Цвв. Кинетика. Химическая кинетика
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
Химическая кинетика Будучи огорченным качеством препод…. Сегодня поговорим о новом для вас разделе физической химии – химической кинетике Главная задача предыдущего раздела – химической термодинамики – заключалась в ответе на вопрос: возможно ли протекание химической реакции в данных условиях? (это когда по знаку △G определяли, пойдет реакция или нет); или, если перефразировать: что надо сделать с температурой, давлением, концентрациями, чтобы реакция пошла туда, куда мы хотим? (это уже больше про равновесие). Кинетика в свою очередь отвечает на вопрос: с какой скоростью это все будет происходить? Также исследование зависимости скорости реакций от разных факторов помогают узнать механизм реакции (слава богу, в меде мы таким не страдаем). 1. Основные понятия Чтобы уверенно рассуждать о скорости реакции, неплохо было бы сначала узнать какие реакции бывают, верно? 1) Гомогенные реакции – реакции, протекающие в одной фазе. То есть, между веществами в растворе, в газообразной среде. 2) Гетерогенные реакции – реакции, протекающие на границе раздела фаз. Например, кусок металла растворяют в кислоте. Твердая фаза – металл, жидкая фаза – раствор кислоты. Реакция будет протекать только на поверхности куска металла – то есть, на границе между двумя фазами. Задания из теста про это: Здесь нужно внимательно следить за агрегатным состоянием веществ, указанных рядом с веществом. Примечание: (р-р) – раствор и (ж) – жидкость – все еще одна фаза – жидкая. Дальше нам понадобятся термины (это все может быть в верно/неверно, лучше разобраться, чем не разобраться): Элементарный акт – единичный акт превращения или взаимодействия частиц, в результате которого получается новая частица. По своей сути, это одна стадия какой-то сложной реакции. Простая реакция – реакция из одного элементарного акта. Сложная реакция – реакция из нескольких последовательных элементарных актов (рубрика треш факты: большая часть реакций в химии – сложные). Молекулярность - число частиц, участвующих в одном элементарном акте. Бывают: Мономолекулярные реакции – реакции, в которых участвует только одна частица (молекула/ион/радикал). Как правило это распады: I 2 →2I· (одна молекула йода распалась на 2 радикала) Бимолекулярные реакции – реакции, где друг с другом встречаются 2 частицы: H· + Cl 2 →HCl + Cl· Тримолекулярные реакции – реакции, где сталкиваются сразу 3 частицы: 2NO + H 2 →N 2 O + H 2 O 4-х и более молекулярных реакций не бывает – вероятность того, что 4 частицы одновременно окажутся в одной точке пространства крайне мала. ВАЖНОЕ УТОЧНЕНИЕ: если в реакции большие коэффициенты, это еще не значит, что молекулярность реакции – 100500 миллионов (молекулярность в принципе не может быть больше 3). Коэффициенты отражают только соотношение реагирующих веществ, но никак не могут говорить о механизме реакции, поэтому если их сумма больше 3-х, ваша реакция сложная. Нужно запомнить: молекулярность – характеристика только простых реакций и стадий механизмов сложных реакций. 2. Скорость химической реакции Скорость химической реакции – изменение концентрации реагирующих веществ в зависимости от времени. Для реакции: aA +bB→cC+dD количественно скорость выражается таким образом (это называется кинетическое уранение ): v (t) = k ⋅ [A] x ⋅ [B] y где k - константа скорости; x, y - некоторые числа, которые называют порядком реакции по веществам A и B. Отдельно разберем слова из этого сложного описания. 1) Константа скорости – параметр реакции, на который влияет изменение температуры, добавление катализатора/ингибитора, природы реагирующих веществ и тд, НО не влияет изменение концентрации реагирующих веществ. То есть, константа скорости остается постоянной при данных условиях и не зависит от того, сколько вещества реагирует в данный момент (поэтому и называется константой, хоть она и может меняться из-за действия факторов, перечисленных в начале). 