Міністерство освіти і науки України
"Вивчення основних закономірностей перебігу хімічних реакцій"
Донецьк
Зміст
Введення
Перетворення енергії при хімічних реакціях
Термохімія
Різні види теплоти
Термохімічні розрахунки
Швидкість хімічної реакції
Гетерогенні та гомогенні системи
Швидкість гетерогенної і гомогенної реакції
Залежність швидкості реакції від концентрацій реагуючих речовин
Залежність швидкості реакції від температури і від природи реагуючих речовин
Список використаної літератури
Введення
Хімічні реакції це всім знайоме явище в області хімії і фізики. Вчені хіміки та фізики розглянувши величезна кількість різних хімічних реакцій (реакцій з'єднання, розпаду, обміну та інші) змогли докладніше вивчити сутність протікання хімічних реакцій, в нормальних умовах або ж під впливом різних факторів. Під час реакцій коли змінюється структура речовин (простих і складних) і відбувається їх зміни (з'єднання одного та іншого, заміна одного або декількох атомів вступають у хімічну реакцію речовин, розкладання одного складного речовини на більш просте) можна спостерігати різні явища залежать від того які саме речовини вступають в реакцію, наприклад виділення тепла, поглинання енергії і то багато іншого, що буде описано в даному рефераті. Варто додати, що також необхідно врахувати умови протікання реакції, оскільки зовнішні чинники теж можуть вплинути перебіг реакції.
Перетворення енергії при хімічних реакціях
Хімічні реакції протікають з виділенням або з поглинанням енергії. Зазвичай ця енергія виділяється або поглинається у вигляді теплоти. Так, горіння, з'єднання металів, сірого чи з хлором, нейтралізація кислот лугами супроводжуються виділенням значних кількостей теплоти. При цьому такі реакції, як розкладання карбонату кальцію, утворення оксиду азоту (II) з азоту і кисню, вимагають для свого, протікання безперервного припливу теплоти ззовні і негайно ж припиняються, якщо нагрівання припиняється. Ясно, що ці реакції протікають з поглинанням теплоти.
Виділення теплоти при взаємодії різних речовин змушує визнати, що ці речовини ще до реакції у прихованій формі володіли певною енергією. Така форма енергії, прихована в речовинах і звільняється при хімічних, а також при деяких фізичних процесах (наприклад, при конденсації пари в рідину або при кристалізації рідини), і називається внутрішньою енергією речовини.
При хімічних перетвореннях звільняється частина міститься в речовинах енергії. Вимірюючи кількість теплоти, що виділяється при реакції, (так званий парниковий ефект реакції), ми можемо судити про зміну цього запасу.
При деяких реакціях спостерігається виділення або поглинання променистої енергії. Зазвичай в тих випадках, коли при реакції виділяється світло, внутрішня енергія перетворюється у випромінювання не безпосередньо, а через теплоту. Наприклад, поява світла при горінні вугілля є наслідком того, що за рахунок виділяється при реакції теплоти вугілля розжарюється і починає світитися. Але відомі процеси, в ході яких внутрішня енергія перетворюється в променисту безпосередньо. Ці процеси носять назву холодного світіння або люмінесценції.
Велике значення мають процеси взаємного перетворення внутрішньої та електричної енергії. При реакціях, що протікають з вибухом, внутрішня енергія перетворюється в механічну - частиною безпосередньо, частиною переходячи спершу в теплоту.
Отже, при хімічних реакціях відбувається взаємне перетворення внутрішньої енергії речовин, з одного боку, та теплової, променистої, електричної або механічної енергії, з іншого. Реакції, що протікають з виділенням енергії, називають екзотермічними, а реакції, при яких енергія поглинається, - ендотермічними.
Термохімія
Енергетичні зміни, що супроводжують перебіг хімічних реакцій, мають велике практичне значення. Іноді вони навіть важливіші, ніж те, що відбувається при даній реакції утворення нових речовин. Як приклад достатньо згадати реакції горіння палива. Тому теплові ефекти реакцій вже давно ретельно вивчаються. Розділ хімії, присвячений кількісному вивченню теплових ефектів реакцій, отримав назву термохімії.
У кінці XVIII століття було встановлено, що якщо при утворенні будь-якого сполуки виділяється (або поглинається) деяку кількість теплоти, то при розкладанні цієї сполуки в тих же умовах така ж кількість теплоти поглинається (мулу виділяється). Це положення випливає із закону збереження енергії; з нього випливає, що чим більше теплоти виділяється при утворенні того чи іншого з'єднання, тим більше енергії треба затратити на його розкладання. Тому речовини, при утворенні яких виділяється велика кількість теплоти, дуже міцні і важко розкладаються.
