веществ (энергия активации);
2) концентрацией реагирующих веществ (закон действующих масс);
3) температурой (правило Вант-Гоффа);
4) наличием катализаторов (энергия активации);
5) давлением (реакции с участием газов);
6) степенью измельчения (реакции, протекающие с участием твердых веществ);
7) видом излучения (видимое, УФ, ИК, рентгеновское).
Зависимость скорости химической реакции от концентрации выражается основным законом химической кинетики - законом действующих масс.
Закон действующих масс . В 1865 г. профессор Н. Н. Бекетов впервые высказал гипотезу о количественной взаимосвязи между массами реагентов и временем течения реакции: «... притяжение пропорционально произведению действующих масс». Эта гипотеза нашла подтверждение в законе действия масс, который был установлен в 1867 г. двумя норвежскими химиками К. М. Гульдбергом и П. Вааге. Современная формулировка закона действия масс такова: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степе нях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравненш реакции.
Для реакции аА + bВ = тМ + nN кинетическое уравнение за-кона действия масс имеет вид:
, (3.5)
где - скорость реакции;
k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции (при = 1 моль/дм3 k численно равна ); - концентрации реагентов, участвующих в реакции.
Константа скорости химической реакции не зависит от концентрации реагентов, а определяется природой реагирующих веществ и условиями протекания реакций (температурой, наличием катализатора). Для конкретной реакции, протекающей при данных условиях, константа скорости есть величина постоянная.
Пример 3. Написать кинетическое уравнение закона действия масс для реакции:
2NO (г) + С12 (г) = 2NOCl (г).
Решение. Уравнение (3.5) для данной химической реакции имеет:ледующий вид:
.
Для гетерогенных химических реакций в уравнение закона действующих масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой или жидкой фазах. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно постоянна и входит в константу скорости.
Пример 4. Написать кинетическое уравнение закона действия масс для реакций:
a)4Fe(т) + 3O2(г) = 2Fe2O3(т);
б) СаСОз (т) = СаО (т) + СО2 (г).
Решение. Уравнение (3.5) для данных реакций будет иметь следующий вид:
Поскольку карбонат кальция - твердое вещество, концентрация которого не изменяется в ходе реакции, т. е. в данном случае скорость реакции при определенной температуре постоянна.
Пример 5. Во сколько раз увеличится скорость реакции окисления оксида азота (II) кислородом, если концентрации реагентов увеличить в два раза?
Решение. Записываем уравнение реакции:
2NO + О2= 2NO2.
Обозначим начальные и конечные концентрации реагентов соответственно с1(NO), cl(O2) и c2(NO), c2(O2). Точно так же обозначим начальную и конечную скорости реакций: vt, v2. Тогда, используя уравнение (3.5), получим:
.
По условию с2(NO) = 2c1 (NO), с2(О2) =2с1(О2).
Находим v2 =к2 ×2cl(O2).
Находим, во сколько раз увеличится скорость реакции:
Ответ: в 8 раз.
Влияние давления на скорость химической реакции наиболее существенно для процессов с участием газов. При изменении давления в и раз в п раз уменьшается объем иn раз возрастает концентрация, и наоборот.
Пример 6. Во сколько раз возрастет скорость химической реакции между газообразными веществами, реагирующими по уравнению А + В = С, если увеличить давление в системе в 2 раза?
Решение. Используя уравнение (3.5), выражаем скорость реакции до увеличения давления:
.
Кинетическое уравнение после увеличения давления будет иметь следующий вид:
.
При увеличении давления в 2 раза объем газовой смеси согласно закону Бойля-Мариотта (рУ = const) уменьшится также в 2 раза. Следовательно, концентрация веществ возрастет в 2 раза.
Таким образом, с2(А) = 2c1(A), c2(B) = 2с1{В). Тогда
Определяем, во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении давления.
Изучением скорости химической реакции и условиями, влияющими на ее изменение, занимается одно из направлений физической химии - химическая кинетика. Она также рассматривает механизмы протекания этих реакций и их термодинамическую обоснованность. Эти исследования важны не только в научных целях, но и для контроля взаимодействия компонентов в реакторах при производстве всевозможных веществ.