2) [Реагент в квадратных скобочках] – так в химии обозначают концентрацию вещества в конкретный момент времени. То есть, если концентрация веществ А и В в начальный момент времени была 2 моль/л и 4 моль/л, то скорость у этой реакции в начальный момент времени будет одной. Через полчаса концентрация А и В уменьшилась до 1 моль/л и 2 моль/л, поэтому мы подставим уже новые концентрации в уравнение и скажем, что скорость в этот момент времени (через полчаса) будет равняться новому числу. Иногда составители тестов упрощают нам жизнь и просто пишут подразумевая концентрации из условия задачи. Подробнее о том, как меняется скорость реакции в зависимости от концентрации реагента, читай ниже. 3) Порядок реакции по веществу – число в показателе степени, которое показывает, как изменение концентрации вещества будет влиять на скорость реакции. СЕЙЧАС БУДЕТ МАТЕША: если показатель степени дробный, значит из числа нужно извлекать корень. Ничего сложнее степени 0,5 в тестах не бывает, поэтому разберем только этот пример. Допустим, вам говорят, что порядок реакции по веществу B – 0,5, константа скорости – 3*10 -3 , а порядок по веществу А – 2. При этом в данный концентрации А и В – 0,5 и 4 моль/л соответственно, а от вас вообще хотят скорость. Кинетическое уравнение будет выглядеть так: Вы не растерялись, вспомнили что число в степени 0,5 это квадратный корень из него (для тех, кто растерялся, снова рубрика треш факты): Если подставить числа, получится вот такое число: Вот так мы вспомнили математику и научились подставлять числа в уравнение, а теперь займемся тестами. c A ; c B ν (t) = k*[A] 2 *[B] 0,5 [B] 0,5 = [B] ν (t) = 3*10 −3 *0,5 2 * 4 = 0,003*0,25*2 = 0,0015 Подобное задание, но с небольшим усложнением: Основная проблема тут в том, что мы не знаем концентрацию вещества А в момент времени, в который авторы просят посчитать скорость. Но мы знаем исходные концентрации и концентрацию В! (пипец и че дальше то…) А дальше воспользуемся БПС табличкой: Тут я заполнил те графы, значения которых нам известны. Попробуем узнать, сколько прореагировало вещества B. Если было 2,5, а стало 0,5, то реагировало (и снова рубрика треш факты) 2,5-0,5 = 2. Ого, вот это мы молодцы, запишем это в табличку со знаком минус (концентрация же уменьшилась): Теперь зададимся вопросом, сколько прореагировало вещества А. Мы знаем, что оно реагирует с веществом В по уравнению: А+2В→С+D (кстати, на C и D мы благополучно забили, потому что они не входят в кинетическое уравнение, и скорость реакции от них не зависит). По пропорции, получаем, что вещества А реагировало 2/2=1. Мы снова молодцы и запишем в табличку -1, так как концентрация А тоже уменьшается: А В Было 1,5 2,5 Прореагировало ? ? Стало ? 0,5 А В Было 1,5 2,5 Прореагировало ? -2 Стало ? 0,5 А В Было 1,5 2,5 Прореагировало -1 -2 Стало ? 0,5 И теперь последний рывок, конечная концентрация вещества А, равна 1,5-1= 0,5 моль/л: Супер, мы узнали все, что необходимо для решения задачки, теперь запишем кинетическое уравнение и подставим чиселки. Вид кинетического уравнения: Подставляем числа и считаем: Юхууу, ответ 0,1! ПРИМЕЧАНИЕ: иногда в тексте заданий попадается формулировка: «слили два раствора равных объемов…». В этом случае нужно разделить каждую концентрацию на 2, так как объем увеличивается в 2 раза. Все, самую сложную расчетную задачу разобрали, дальше будет легче. 