Вплив природи реагуючих речовинШвидкість залежить від агрегатного стану речовини, характеру зв'язків, будови речовини. Важливе значення має сила і тип хімічного зв'язку. Для органічних речовин – це σ - і p-зв’язки. Речовини з σ -зв’язками вступають в реакції повільніше, ніж речовини з p- зв’язками. Для неорганічних сполук з йонним і полярним ковалентним зв'язками, реакції проходять з найбільшою швидкістю. Наприклад, реакції між газоподібними речовинами йдуть з вибухом, в розчинах швидко, а між твердими речовинами дуже повільно. Фтор (газоподібний) з Гідрогеном реагує з вибухом при кімнатній температурі, а Бром (рідкий) з Гідрогеном взаємодіє повільно навіть при нагріванні. Оксид кальцію вступає в реакцію з водою енергійно, з виділенням тепла; оксид міді – не реагує. Реакції поділяють на: Ø Гомогенні – коли реагенти і продукти реакції знаходяться в одній фазі. Наприклад, 2SО2 (газ)+ О2 (газ) = 2SО3 (газ). Ø Гетерогенні – коли реагенти і продукти реакції знаходяться в різних фазах. Наприклад, Fe3O4 (твердий) + 4CO (газ) D 3Fe (твердий) + 4CO2 (газ). Гомогенні реакції (крім твердофазних) протікають швидше, ніж гетерогенні. Швидкість протікання гетерогенної реакції обмежується площею поверхні розділу фаз.
2) Вплив концентрації реагуючих речовин Реакції відбуваються при зіткненні молекул або атомів реагуючих речовин. Чим більша концентрація речовин, тим частіше відбуваються такі зіткнення. Залежність швидкості реакції від КОНЦЕНТРАЦІЇ виражає основний закон кінетики – ЗАКОН ДІЮЧИХ МАС (Гульдберг, Вааге, 1864-1867 р.р): швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин. Для реакції aA + bB +... ® сС + dD, швидкість реакції запишеться як v = k • сАа • сВв •..., або v = k • [A]a • [B]b •..., – де сA і сB (або [A] і [B]) – молярні концентрації реагуючих речовин А і В, k – константа швидкості реакції КОНСТАНТА ШВИДКОСТІ (K) дорівнює швидкості даної реакції, якщо концентрації речовин рівні 1 моль/л. Константа k залежить від природи реагуючих речовин і від температури, але не залежить від концентрації. þ Запам'ятати! Швидкість залежить від концентрації газоподібних і рідких речовин і не залежить від концентрації твердих речовин
Задача 1. Як зміниться швидкість реакції синтезу аміаку N2 + 3Н2 = = 2NН3, якщо концентрацію водню збільшити в три рази? v1 = k[N2]•[H2]3 v2 = k[N2]•[3Н2]3 = k[N2]•33•[H2]3 = 27 v1 Відповідь: швидкість реакції збільшиться в 27 разів.
Деякі приклади впливу концентрації речовин на швидкість хімічних. реакцій в ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ: •Якщо хворий приймає ліки, він збільшує концентрацію деяких речовин і, отже, швидкість деяких біохімічних процесів. Тому правильне дозування ліків має дуже велике значення в медицині. • Для життєдіяльності всіх клітин необхідна достатня кількість кисню. Швидкість обміну речовин в клітинах мозку найбільша, тому клітини мозку страждають і гинуть від нестачі кисню першими (після 5-ти хвилин без кисню!).
3) Вплив ТЕМПЕРАТУРИ на швидкість реакції ЗАКОН Вант - Гоффа: при підвищенні температури на кожні 10 градусів швидкість хімічної реакції збільшується в 2-4 рази .
Вплив температури на швидкість реакції пояснює ТЕОРІЯ АКТИВАЦІЇ: 1) При високій температурі збільшується число АКТИВОВАНИХМОЛЕКУЛ (активованих комплексів), які легше руйнуються. АКТИВОВАНИМИ називають молекули, які володіють деяким запасом енергій, ЕНЕРГІЄЮ АКТИВАЦІЇ (Еа) 2) При підвищенні температури збільшується швидкість руху молекул і частота їх зіткнення. 3) Все це приводить до збільшення числа ЕФЕКТИВНИХ ЗІТКНЕНЬ, які приводять до руйнування старих і утворення молекул нових речовин. Еа – ЕНЕРГІЯ АКТИВАЦІЇ – це енергія, яку потрібно надати молекулам реагуючих речовин, щоб перетворити їх на активні. Чим більша енергія активації Еа, тим сильніше зростає швидкість реакції при збільшенні температури.