Результати термохімічних вимірювань - теплові ефекти реакцій - прийнято відносити до одного молю утворюється речовини. Кількість теплоти, що виділяється при утворенні одного моля сполуки - з простих речовин, називається теплотою освіти даного з'єднання. Наприклад, вираз "теплота утворення рідкої води дорівнює 285,8 кДж / моль" означає, що при утворенні 18 г рідкої води з 2 г водню і 16 г кисню виділяється 285,8 кДж.
Різні види теплоти
Якщо елемент може існувати у вигляді декількох простих речовин, то при розрахунку теплоти, освіти цей елемент береться у вигляді того простого речовини, яка за даних умов найбільш стійко. Теплоти утворення найбільш стійких при даних умовах простих речовин приймаються рівними нулю. Теплоти ж утворення менш стійких простих речовин рівні теплотам їх утворення з стійких. Наприклад, при звичайних умовах найбільш стійкою формою кисню є молекулярний кисень О, теплота освіти Якого вважається рівною нулю. Теплота ж утворення озону О 3 дорівнює - 142 кДж / моль, оскільки при утворенні з молекулярного кисню одного моля озону поглинається 142 кДж.
Теплові ефекти можна включати в рівняння реакцій. Хімічні рівняння, в яких вказано кількість виділяється або поглинається теплоти, називаються термохімічними рівняннями. Величина теплового ефекту вказується зазвичай в правій частині рівняння зі знаком плюс у разі екзотермічної реакції і зі знаком мінус у разі ендотермічної реакції.
Найважливішою характеристикою речовин, які застосовуються в якості палива, є їхня теплота згоряння. Цю величину також прийнято відносити до одного молю речовини.
Величина теплового ефекту залежить від природи вихідних речовин і продуктів реакції, їх агрегатного стану і температури. Для зручності порівняння різних реакцій за величинами їх теплових ефектів останні зазвичай вказують для випадку, коли температура вихідних речовин і продуктів реакції дорівнює 25 ° С. При цьому також мається на увазі, що беруть участь в реакції речовини знаходяться в тому агрегатному стані, що стійко при цій, так званій стандартній температурі. Якщо, проте, становить інтерес теплота утворення речовини, що знаходиться в іншому агрегатному стані, ніж те, в якому воно стійко при 25 ° С, то цей стан вказується в рівнянні реакції.
Термохімічні розрахунки
Основний принцип, на якому грунтуються всі термохімічні розрахунки, встановлений в 1840 році, російським хіміком академіком Г.І. Гессом. Цей принцип, відомий під назвою закону Гесса і є окремим випадком закону збереження енергії, можна сформулювати так:
"Тепловий ефект реакції залежить тільки від початкового й кінцевого стану речовин і не залежить від проміжних стадій процесу".
Розглянемо приклад, що пояснює закон Гесса. Розчин сульфату натрію можна приготувати з розчинів сірчаної кислоти і гідроксиду натрію двома способами:
· Змішати розчин, що містить два благаючи NaOH, з розчином, що містить один моль H 2 SO 4.
· Змішати розчин, що містить один моль NaOH, з розчином, що містить один моль H 2 SO 4, і до отриманого розчину кислої солі (NaHSO 4) додати розчин, який містить ще один моль NaOH.
Термохімічні рівняння цих реакцій виглядають наступним чином:
· Перший спосіб:
2NаОН (водн.) + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2 Н 2 О + 131,4 кДж
· Другий спосіб:
NaOH (водн.) + H 2 SO 4 = NaHSO 4 (водн.) + 2 Про + 61,7 кДж
NaOH (водн.) + NaHSO 4 (водн.) = Na 2 SO 4 (BOAH.) + Н 2 О + 69,7 кДж
Символ (водн.) означає, що речовина взято у вигляді водного розчину.
Відповідно до закону Гесса, тепловий ефект в обох випадках має бути одним і тим же. Дійсно, складаючи теплові ефекти, що відповідають двом стадіям другого способу, отримуємо той же сумарний тепловий ефект, який спостерігається при першому способі проведення процесу: 61,7 + 69,7 = 131,4 кДж.