3. Порядок химической реакции Если вы обратили внимание, до этого порядок по веществам нам был известен заранее – авторы заданий сказали нам, какой он для каждого конкретного вещества. Но бывают случаи, когда это священное право становится доступно и нам, простым рнимушникам. Такое возможно только в случае простой реакции (отмотай назад и прочитай что это, если не понял, почему я это выделил). Поскольку мы в меде и не обязаны заморачиваться со заумными штуками, для нас коэффициенты в простой реакции численно равны порядку реакции по этому веществу. В условии сказано, что реакция простая, поэтому порядок реакции по HI = 2 (пункт 5). В таком случае кинетическое уравнение выглядит как: Поскольку у нас только один реагент, мы выбираем пункт 1, а пункты 3 и 4 идут нафег. Общий порядок реакции – сумма порядков реакции по реагентам, поэтому фигачим галочку в пункт 2. А В Было 1,5 2,5 Прореагировало -1 -2 Стало 0,5 0,5 ν (t) = k*[A] 1 *[B] 1 ν (t) = 0,4*0,5 1 *0,5 1 = 0,1 ν (t) = k*[HI ] 2 = k*c 2 Разберем еще один номер: В условии сказано, что реакция простая, поэтому порядок реакции по NO = 2, по H 2 = 1. Кинетическое уравнение Общий порядок реакции 2+1=3 Ответы: 123 Теперь пришло время взглянуть на понятие порядка реакции с другой стороны. Мы уже говорили, что скорость химической реакции может зависеть от концентрации реагирующих веществ. По тому, как скорость зависит от концентраций, реакции можно делить на: Реакции нулевого порядка – такие, у которых скорость не зависит от концентрации реагента вообще. Как правило, это гетерогенные реакции, протекающие на поверхности тяжелых металлов (примеры не особо нужны). Реакции первого порядка – скорость этих реакций зависит от концентрации реагента. Кинетике реакций первого порядка подчиняются распады радиоактивных веществ, процессы выведения лекарственных препаратов из организма и т.д. (Эти реакции самые важные) Реакции второго порядка - скорость таких реакций прямо пропорциональна произведению концентраций двух реагентов или одного из реагентов во второй степени. (тоже редко попадаются) Формулы и графики, которые могут быть полезны (для письменной, в тесте это не требуется): ν (t) = k*[NO] 2 *[H 2 ] 1 = k*c 2 1 *c 2 Порядок реакции Вид кинетического уравнения Зависимость концентрации от времени Формула периода полупревращения 0 ν = k c = c 0 − kt τ 1 2 = c 0 /2k Порядки сложных реакций всегда определяются экспериментально, эти данные могут помочь в выяснении механизма реакции. (что-то для химиков). Порядок реакции может быть дробным. Период полураспада Период полураспада (полупревращения/полувыведения) – время, за которое распадется/прореагирует/выведется половина от исходного вещества. То есть, если вам говорят, что , то за 30 минут из организма выводится 50% от начального количества препарата. Вспоминаем, что все распады/ выведения относятся к реакциям первого порядка, поэтому их скорости зависят от концентрации реагирующего вещества. Если вещества стало в 2 раза меньше, то и выводиться оно будет в 2 раза медленнее. Поэтому за следующие 30 минут выведется только 25% от исходного вещества. Можете сами поразмышлять, что будет в следующем полураспаде, а пока вот вам табличка из Леши-химика. 1 2 забейте τ 1 2 = 1/kc 0 ν = k*c 2 c = c 0 (1 + kc 0 t) ν = kc c = c 0 e −kt τ 1 2 = 0,69/k τ 1 2 τ 1 2 препарата = 30 минут время % остававшегося вещества % прореагировавшего / распавшегося / вышедшего вещества - 100% 0 1 полураспад 50% 50% 2 полураспада 25% 75% 3 полураспада 12,5% 87,5% Пример теста: От нас хотят время, через которое останется 25% от исходного количества изотопа. 2 варианта: 1) тупо смотри в таблицу и умножай время на нужное число периодов полураспада; 2) тоже самое, только осмысленно: Через сколько распадется 50% вещества? – за один период полураспада (10 лет). А еще 25% от исходного количества? – за второй период (еще 10 лет) Итого через 20 лет распадется 75%, а останется 25%. 