Скоростью реакции принято называть некое изменение концентраций, вступивших в реакцию соединений (ΔС) в единицу времени (Δt). Математическая формула скорости химической реакции выглядит следующим образом:
ᴠ = ±ΔC/Δt.
Измеряют скорость реакции в моль/л∙с, если она происходит во всем объеме (то есть реакция гомогенная) и в моль/м 2 ∙с, если взаимодействие идет на поверхности, разделяющей фазы (то есть реакция гетерогенная). Знак «-» в формуле имеет отношение к изменению значений концентраций исходных реагирующих веществ, а знак «+» - к изменяющимся значениям концентраций продуктов той же самой реакции.
Взаимодействия химических веществ могут осуществляться с различной скоростью. Так, скорость нарастания сталактитов, то есть образования карбоната кальция, составляет всего 0,5 мм за 100 лет. Медленно идут некоторые биохимические реакции, например, фотосинтез и синтез белка. С довольно низкой скоростью протекает коррозия металлов.
Средней скоростью можно охарактеризовать реакции, требующие от одного до нескольких часов. Примером может послужить приготовление пищи, сопровождающееся разложением и превращением соединений, содержащихся в продуктах. Синтез отдельных полимеров требует нагревания реакционной смеси в течение определенного времени.
Примером химических реакций, скорость которых довольно высока, могут послужить реакции нейтрализации, взаимодействие гидрокарбоната натрия с раствором уксусной кислоты, сопровождающееся выделением углекислого газа. Также можно упомянуть взаимодействие нитрата бария с сульфатом натрия, при котором наблюдается выделение осадка нерастворимого сульфата бария.
Большое число реакций способно протекать молниеносно и сопровождаются взрывом. Классический пример - взаимодействие калия с водой.
Стоит отметить, что одни и те же вещества могут реагировать друг с другом с различной скоростью. Так, например, смесь газообразных кислорода и водорода может довольно длительное время не проявлять признаков взаимодействия, однако при встряхивании емкости или ударе реакция приобретает взрывной характер. Поэтому химической кинетикой и выделены определенные факторы, которые имеют способность оказывать влияние на скорость химической реакции. К ним относят:
Столь существенное отличие в скоростях химических реакций объясняется разными значениями энергии активации (Е а). Под ней понимают некое избыточное количество энергии в сравнении со средним ее значением, необходимым молекуле при столкновении, для того чтобы реакция произошла. Измеряется в кДж/моль и значения обычно бывают в границах 50-250.
Принято считать, что если Е а =150 кДж/моль для какой-либо реакции, то при н. у. она практически не протекает. Эта энергия тратится на преодоление отталкивания между молекулами веществ и на ослабление связей в исходных веществах. Иными словами, энергия активации характеризует прочность химических связей в веществах. По значению энергии активации можно предварительно оценить скорость химической реакции:
Зависимость скорости реакции от концентрации вернее всего характеризуется законом действующих масс (ЗДМ), который гласит:
Скорость химической реакции имеет прямо пропорциональную зависимость от произведения концентраций, вступивших в реакцию веществ, значения которых взяты в степенях, соответствующих им стехиометрическим коэффициентам.
Этот закон подходит для элементарных одностадийных реакций, или же какой-либо стадии взаимодействия веществ, характеризующегося сложным механизмом.
Если требуется определить скорость химической реакции, уравнение которой можно условно записать как:
αА+ bB = ϲС, то,
в соответствии с выше обозначенной формулировкой закона, скорость можно найти по уравнению:
V=k·[A] a ·[B] b , где
a и b - стехиометрические коэффициенты,
[A] и [B] - концентрации исходных соединений,
k - константа скорости рассматриваемой реакции.