Швидкість хімічної реакції
Всі хімічні реакції протікають з різними швидкостями. Деякі з них повністю закінчуються за малі частки секунди, інші здійснюються за хвилини, години, дні, також відомі реакції, що вимагають для свого протікання кілька років, десятиліть і ще більш тривалих відрізків часу. Крім того, одна і та ж реакція може в одних умовах, наприклад, при підвищених температурах, протікати швидко, а в інших, - наприклад, при охолодженні - повільно, при цьому різниця в швидкості однієї і тієї ж реакції може бути дуже великим.
Знання швидкостей хімічних реакцій має дуже велике наукове і практичне значення. Наприклад, в хімічній промисловості при виробництві того чи іншого речовини від швидкості реакції залежать розміри і продуктивність апаратури, кількість виробленого продукту.
Гомогенні та гетерогенні системи
При розгляді питання про швидкість реакції необхідно розрізняти реакції, що протікають в гомогенної системі (гомогенні реакції), і реакції, які у гетерогенній системі (гетерогенні реакції).
Системою у хімії прийнято називати розглядається речовина або сукупність речовин. При цьому системі протиставляється зовнішнє середовище - речовини, що оточують систему. Зазвичай система фізично відокремлена від середовища.
Розрізняють гомогенні і гетерогенні системи. Гомогенної називається система, що складається з однієї фази, гетерогенної-система, що складається з декількох фаз. Фазою називається частина системи, відокремлена від інших її частин поверхнею розділу, при переході через яку властивості змінюються стрибком.
Прикладом гомогенної системи може служити будь-яка газова суміш (всі гази при не дуже високих тисках необмежено розчиняються один в одному), хоча б суміш азоту з киснем.
Іншим прикладом гомогенної системи може служити розчин декількох речовин в одному розчиннику, наприклад розчин хлориду натрію, сульфату магнію, азоту і кисню у воді. У кожному з цих двох випадків система складається тільки з однієї фази.
В якості прикладів гетерогенних систем можна навести такі системи: вода з льодом, насичений розчин з осадом, вугілля і сірка в атмосфері повітря. В останньому випадку система стоїть з трьох фаз: двох твердих і однієї газової.
Якщо реакція протікає в гомогенної системі, то вона йде в усьому обсязі цієї системи. Наприклад, при зливанні (і перемішуванні) розчинів сірчаної кислоти і тіосульфату натрію помутніння, викликаного появою сірки, спостерігається у всьому об'ємі розчину:
H 2 SO 4 + Na 2 S 2 O 3 = Na 2 SO 4 + Н 2 О + SO 2 (випаровується) + S (в осад)
Якщо реакція протікає між речовинами, які утворюють гетерогенну систему, то вона може йти тільки на поверхні розділу фаз, що утворюють систему. Наприклад, розчинення металу в кислоті
Fe + 2НС1 = FeCl 2 + H 2 (випаровується)
може протікати тільки на поверхні металу, тому що тільки тут стикаються один з одним обидва реагують речовини. У зв'язку з цим швидкість гомогенної реакції та швидкість гетерогенної реакції визначаються різному.
Швидкість гетерогенної і гомогенної реакції
Швидкістю гомогенної реакції називається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу в одиниці об'єму системи.
Швидкістю гетерогенної реакції називається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу на одиниці площі поверхні фази.
Обидва ці визначення можна записати в математичній формі. Введемо позначення:
u гомог - швидкість реакції в гомогенної системі;
u гетерог - швидкість реакції в гетерогенній системі;
n - число молей якої-небудь із виходять при реакції речовин;
V - об'єм системи;
t - час;
S - площа поверхні фази, на якій протікає реакція;
D - знак збільшення (Dn = n 2 - n 1; Dt = t 2 - t 1).
Тоді:
u гомог = Dn / (V Dt);
u гетерог = Dn / (S Dt).
Перше з цих рівнянь можна спростити. Відношення кількості речовини (n) до об'єму (V) системи являє собою молярну концентрацію (С) даної речовини: n / V = C, звідки Dn / V = DС і остаточно:
u гомог = DС / Dt
Останнє рівняння є математичним виразом іншого визначення швидкості реакції в гомогенної системі: швидкістю реакції в гомогенної системі називається зміна концентрації будь-якої з речовин, що вступають у реакцію або утворюються при реакції, що відбувається за одиницю часу.
Як вже говорилося, при практичному використанні хімічних реакцій дуже важливо знати, з якою швидкістю буде протікати дана реакція в тих чи інших умовах, і як потрібно змінити ці умови для того, щоб реакція протікала з необхідною швидкістю. Розділ хімії, що вивчає швидкості хімічних реакцій, називається хімічною кінетикою.