4) Вплив КАТАЛІЗАТОРА Зміна швидкості хімічної реакції під дією каталізаторів називається КАТАЛІЗОМ. Каталіз може бути позитивним і негативним. КАТАЛІЗАТОРИ – це речовини, які збільшують швидкість хімічної реакції, але не входять до складу її продуктів. В організмі людини це ферменти (ензими), гормони. Інгібітори – це речовини, які сповільнюють швидкість хімічної реакції. Промотори – це речовини, які збільшують активність каталізатора (каталізатори для каталізаторів). В організмі людини – це вітаміни, вода, мінеральні солі, деякі мікроелементи. Наприклад, в біохімічних процесах кобальт (Co) і нікель (Ni) є промоторами заліза. У реакції синтезу аміаку N2 + 3Н2 = 2NH3 Fе2О3 –каталізатор, а А12О3 – промотор. Каталітичні отрути – це речовини, які інактивують каталізатори (знижують їх активність). Для людини це солі деяких важких металів (ртуті Hg, свинцю Pb, стронцію Sr і інших), чадний газ (CO), сполуки миш'яку As, деякі органічні речовини і продукти їх згоряння. Наприклад, в димі сигарет та у вихлопних газах машин дуже висока концентрація каталітичних отрут.
ВИДИ КАТАЛІЗАТОРІВ 1. Гомогенні каталізатори – знаходяться в однаковому агрегатному стані з реагуючими речовинами. Наприклад, NO (газ) каталізатор для реакції 2SО2(газ)+О2(газ)= 2SО3(газ). 2. Гетерогенні каталізатори – знаходяться в різних агрегатних станах. Наприклад, V2O5 (твердий) – гетерогенний каталізатор для реакції 2SО2(газ) + О2(газ) = 2SО3(газ).
РОЛЬ КАТАЛІЗАТОРІВ 1. Знижують енергію активації, тобто енергію, необхідну для проходження хімічної реакції (гомогенні і гетерогенні каталізатори). 2. Адсорбують (поглинають) на своїй поверхні молекули реагуючих речовин, тому збільшують їх концентрацію (гетерогенні). Практично всі біохімічні реакції як у простих одноклітинних організмах, так і в вищих - тваринах і рослинах, носять каталітичний характер. Роль каталізаторів виконують ферменти.
ВИДИ І МЕХАНІЗМ КАТАЛІЗУ Ø Гомогенний каталіз відбувається з утворенням проміжних комплексів, які ; легше вступають в реакцію. Наприклад, для реакції А + В = АВ гомогенний каталіз йде в дві стадії: а) А + К = АК, б) АК + В = АВ + К де К – каталізатор, АК – проміжний комплекс. Наприклад реакція 2SO2 + О2 = 2SO2 йде тільки з каталізатором: a) 2NO + О2 = 2 NO2 б) NO2 + SO2 = SO3 + NO, де NO – каталізатор, NO2 – проміжний комплекс. Ø Гетерогенний каталіз Наприклад, для реакції 2SO2 + О2 = 2SO2 гетерогенними каталізаторами є: Платина Рt, Ванадій (V) оксид V2O5, ферум (ІІ) оксид Fe2O3. Ø Мікрогетерогенний (ферментативний) каталіз пов’язаний в основному з ферментативними процесами. ФЕРМЕНТИ (або ензими) – це гетерогенні біологічні каталізатори, речовини білкової природи. Ферменти діють в м'яких умовах (температура, тиск, pH живого організму).
ОСОБЛИВОСТІ ФЕРМЕНТНИХ КАТАЛІЗАТОРІВ: 1. Висока ефективність. Ферменти діють в 103 - 106 разів ефективніше, ніж небіологічні каталізатори. 2. Специфічність. Певний фермент при даних умовах каталізує тільки одну біологічну реакцію. 3. Ферменти діють при м’яких умовах проходження біохімічних процесів (температура, тиск, pHживого організму). 4. Швидкість біохімічних реакцій залежать як від концентрації реагуючих речовин так і від концентрації ферменту 5. Фермент і субстрат просторово співпадають як КЛЮЧ і ЗАМОК і утворюють комплекс .