Смысл коэффициента скорости химической реакции заключается в том, что ее значение будет равно скорости, если концентрации соединений будут равны единицам. Следует отметить, что для правильного расчета по этой формуле стоит учитывать агрегатное состояние реагентов. Концентрацию твердого вещества принимают равной единице и не включают в уравнение, поскольку в ходе реакции она остается постоянной. Таким образом, в расчет по ЗДМ включают концентрации только жидких и газообразных веществ. Так, для реакции получения диоксида кремния из простых веществ, описываемой уравнением
Si (тв) + Ο 2(г) = SiΟ 2(тв) ,
скорость будет определяться по формуле:
Как изменилась бы скорость химической реакции монооксида азота с кислородом, если бы концентрации исходных соединений увеличили в два раза?
Решение: Этому процессу соответствует уравнение реакции:
2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 .
Запишем выражения для начальной (ᴠ 1) и конечной (ᴠ 2) скоростей реакции:
ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ] и
ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ].
ᴠ 1 /ᴠ 2 = (k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ]) / (k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ]).
ᴠ 2 /ᴠ 1 = 4·2/1 = 8.
Ответ: увеличилась в 8 раз.
Зависимость скорости химической реакции от температуры была определена опытным путем голландским ученым Я. Х. Вант-Гоффом. Он установил, что скорость многих реакций возрастает в 2-4 раза с повышением температуры на каждые 10 градусов. Для этого правила имеется математическое выражение, которое имеет вид:
ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 , где
ᴠ 1 и ᴠ 2 - соответствующие скорости при температурах Τ 1 и Τ 2 ;
γ - температурный коэффициент, равен 2-4.
Вместе с тем это правило не объясняет механизма влияния температуры на значение скорости той или иной реакции и не описывает всей совокупности закономерностей. Логично сделать вывод о том, что с повышением температуры, хаотичное движение частиц усиливается и это провоцирует большее число их столкновений. Однако это не особо влияет на эффективность соударения молекул, поскольку она зависит, главным образом, от энергии активации. Также немалую роль в эффективности столкновения частиц имеет их пространственное соответствие друг другу.
Зависимость скорости химической реакции от температуры, учитывающая природу реагентов, подчиняется уравнению Аррениуса:
k = А 0 ·е -Еа/RΤ , где
А о - множитель;
Е а - энергия активации.
Как следует изменить температуру, чтобы скорость химической реакции, у которой температурный коэффициент численно равен 3, выроста в 27 раз?
Решение. Воспользуемся формулой
ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 .
Из условия ᴠ 2 /ᴠ 1 = 27, а γ = 3. Найти нужно ΔΤ = Τ 2 -Τ 1 .
Преобразовав исходную формулу получаем:
V 2 /V 1 =γ ΔΤ/10 .
Подставляем значения: 27=3 ΔΤ/10 .
Отсюда понятно, что ΔΤ/10 = 3 и ΔΤ = 30.
Ответ: температуру следует повысить на 30 градусов.
В физической химии скорость химических реакций активно изучает также раздел, называемый катализом. Его интересует, как и почему сравнительно малые количества тех или иных веществ существенно увеличивают скорость взаимодействия других. Такие вещества, которые могут ускорять реакцию, но сами при этом в ней не расходуются, называются катализаторами.
Доказано, что катализаторы меняют механизм самого химического взаимодействия, способствуют появлению новых переходных состояний, для которых характерны меньшие высоты энергетического барьера. То есть они способствуют снижению энергии активации, а значит и увеличению количества эффективных ударений частиц. Катализатор не может вызвать реакцию, которая энергетически невозможна.
Так пероксид водорода способен разлагаться с образованием кислорода и воды:
Н 2 Ο 2 = Н 2 Ο + Ο 2 .
Но эта реакция очень медленная и в наших аптечках она существует в неизменном виде довольно долгое время. Открывая лишь очень старые флаконы с перекисью, можно заметить небольшой хлопок, вызванный давлением кислорода на стенки сосуда. Добавление же всего нескольких крупинок оксида магния спровоцирует активное выделение газа.
Та же реакция разложения перекиси, но уже под действием каталазы, происходит при обработке ран. В живых организмах находится много различных веществ, которые увеличивают скорость биохимических реакций. Их принято называть ферментами.
Противоположный эффект на протекание реакций оказывают ингибиторы. Однако это не всегда плохо. Ингибиторы используют для защиты металлической продукции от коррозии, для продления срока хранения пищи, например, для предотвращения окисления жиров.