До найважливіших факторів, що впливає на швидкість реакції, відносяться наступні: природа реагуючих речовин, їх концентрації, температура, присутність у системі каталізаторів. Швидкість деяких гетерогенних реакцій залежить також від інтенсивності руху рідини чи газу біля поверхні, на якій відбувається реакція.
Залежність швидкості реакції від концентрацій реагуючих речовин
Необхідною умовою того, щоб між частинками (молекулами, іонами) вихідних речовин відбулося хімічну взаємодію, є їх зіткнення один з одним (зіткнення). Точніше кажучи, частки повинні зблизитися один з одним настільки, щоб атоми однієї з них відчували б дію електричних полів, створюваних атомами іншої. Тільки при цьому стануть можливі ті переходи електронів і перегрупування атомів, в результаті яких утворюються молекули нових речовин - продуктів реакції. Тому швидкість реакції пропорційна числу зіткнень, які зазнають молекули реагуючих речовин.
Число зіткнень, у свою чергу, тим більше, чим вище концентрація кожного з вихідних речовин або, що те ж саме, чим більше твір концентрацій реагуючих речовин. При постійній температурі швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин. Цей закон відкритий досвідченим шляхом К. Гульдберг і П. Вааге (Норвегія) ще в 1867 році.
Набагато рідше реакція здійснюється в результаті одночасного зіткнення трьох реагують часток, в цьому випадку концентрація кожного з реагуючих речовин входить у вираз швидкості реакції в ступені, що дорівнює відповідному коефіцієнту в рівнянні реакції.
Імовірність одночасного зіткнення більш ніж трьох частинок вкрай мала. Тому складні реакції, рівняння яких містять велику кількість частинок, являють собою сукупність послідовно або паралельно протікають процесів, кожен з яких відбувається, як правило, при зіткненні двох частинок або в результаті розпаду окремої частки. У подібних випадках закон дії мас застосуємо тільки до кожної окремої стадії реакції, але не до реакції в цілому.
Величина константи швидкості - k, залежить від природи реагуючих речовин, від температури і від присутності каталізаторів, але не залежить від концентрацій речовин.
Як приклад програми закону дії мас можна навести рівняння залежності швидкості реакції окислення оксиду азоту (II):
2NO + O 2 = 2NO 2
від концентрацій NO і O 2:
v = k [NО] 2 [О 2]
У випадку гетерогенних реакцій в рівняння закону дії мас входять концентрації тільки тих речовин, які знаходяться в газовій фазі або в розчині. Концентрація речовини, що знаходиться в твердій фазі, звичайно являє собою постійну величину і тому входить до константу швидкості. Наприклад, для реакції горіння вугілля:
С + О 2 = СО 2
закон дії мас запишеться так:
v = k 1 const [О 2]
де k = k 1 const.
Залежність швидкості реакції від температури і від природи реагуючих речовин
Молекулярно-кінетична теорія газів і рідин дає можливість підрахувати число зіткнень між молекулами тих чи інших речовин при певних умовах. Якщо скористатися результатами таких підрахунків, то виявиться, що число зіткнень між молекулами речовин при звичайних умовах настільки велике, що всі реакції повинні протікати практично миттєво. Проте в дійсності далеко не всі реакції закінчуються швидко. Це протиріччя можна пояснити, якщо припустити, що не всяке зіткнення молекул реагуючих речовин призводить до утворення продукту реакції. Для того щоб відбулася реакція, тобто щоб утворилися нові молекули, необхідно спочатку розірвати або послабити зв'язки між атомами в молекулах вихідних речовин. На це треба витратити певну енергію. Якщо зіштовхуються молекули не володіють такою енергією, то зіткнення буде неефективним, і не призведе до утворення нової молекули. Якщо ж кінетична енергія зіштовхуються молекул достатня для ослаблення або розриву зв'язків, то зіткнення може привести до перебудови атомів і до утворення молекули нової речовини.
Надлишкова енергія, якою повинні володіти молекули для того, щоб їх зіткнення могло призвести до утворення нової речовини, називається енергією активації даної реакції. Енергію активації висловлюють в кДж / моль. Молекули, що володіють такою енергією, називаються активними молекулами. Зі зростанням температури число активних молекул зростає. Звідси випливає, що і швидкість хімічної реакції повинна збільшуватися з підвищенням температури. Дійсно, при зростанні температури хімічні реакції протікають швидше.
Список використаної літератури
1. "Хімічні реакції: Тепловий ефект, рівновагу, швидкість" Леенсон І.А., 2002р.