§4.4. Рівновага хімічних реакцій Хімічні реакції можуть бути: необоротними або оборотними 1) НЕОБОРОТНІ реакції йдуть в одному напрямку до повного витрачання одного або всіх початкових речовин, утворенням осаду(¯), газу () або води.
2) ОБОРОТНІ реакції, що протікають одночасно в двох протилежних напрямах.
ХІМІЧНА РІВНОВАГА – стан системи, в якому швидкості прямої і зворотної реакцій рівні (v1 = v2). При хімічній рівновазі концентрації речовин залишаються незмінними. Хімічна рівновага має динамічний характер: пряма і зворотна реакції при рівновазі не припиняються. РІВНОВАЖНИЙ СТАН – це такий стан, при якому число утворених молекул продукту реакції рівне числу молекул, що розпалися на початкові речовини.
Відношення констант швидкостей прямої і зворотної реакції називають КОНСТАНТОЮ РІВНОВАГИ:
Константа рівноваги залежить від температури і природи реагуючих речовин. Чим більша константа рівноваги, тим більше зсунута рівновага у бік утворення продуктів прямої реакції. За постійних зовнішніх умов (концентрації, температури, тиску) хімічна рівновага зберігається довго. При зміні зовнішніх умов рівновага порушується, оскільки порушується рівність швидкостей прямої і зворотної реакцій. Зміна швидкостей називається зсувом рівноваги. Через деякий час встановлюється нова рівновага.
§4.5. Способи зсуву хімічної рівноваги. Закон Ле-Шательє
Напрям зсуву хімічної рівноваги визначає ЗАКОН Ле-Шательє: якщо на систему, що знаходиться в рівновазі, проводиться зов‑ нішня дія (змінюється концентрація, температура, тиск), то вона сприяє протіканню тієї з двох протилежних реакцій, яка послаблює цю дію
Розглянемо вплив зовнішніх умов на зміщення рівноваги на прикладі синтезу аміаку (NH3) з азоту і водню:
а). Вплив концентрації ([A], c). При збільшенні концентрації початкових речовин (азоту N2 і водню H2) рівновага зміщується у бік зменшення цих концентрацій, тобто у бік утворення продуктів реакції (аміаку, NH3) – BПРАВО (®)
б). Вплив температури (t°). Підвищення температури зміщує положення рівноваги у бік ЕНДОТЕРМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ (тобто у бік реакції, що протікає з поглинанням теплоти), при пониженні температури – у бік ЕКЗОТЕРМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ (реакції, що протікає з виділенням теплоти).
Оскільки пряма реакція йде з виділенням тепла +Q (ЕКЗОТЕРМІЧНА), а зворотна – з поглинанням тепла – Q (ЕНДОТЕРМІЧНА), то - при підвищенні температури (з 50°С до 100°С) –рівновага реакції зміщується у бік зворотної реакції – ВЛІВО (). - при зниженні температури (зі 100°С до 50°С) –рівновага реакції зміщується у бік прямої реакції – ВПРАВО (®).
3). Вплив тиску (p) (для газів). Зміна тиску зміщує рівновагу тих оборотних реакцій, які йдуть зі зміною числа моль газоподібних речовин. Підвищення тиску зміщує хімічну рівновагу у бік реакції утворення меншого числа моль газу, пониження тиску – в бік утворення більшого числа моль газу. Наприклад, для реакції N2 + 3Н2 D 2NН3 1 моль + 3 моль D 2 моль пряма реакція N2 + 3Н2 ® 2NН3 проходить зі зменшенням числа моль газу, а зворотня реакція 2NН3 ® N2 + 3Н2 проходить зі збільшенням числа моль газу. - при підвищенні тиску – рівновага реакції зміщується у бік прямої реакції ВПРАВО (®). - при зниженні тиску –рівновага реакції зміщується у бік зворотної реакції ВЛІВО ().
4). Каталізатори не зміщують хімічної рівноваги, оскільки вони однаково змінюють швидкість прямої і зворотної реакцій. У присутності каталізатора хімічна рівновага встановлюється швидше.
|