5. Зависимость скорости реакции от температуры Мы обсудили, как влияет концентрация на скорость реакций, теперь время сказать про влияние температуры. Все просто: чем выше температура, тем выше внутренняя энергия молекул, тем быстрее они движутся. А чем быстрее они движутся, тем больше вероятность того, что они столкнуться и произойдет химическая реакция. Количественно это описывает правило Вант-Гоффа – при повышении температуры на 10 градусов, скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. Вот формула: , где – температурный коэффициент Вант-Гоффа, – начальная температура, – конечная температура, Задания теста: Подставляем числа и формулу и радуемся жизни: Самое сложное – не забыть идиотск... часто забываемую формулировку «увеличится в 16 раз» Теперь тоже самое, но наоборот: Мы знаем изменение температуры и скорости, нужно угадать гамму. Δν = γ t2 − t1 10 = γ Δt 10 γ t 1 t 2 Δν = γ Δt 10 = 4 20 10 = 4 2 = 16 Ответ: 4 Теперь обсудим номер, где несколько нужно анализировать влияние нескольких факторов (куда больше то…) 1) Температура По уравнению Вант-Гоффа считаем, во сколько вырастет скорость: Увеличится в 8 раз 2) Концентрация В Порядок по веществу B = 0,5 , соответственно мы должны извлекать квадратный корень из изменения его концентрации Увеличится в 4 раза 3) Концентрация С Вещество С отсутствует в кинетическом уравнении, поэтому его концентрация никак не влияет на скорость. Не изменится 4) Концентрация А Порядок по веществу А = 1 , поэтому скорость увеличивается прямо пропорционально Увеличится в 2 раза γ 20 10 = 16 γ 2 = 16 γ = 4 2 30 10 = 2 3 = 8 16 = 4 ВАЖНОЕ УТОЧНЕНИЕ: Иногда вместо изменения концентраций для газообразных веществ в условии вместо изменения концентраций указывают изменение давления. Изменение давления в N уменьшает все в степени, равной порядку по этому веществу. Сложна, поэтому разберем пример Кинетическое уравнение: Давление увеличиваем в 4 раза Тогда скорость изменится в 6. Энергия активации Последнее, но не менее важное. Энергия активации – энергетический барьер, который нужно преодолеть, чтобы запустить реакцию. Чем он выше, тем медленнее протекает реакция. Катализаторы – вещества, понижающие этот энергетический барьер, и поэтому способствующие увеличению скорости реакции. Напоминаю, катализаторы не смешают химическое равновесие, а только ускоряют его установление. А теперь обсудим задание из теста: Нам даны 2 последовательные реакции и указано, что скорость всего процесса определяет вторая реакция. Это подводит нас к понятию лимитирующей стадии. Лимитирующая стадия процесса – самая медленная часть реакции, определяющая скорость всего процесса. Почему так? Представьте себе несколько последовательных сосудов, по которым течет жидкость. Самый узкий сосуд – своеобразное «бутылочное горлышко» - будет определять, как быстро будет течь весь поток жидкости. Таким же бутылочным горлышком будет и самая медленная реакция. Крч, завязываем философствовать, решаем тест. ν (t) = k*[A] 0,5 *[B] 2 4*4 2 = 2*16 = 32 раза E a Поскольку лимитирующая, а значит самая медленная стадия – вторая, то у нее будет самая высокая энергия активации (чем выше барьер, тем сложнее перепрыгнуть). Выбираем пункты 2 и 6. Повышение температуры увеличивает скорость реакции всегда, поэтому всегда отмечаем вариант, где увеличивается скорость обеих реакций. Немного утверждений на эту тему: 7. Для самых прошаренных Для самых прошаренных добавляю формулу, связывающую изменение энергии активации и температуры с константой скорости реакции. Она называется уравнением Аррениуса: В тесте она не потребуется, это скорее для самых извращенных сарсов и заданий в письменной части колка. 8. Конец Вот и все, спасибо что дочитал до конца! Будем рады, если ты поделишься этой методичкой с другими студентами и подпишешься на наш канал в телеграме: https://t.me/chem_rsmu1 Текст писал: Осин Дмитрий Дизайн: Анна Япина P.S. обо всех найденных косяках просим сообщать в личку. |