Реферат
за темою"Вивчення основних закономірностей перебігу хімічних реакцій"
Донецьк 2008 р .
Зміст
Введення
Перетворення енергії при хімічних реакціях
Термохімія
Різні види теплоти
Термохімічні розрахунки
Швидкість хімічної реакції
Гетерогенні та гомогенні системи
Швидкість гетерогенної і гомогенної реакції
Залежність швидкості реакції від концентрацій реагуючих речовин
Залежність швидкості реакції від температури і від природи реагуючих речовин
Список використаної літератури
Введення
Хімічні реакції це всім знайоме явище в області хімії і фізики. Вчені хіміки та фізики розглянувши величезна кількість різних хімічних реакцій (реакцій з'єднання, розпаду, обміну та інші) змогли докладніше вивчити сутність протікання хімічних реакцій, в нормальних умовах або ж під впливом різних факторів. Під час реакцій коли змінюється структура речовин (простих і складних) і відбувається їх зміни (з'єднання одного та іншого, заміна одного або декількох атомів вступають у хімічну реакцію речовин, розкладання одного складного речовини на більш просте) можна спостерігати різні явища залежать від того які саме речовини вступають в реакцію, наприклад виділення тепла, поглинання енергії і то багато іншого, що буде описано в даному рефераті. Варто додати, що також необхідно врахувати умови протікання реакції, оскільки зовнішні чинники теж можуть вплинути перебіг реакції.
Перетворення енергії при хімічних реакціях
Хімічні реакції протікають з виділенням або з поглинанням енергії. Зазвичай ця енергія виділяється або поглинається у вигляді теплоти. Так, горіння, з'єднання металів, сірого чи з хлором, нейтралізація кислот лугами супроводжуються виділенням значних кількостей теплоти. При цьому такі реакції, як розкладання карбонату кальцію, утворення оксиду азоту (II) з азоту і кисню, вимагають для свого, протікання безперервного припливу теплоти ззовні і негайно ж припиняються, якщо нагрівання припиняється. Ясно, що ці реакції протікають з поглинанням теплоти.
Виділення теплоти при взаємодії різних речовин змушує визнати, що ці речовини ще до реакції у прихованій формі володіли певною енергією. Така форма енергії, прихована в речовинах і звільняється при хімічних, а також при деяких фізичних процесах (наприклад, при конденсації пари в рідину або при кристалізації рідини), і називається внутрішньою енергією речовини.
При хімічних перетвореннях звільняється частина міститься в речовинах енергії. Вимірюючи кількість теплоти, що виділяється при реакції, (так званий парниковий ефект реакції), ми можемо судити про зміну цього запасу.
При деяких реакціях спостерігається виділення або поглинання променистої енергії. Зазвичай в тих випадках, коли при реакції виділяється світло, внутрішня енергія перетворюється у випромінювання не безпосередньо, а через теплоту. Наприклад, поява світла при горінні вугілля є наслідком того, що за рахунок виділяється при реакції теплоти вугілля розжарюється і починає світитися. Але відомі процеси, в ході яких внутрішня енергія перетворюється в променисту безпосередньо. Ці процеси носять назву холодного світіння або люмінесценції.
Велике значення мають процеси взаємного перетворення внутрішньої та електричної енергії. При реакціях, що протікають з вибухом, внутрішня енергія перетворюється в механічну - частиною безпосередньо, частиною переходячи спершу в теплоту.
Отже, при хімічних реакціях відбувається взаємне перетворення внутрішньої енергії речовин, з одного боку, та теплової, променистої, електричної або механічної енергії, з іншого. Реакції, що протікають з виділенням енергії, називають екзотермічними, а реакції, при яких енергія поглинається, - ендотермічними.
Термохімія
Енергетичні зміни, що супроводжують перебіг хімічних реакцій, мають велике практичне значення. Іноді вони навіть важливіші, ніж те, що відбувається при даній реакції утворення нових речовин. Як приклад достатньо згадати реакції горіння палива. Тому теплові ефекти реакцій вже давно ретельно вивчаються. Розділ хімії, присвячений кількісному вивченню теплових ефектів реакцій, отримав назву термохімії.
У кінці XVIII століття було встановлено, що якщо при утворенні будь-якого сполуки виділяється (або поглинається) деяку кількість теплоти, то при розкладанні цієї сполуки в тих же умовах така ж кількість теплоти поглинається (мулу виділяється). Це положення випливає із закону збереження енергії; з нього випливає, що чим більше теплоти виділяється при утворенні того чи іншого з'єднання, тим більше енергії треба затратити на його розкладання. Тому речовини, при утворенні яких виділяється велика кількість теплоти, дуже міцні і важко розкладаються.