В том случае, если взаимодействие идет между соединениями, имеющими разные агрегатные состояния, или же между веществами, которые не способны образовывать гомогенную среду (не смешивающиеся жидкости), то еще и этот фактор влияет на скорость химической реакции существенно. Связано это с тем, что гетерогенные реакции осуществляются непосредственно на границе раздела фаз взаимодействующих веществ. Очевидно, что чем обширнее эта граница, тем больше частиц имеют возможность столкнуться, и тем быстрее идет реакция.
Например, гораздо быстрее идет в виде мелких щепок, нежели в виде бревна. С той же целью многие твердые вещества растирают в мелкий порошок, прежде чем добавлять в раствор. Так, порошкообразный мел (карбонат кальция) быстрее действует с соляной кислотой, чем кусочек той же массы. Однако, помимо увеличения площади, данный прием приводит также к хаотичному разрыву кристаллической решетки вещества, а значит, повышает реакционную способность частиц.
Математически скорость гетерогенной химической реакции находят, как изменение количества вещества (Δν), происходящее в единицу вре-мени (Δt) на единице поверхности
(S): V = Δν/(S·Δt).
Изменение давления в системе оказывает влияние лишь в том случае, когда в реакции принимают участие газы. Повышение давления сопровождается увеличением молекул вещества в единице объема, то есть концентрация его пропорционально возрастает. И наоборот, понижение давление приводит к эквивалентному уменьшению концентрации реагента. В этом случае подходит для вычисления скорости химической реакции формула, соответствующая ЗДМ.
Задача. Как возрастет скорость реакции, описываемой уравнением
2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 ,
если объем замкнутой системы уменьшить в три раза (Т=const)?
Решение. При уменьшении объема пропорционально увеличивается давление. Запишем выражения для начальной (V 1) и конечной (V 2) скоростей реакции:
V 1 = k· 2 ·[Ο 2 ] и
V 2 = k·(3·) 2 ·3·[Ο 2 ] = k·9[ΝΟ] 2 ·3[Ο 2 ].
Чтобы найти во сколько раз новая скорость больше начальной, следует разделить левые и правые части выражений:
V 1 /V 2 = (k·9[ΝΟ] 2 ·3[Ο 2 ]) / (k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ]).
Значения концентраций и константы скорости сокращаются, и остается:
V 2 /V 1 = 9·3/1 = 27.
Ответ: скорость возросла в 27 раз.
Подводя итог, нужно отметить, что на скорость взаимодействия веществ, а точнее, на количество и качество столкновений их частиц, влияет множество факторов. В первую очередь - это энергия активации и геометрия молекул, которые практически невозможно скорректировать. Что касается остальных условий, то для роста скорости реакции следует:
Разделы: Химия
Цель урока
Средства обучения: Д. мультимедийный проектор, компьютер, слайды по основным вопросам урока, CD-диск «Кирилл и Мефодий», таблицы на столах, протоколы лабораторной работы, лабораторное оборудование и реактивы;
Методы обучения: репродуктивный, исследовательский, частично поисковый;
Форма организации занятий: беседа, практическая работа, самостоятельная работа, тестирование;
Форма организации работы учащихся: фронтальная, индивидуальная, групповая, коллективная.
1. Организация класса
Готовность класса к работе.
2. Подготовка к основному этапу усвоения учебного материала. Активизация опорных знаний и умений (Слайд 1, см. презентацию к уроку).
Тема урока «Скорость химических реакций. Факторы, влияющие на скорость химической реакции».
Задача: выяснить, что есть скорость химической реакции, и от каких факторов она зависит. В ходе урока познакомимся с теорией вопроса по вышеназванной теме. На практике подтвердим некоторые наши теоретические предположения.
Прогнозируемая деятельность учеников
Активная работа учащихся показывает их готовность к восприятию темы урока. Нужны знания учащихся о скорости химической реакции из курса 9 класса (внутрипредметная связь).
Обсудим следующие вопросы (фронтально, слайд 2):
Рассмотрим два примера (эксперимент проводит учитель).