Результати термохімічних вимірювань - теплові ефекти реакцій - прийнято відносити до одного молю утворюється речовини. Кількість теплоти, що виділяється при утворенні одного моля сполуки - з простих речовин, називається теплотою освіти даного з'єднання. Наприклад, вираз "теплота утворення рідкої води дорівнює 285,8 кДж / моль" означає, що при утворенні
Різні види теплоти
Якщо елемент може існувати у вигляді декількох простих речовин, то при розрахунку теплоти, освіти цей елемент береться у вигляді того простого речовини, яка за даних умов найбільш стійко. Теплоти утворення найбільш стійких при даних умовах простих речовин приймаються рівними нулю. Теплоти ж утворення менш стійких простих речовин рівні теплотам їх утворення з стійких. Наприклад, при звичайних умовах найбільш стійкою формою кисню є молекулярний кисень О, теплота освіти Якого вважається рівною нулю. Теплота ж утворення озону О 3 дорівнює - 142 кДж / моль, оскільки при утворенні з молекулярного кисню одного моля озону поглинається 142 кДж.
Теплові ефекти можна включати в рівняння реакцій. Хімічні рівняння, в яких вказано кількість виділяється або поглинається теплоти, називаються термохімічними рівняннями. Величина теплового ефекту вказується зазвичай в правій частині рівняння зі знаком плюс у разі екзотермічної реакції і зі знаком мінус у разі ендотермічної реакції.
Найважливішою характеристикою речовин, які застосовуються в якості палива, є їхня теплота згоряння. Цю величину також прийнято відносити до одного молю речовини.
Величина теплового ефекту залежить від природи вихідних речовин і продуктів реакції, їх агрегатного стану і температури. Для зручності порівняння різних реакцій за величинами їх теплових ефектів останні зазвичай вказують для випадку, коли температура вихідних речовин і продуктів реакції дорівнює 25 ° С. При цьому також мається на увазі, що беруть участь в реакції речовини знаходяться в тому агрегатному стані, що стійко при цій, так званій стандартній температурі. Якщо, проте, становить інтерес теплота утворення речовини, що знаходиться в іншому агрегатному стані, ніж те, в якому воно стійко при 25 ° С, то цей стан вказується в рівнянні реакції.
Термохімічні розрахунки
Основний принцип, на якому грунтуються всі термохімічні розрахунки, встановлений в 1840 році, російським хіміком академіком Г.І. Гессом. Цей принцип, відомий під назвою закону Гесса і є окремим випадком закону збереження енергії, можна сформулювати так:
"Тепловий ефект реакції залежить тільки від початкового й кінцевого стану речовин і не залежить від проміжних стадій процесу".
Розглянемо приклад, що пояснює закон Гесса. Розчин сульфату натрію можна приготувати з розчинів сірчаної кислоти і гідроксиду натрію двома способами:
· Змішати розчин, що містить два благаючи NaOH, з розчином, що містить один моль H 2 SO 4.
· Змішати розчин, що містить один моль NaOH, з розчином, що містить один моль H 2 SO 4, і до отриманого розчину кислої солі (NaHSO 4) додати розчин, який містить ще один моль NaOH.
Термохімічні рівняння цих реакцій виглядають наступним чином:
· Перший спосіб:
2NаОН (водн.) + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + 2 Н 2 О + 131,4 кДж
· Другий спосіб:
NaOH (водн.) + H 2 SO 4 = NaHSO 4 (водн.) + 2 Про + 61,7 кДж
NaOH (водн.) + NaHSO 4 (водн.) = Na 2 SO 4 (BOAH.) + Н 2 О + 69,7 кДж
Символ (водн.) означає, що речовина взято у вигляді водного розчину.
Відповідно до закону Гесса, тепловий ефект в обох випадках має бути одним і тим же. Дійсно, складаючи теплові ефекти, що відповідають двом стадіям другого способу, отримуємо той же сумарний тепловий ефект, який спостерігається при першому способі проведення процесу: 61,7 + 69,7 = 131,4 кДж.
Швидкість хімічної реакції
Всі хімічні реакції протікають з різними швидкостями. Деякі з них повністю закінчуються за малі частки секунди, інші здійснюються за хвилини, години, дні, також відомі реакції, що вимагають для свого протікання кілька років, десятиліть і ще більш тривалих відрізків часу. Крім того, одна і та ж реакція може в одних умовах, наприклад, при підвищених температурах, протікати швидко, а в інших, - наприклад, при охолодженні - повільно, при цьому різниця в швидкості однієї і тієї ж реакції може бути дуже великим.