На столе – две пробирки, в одной раствор щелочи (КOH), в другой – гвоздь; в обе пробирки приливаем раствор CuSO4. Что мы наблюдаем?
Прогнозируемая деятельность учеников
На примерах учащиеся судят о скорости реакций и делают соответствующие выводы. Запись на доске проделанных реакций (двое учащихся).
В первой пробирке реакция произошла мгновенно, во второй – видимых изменений пока нет.
Составим уравнения реакций (два ученика записывают на доске уравнения):
Какой вывод по проведённым реакциям мы можем сделать? Почему одна реакция идёт мгновенно, другая медленно? Для этого необходимо вспомнить, что есть химические реакции, которые протекают во всём объёме реакционного пространства (в газах или растворах), а есть другие, протекающие лишь на поверхности соприкосновения веществ (горение твёрдого тела в газе, взаимодействие металла с кислотой, солью менее активного металла).
Прогнозируемая деятельность учеников
По результатам демонстрированного эксперимента учащиеся делают вывод: реакция 1 – гомогенная, а реакция
2– гетерогенная.
Скорости этих реакций будут математически определяться по-разному.
Учение о скоростях и механизмах химических реакций называется химической кинетикой.
3. Усвоение новых знаний и способов действий (Слайд 3)
Скорость реакции определяется изменением количества вещества в единицу времени
В единице V
(для гомогенной)
На единице поверхности соприкосновения веществ S (для гетерогенной)
Очевидно, что при таком определении величина скорости реакции не зависит от объёма в гомогенной системе и от площади соприкосновения реагентов – в гетерогенной.
Прогнозируемая деятельность учеников
Активные действия учащихся с объектом изучения. Занесение таблицы в тетрадь.
Из этого следуют два важных момента (слайд 4):
2) рассчитанная величина скорости будет зависеть от того, по какому веществу её определяют, а выбор последнего зависит от удобства и лёгкости измерения его количества.
Например, для реакции 2Н 2 +О 2 = 2Н 2 О: υ (по Н 2) = 2 υ (по О 2) = υ (по Н 2 О)
4. Закрепление первичных знаний о скорости химической реакции
Для закрепления рассмотренного материала решим расчетную задачу.
Прогнозируемая деятельность учеников
Первичное осмысление полученных знаний о скорости реакции. Правильность решения задачи.
Задача (слайд 5). Химическая реакция протекает в растворе, согласно уравнению: А+В = С. Исходные концентрации: вещества А – 0,80 моль/л, вещества В – 1,00 моль/л. Через 20 минут концентрация вещества А снизилась до 0, 74 моль/л. Определите: а) среднюю скорость реакции за этот промежуток времени;
б) концентрацию вещества В через 20 мин. Решение (приложение 4 , слайд 6).
5. Усвоение новых знаний и способов действий (проведение лабораторной работы в ходе повторения и изучения нового материала, поэтапно, приложение 2).
Нам известно, что на скорость химической реакции влияют разные факторы. Какие?
Прогнозируемая деятельность учеников
Опора на знания 8-9 классов, запись в тетради по ходу изучения материала. Перечисляют (слайд 7):
Природа реагирующих веществ;
Температура;
Концентрация реагирующих веществ;
Действие катализаторов;
Поверхность соприкосновения реагирующих веществ (в гетерогенных реакциях).
Влияние всех перечисленных факторов на скорость реакции можно объяснить, используя простую теорию – теорию столкновений (слайд 8). Основная идея её такова: реакции происходят при столкновении частиц реагентов, которые обладают определённой энергией.
Отсюда можно сделать выводы:
Минимальный избыток энергии (над средней энергией частиц в системе), необходимый для эффективного соударения частиц в системе), необходимый для эффективного соударения частиц реагентов, называется энергией активации Е а.
Прогнозируемая деятельность учеников
Осмысливание понятия и запись определения в тетрадь.
Таким образом, на пути всех частиц, вступающих в реакцию, имеется некоторый энергетический барьер, равный энергии активации. Если он маленький, то находится много частиц, которые успешно его преодолевают. При большом энергетическом барьере необходима дополнительная энергия для его преодоления, иногда достаточно хорошего «толчка». Я зажигаю спиртовку – я сообщаю дополнительную энергию Е а, необходимую для преодоления энергетического барьера в реакции взаимодействия молекул спирта с молекулами кислорода.