Знання швидкостей хімічних реакцій має дуже велике наукове і практичне значення. Наприклад, в хімічній промисловості при виробництві того чи іншого речовини від швидкості реакції залежать розміри і продуктивність апаратури, кількість виробленого продукту.
Гомогенні та гетерогенні системи
При розгляді питання про швидкість реакції необхідно розрізняти реакції, що протікають в гомогенної системі (гомогенні реакції), і реакції, які у гетерогенній системі (гетерогенні реакції).
Системою у хімії прийнято називати розглядається речовина або сукупність речовин. При цьому системі протиставляється зовнішнє середовище - речовини, що оточують систему. Зазвичай система фізично відокремлена від середовища.
Розрізняють гомогенні і гетерогенні системи. Гомогенної називається система, що складається з однієї фази, гетерогенної-система, що складається з декількох фаз. Фазою називається частина системи, відокремлена від інших її частин поверхнею розділу, при переході через яку властивості змінюються стрибком.
Прикладом гомогенної системи може служити будь-яка газова суміш (всі гази при не дуже високих тисках необмежено розчиняються один в одному), хоча б суміш азоту з киснем.
Іншим прикладом гомогенної системи може служити розчин декількох речовин в одному розчиннику, наприклад розчин хлориду натрію, сульфату магнію, азоту і кисню у воді. У кожному з цих двох випадків система складається тільки з однієї фази.
В якості прикладів гетерогенних систем можна навести такі системи: вода з льодом, насичений розчин з осадом, вугілля і сірка в атмосфері повітря. В останньому випадку система стоїть з трьох фаз: двох твердих і однієї газової.
Якщо реакція протікає в гомогенної системі, то вона йде в усьому обсязі цієї системи. Наприклад, при зливанні (і перемішуванні) розчинів сірчаної кислоти і тіосульфату натрію помутніння, викликаного появою сірки, спостерігається у всьому об'ємі розчину:
H 2 SO 4 + Na 2 S 2 O 3 = Na 2 SO 4 + Н 2 О + SO 2 (випаровується) + S (в осад)
Якщо реакція протікає між речовинами, які утворюють гетерогенну систему, то вона може йти тільки на поверхні розділу фаз, що утворюють систему. Наприклад, розчинення металу в кислоті
Fe + 2НС1 = FeCl 2 + H 2 (випаровується)
може протікати тільки на поверхні металу, тому що тільки тут стикаються один з одним обидва реагують речовини. У зв'язку з цим швидкість гомогенної реакції та швидкість гетерогенної реакції визначаються різному.
Швидкість гетерогенної і гомогенної реакції
Швидкістю гомогенної реакції називається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу в одиниці об'єму системи.
Швидкістю гетерогенної реакції називається кількість речовини, що вступає в реакцію або утворюється при реакції за одиницю часу на одиниці площі поверхні фази.
Обидва ці визначення можна записати в математичній формі. Введемо позначення:
u гомог - швидкість реакції в гомогенної системі;
u гетерог - швидкість реакції в гетерогенній системі;
n - число молей якої-небудь із виходять при реакції речовин;
V - об'єм системи;
t - час;
S - площа поверхні фази, на якій протікає реакція;
D - знак збільшення (Dn = n 2 - n 1; Dt = t 2 - t 1).
Тоді:
u гомог = Dn / (V Dt);
u гетерог = Dn / (S Dt).
Перше з цих рівнянь можна спростити. Відношення кількості речовини (n) до об'єму (V) системи являє собою молярну концентрацію (С) даної речовини: n / V = C, звідки Dn / V = DС і остаточно:
u гомог = DС / Dt
Останнє рівняння є математичним виразом іншого визначення швидкості реакції в гомогенної системі: швидкістю реакції в гомогенної системі називається зміна концентрації будь-якої з речовин, що вступають у реакцію або утворюються при реакції, що відбувається за одиницю часу.
Як вже говорилося, при практичному використанні хімічних реакцій дуже важливо знати, з якою швидкістю буде протікати дана реакція в тих чи інших умовах, і як потрібно змінити ці умови для того, щоб реакція протікала з необхідною швидкістю. Розділ хімії, що вивчає швидкості хімічних реакцій, називається хімічною кінетикою.
До найважливіших факторів, що впливає на швидкість реакції, відносяться наступні: природа реагуючих речовин, їх концентрації, температура, присутність у системі каталізаторів. Швидкість деяких гетерогенних реакцій залежить також від інтенсивності руху рідини чи газу біля поверхні, на якій відбувається реакція.
Залежність швидкості реакції від концентрацій реагуючих речовин
Необхідною умовою того, щоб між частинками (молекулами, іонами) вихідних речовин відбулося хімічну взаємодію, є їх зіткнення один з одним (зіткнення). Точніше кажучи, частки повинні зблизитися один з одним настільки, щоб атоми однієї з них відчували б дію електричних полів, створюваних атомами іншої. Тільки при цьому стануть можливі ті переходи електронів і перегрупування атомів, в результаті яких утворюються молекули нових речовин - продуктів реакції. Тому швидкість реакції пропорційна числу зіткнень, які зазнають молекули реагуючих речовин.
Число зіткнень, у свою чергу, тим більше, чим вище концентрація кожного з вихідних речовин або, що те ж саме, чим більше твір концентрацій реагуючих речовин. При постійній температурі швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин. Цей закон відкритий досвідченим шляхом К. Гульдберг і П. Вааге (Норвегія) ще в 1867 році.
Набагато рідше реакція здійснюється в результаті одночасного зіткнення трьох реагують часток, в цьому випадку концентрація кожного з реагуючих речовин входить у вираз швидкості реакції в ступені, що дорівнює відповідному коефіцієнту в рівнянні реакції.
Імовірність одночасного зіткнення більш ніж трьох частинок вкрай мала. Тому складні реакції, рівняння яких містять велику кількість частинок, являють собою сукупність послідовно або паралельно протікають процесів, кожен з яких відбувається, як правило, при зіткненні двох частинок або в результаті розпаду окремої частки. У подібних випадках закон дії мас застосуємо тільки до кожної окремої стадії реакції, але не до реакції в цілому.
Величина константи швидкості - k, залежить від природи реагуючих речовин, від температури і від присутності каталізаторів, але не залежить від концентрацій речовин.
Як приклад програми закону дії мас можна навести рівняння залежності швидкості реакції окислення оксиду азоту (II):
2NO + O 2 = 2NO 2
від концентрацій NO і O 2:
v = k [NО] 2 [О 2]
У випадку гетерогенних реакцій в рівняння закону дії мас входять концентрації тільки тих речовин, які знаходяться в газовій фазі або в розчині. Концентрація речовини, що знаходиться в твердій фазі, звичайно являє собою постійну величину і тому входить до константу швидкості. Наприклад, для реакції горіння вугілля:
С + О 2 = СО 2
закон дії мас запишеться так:
v = k 1 const [О 2]
де k = k 1 const.
Залежність швидкості реакції від температури і від природи реагуючих речовин
Молекулярно-кінетична теорія газів і рідин дає можливість підрахувати число зіткнень між молекулами тих чи інших речовин при певних умовах. Якщо скористатися результатами таких підрахунків, то виявиться, що число зіткнень між молекулами речовин при звичайних умовах настільки велике, що всі реакції повинні протікати практично миттєво. Проте в дійсності далеко не всі реакції закінчуються швидко. Це протиріччя можна пояснити, якщо припустити, що не всяке зіткнення молекул реагуючих речовин призводить до утворення продукту реакції. Для того щоб відбулася реакція, тобто щоб утворилися нові молекули, необхідно спочатку розірвати або послабити зв'язки між атомами в молекулах вихідних речовин. На це треба витратити певну енергію. Якщо зіштовхуються молекули не володіють такою енергією, то зіткнення буде неефективним, і не призведе до утворення нової молекули. Якщо ж кінетична енергія зіштовхуються молекул достатня для ослаблення або розриву зв'язків, то зіткнення може привести до перебудови атомів і до утворення молекули нової речовини.
Надлишкова енергія, якою повинні володіти молекули для того, щоб їх зіткнення могло призвести до утворення нової речовини, називається енергією активації даної реакції. Енергію активації висловлюють в кДж / моль. Молекули, що володіють такою енергією, називаються активними молекулами. Зі зростанням температури число активних молекул зростає. Звідси випливає, що і швидкість хімічної реакції повинна збільшуватися з підвищенням температури. Дійсно, при зростанні температури хімічні реакції протікають швидше.
Список використаної літератури
1. "Хімічні реакції: Тепловий ефект, рівновагу, швидкість" Леенсон І.А., 2002р.