Рассмотрим факторы , которые влияют на скорость реакции.
1) Природа реагирующих веществ (слайд 9).Под природой реагирующих веществ понимают их состав, строение, взаимное влияние атомов в неорганических и органических веществах.
Величина энергии активации веществ – это фактор, посредством которого сказывается влияние природы реагирующих веществ на скорость реакции.
Инструктаж.
Самостоятельная формулировка выводов (приложение 3 дома)
В жизни мы сталкиваемся с разными химическими реакциями. Одни из них, как ржавление железа, могут идти несколько лет. Другие, например, сбраживание сахара в спирт, - несколько недель. Дрова в печи сгорают за пару часов, а бензин в моторе - за долю секунды.
Чтобы уменьшить затраты на оборудование, на химических заводах повышают скорость реакций. А некоторые процессы, например, порчу пищевых продуктов, коррозию металлов, - нужно замедлить.
Скорость химической реакции можно выразить как изменение количества вещества (n, по модулю) в единицу времени (t) - сравните скорость движущегося тела в физике как изменение координат в единицу времени: υ = Δx/Δt . Чтобы скорость не зависела от объема сосуда, в котором протекает реакция, делим выражение на объем реагирующих веществ (v), т. е. получаем изменение количества вещества в единицу времени в единице объема, или изменение концентрации одного из веществ в единицу времени :
где c = n / v - концентрация вещества,
Δ (читается «дельта») - общепринятое обозначение изменения величины.
Если в уравнении у веществ разные коэффициенты, скорость реакции для каждого из них, рассчитанная по этой формуле будет различной. Например, 2 моль серни́стого газа прореагировали полностью с 1 моль кислорода за 10 секунд в 1 литре:
2SO 2 + O 2 = 2SO 3
Скорость по кислороду будет: υ = 1: (10 1) = 0,1 моль/л·с
Скорость по серни́стому газу: υ = 2: (10 1) = 0,2 моль/л·с - это не нужно запоминать и говорить на экзамене, пример приведен для того, чтобы не путаться, если возникнет этот вопрос.
Скорость гетерогенных реакций (с участием твердых веществ) часто выражают на единицу площади соприкасающихся поверхностей:
Гетерогенными называются реакции, когда реагирующие вещества находятся в разных фазах:
Гомогенные реакции протекают между веществами в одной фазе:
1) Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ . Проще говоря, разные вещества реагируют с разной скоростью. Например, цинк бурно реагирует с соляной кислотой, а железо довольно медленно.
2) Скорость реакции тем больше, чем выше концентрация веществ. С сильно разбавленной кислотой цинк будет реагировать значительно дольше.
3) Скорость реакции значительно повышается с повышением температуры . Например, для горения топлива необходимо его поджечь, т. е. повысить температуру. Для многих реакций повышение температуры на 10° C сопровождается увеличением скорости в 2–4 раза.
4) Скорость гетерогенных реакций увеличивается с увеличением поверхности реагирующих веществ . Твердые вещества для этого обычно измельчают. Например, чтобы порошки железа и серы при нагревании вступили в реакцию, железо должно быть в виде мелких опилок.
Обратите внимание, что в данном случае подразумевается формула (1) ! Формула (2) выражает скорость на единице площади, следовательно не может зависеть от площади.
5) Скорость реакции зависит от наличия катализаторов или ингибиторов.
Катализаторы - вещества, ускоряющие химические реакции, но сами при этом не расходующиеся. Пример - бурное разложение перекиси водорода при добавлении катализатора - оксида марганца (IV):
2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2
Оксид марганца (IV) остается на дне, его можно использовать повторно.
Ингибиторы - вещества, замедляющие реакцию. Например, для продления срока службы труб и батарей в систему водяного отопления добавляют ингибиторы коррозии. В автомобилях ингибиторы коррозии добавляются в тормозную, охлаждающую жидкость.
Еще несколько примеров.
