Катализатор увеличивает скорость химической реакции потому что

Химическая кинетика. Скорость химических реакций

Темы кодификатора ЕГЭ: Скорость реакции. Ее зависимость от разных факторов.

Скорость химической реакции показывает, как быстро происходит та или иная реакция. Взаимодействие происходит при столкновении частиц в пространстве. При этом реакция происходит не при каждом столкновении, а только когда частица обладают соответствующей энергией.

Скорость реакции – количество элементарных соударений взаимодействующих частиц, заканчивающихся химическим превращением, за единицу времени.

Определение скорости химической реакции связано с условиями ее проведения. Если реакция гомогенная – т.е. продукты и реагенты находятся в одной фазе – то скорость химической реакции определяется, как изменение концентрации вещества в единицу времени:

υ = ΔC / Δt

Если реагенты, или продукты находятся в разных фазах, и столкновение частиц происходит только на границе раздела фаз, то реакция называется гетерогенной, и скорость ее определяется изменением количества вещества в единицу времени на единицу реакционной поверхности:

υ = Δν / (S·Δt)

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

1. Температура

Обратите внимание! Это правило работает одинаково для всех химических реакций (в том числе для экзотермических и эндотермических). Скорость реакции не зависит от теплового эффекта. Скорость экзотермических реакций при повышении температуры возрастает, а при понижении температуры – уменьшается. Скорость эндотермических реакций также возрастает при повышении температуры, и уменьшается при понижении температуры.

Более того, еще в XIX веке голландский физик Вант-Гофф экспериментально установил, что скорость большинства реакций примерно одинаково изменяется (примерно в 2-4 раза) при изменении температуры на 10 о С.

Правило Вант-Гоффа звучит так: повышение температуры на 10 о С приводит к увеличению скорости химической реакции в 2-4 раза (эту величину называют температурный коэффициент скорости химической реакции γ).

Точное значение температурного коэффициента определяется для каждой реакции.

здесь v₂ — скорость реакции при температуре T₂,

v₁ — скорость реакции при температуре T₁,

γ — температурный коэффициент скорости реакции, коэффициент Вант-Гоффа.

В некоторых ситуациях повысить скорость реакции с помощью температуры не всегда удается, т.к. некоторые вещества разлагаются при повышении температуры, некоторые вещества или растворители испаряются при повышенной температуре, т.е. нарушаются условия проведения процесса.

2. Концентрация

На основании большого числа экспериментов в 1867 году в работах норвежских ученых П. Гульденберга и П. Вааге и, независимо от них, в 1865 году русским ученым Н.И. Бекетовым был выведен основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ:

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их коэффициентам в уравнении химической реакции.

Для химической реакции вида: aA + bB = cC + dD закон действующих масс записывается так:

здесь v — скорость химической реакции,

C_A и C_B — концентрации веществ А и В, соответственно, моль/л

k – коэффициент пропорциональности, константа скорости реакции.

закон действующих масс выглядит так:

Константа скорости реакции k показывает, с какой скоростью будут реагировать вещества, если их концентрации равны 1 моль/л, или их произведение равно 1. Константа скорости химической реакции зависит от температуры и не зависит от концентрации реагирующих веществ.

В законе действующих масс не учитываются концентрации твердых веществ, т.к. они реагируют, как правило, на поверхности, и количество реагирующих частиц на единицу поверхности при этом не меняется.

В большинстве случаев химическая реакция состоит из нескольких простых этапов, в таком случае уравнение химической реакции показывает лишь суммарное или итоговое уравнение происходящих процессов. При этом скорость химической реакции сложным образом зависит (или не зависит) от концентрации реагирующих веществ, полупродуктов или катализатора, поэтому точная форма кинетического уравнения определяется экспериментально, или на основании анализа предполагаемого механизма реакции. Как правило, скорость сложной химической реакции определяется скоростью его самого медленного этапа (лимитирующей стадии).

3. Давление

pV = νRT

Например. Как изменится скорость реакции сплавления извести с оксидом кремния:

при повышении давления?

Правильным ответом будет – никак, т.к. среди реагентов нет газов, а карбонат кальция – твердая соль, нерастворимая в воде, оксид кремния – твердое вещество. Газом будет продукт – углекислый газ. Но продукты не влияют на скорость прямой реакции.

4. Катализатор

Катализаторы – это химические вещества, участвующие в химической реакции, изменяющие ее скорость и направление, но не расходующиеся в ходе реакции (по окончании реакции не изменяющиеся ни по количеству, ни по составу). Примерный механизм работы катализатора для реакции вида А + В можно представить так:

A + K = AK

AK + B = AB + K

Процесс изменения скорости реакции при взаимодействии с катализатором называют катализом. Катализаторы широко применяют в промышленности, когда необходимо увеличить скорость реакции, либо направить ее по определенному пути.

По фазовому состоянию катализатора различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенный катализ – это когда реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (газ, раствор). Типичные гомогенные катализаторы – кислоты и основания. органические амины и др.

Гетерогенный катализ – это когда реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах. Как правило, гетерогенные катализаторы – твердые вещества. Т.к. взаимодействие в таких катализаторах идет только на поверхности вещества, важным требованием для катализаторов является большая площадь поверхности. Гетерогенные катализаторы отличает высокая пористость, которая увеличивает площадь поверхности катализатора. Так, суммарная площадь поверхности некоторых катализаторов иногда достигает 500 квадратных метров на 1 г катализатора. Большая площадь и пористость обеспечивают эффективное взаимодействие с реагентами. К гетерогенным катализаторам относятся металлы, цеолиты — кристаллические минералы группы алюмосиликатов (соединений кремния и алюминия), и другие.

Пример гетерогенного катализа – синтез аммиака:

В качестве катализатора используется пористое железо с примесями Al₂O₃ и K₂O.

Сам катализатор не расходуется в ходе химической реакции, но на поверхности катализатора накапливаются другие вещества, связывающие активные центры катализатора и блокирующие его работу (каталитические яды). Их необходимо регулярно удалять, путем регенерации катализатора.

В биохимических реакция очень эффективными оказываются катализаторы – ферменты. Ферментативные катализаторы действуют эффективно и избирательно, с избирательностью 100%. К сожалению, ферменты очень чувствительны к повышению температуры, кислотности среды и другим факторам, поэтому есть ряд ограничений для реализации в промышленных масштабах процессов с ферментативным катализом.

Катализаторы не стоит путать с инициаторами процесса и ингибиторами.

Ингибиторы – это вещества, которые замедляют химическую реакцию. Ингибиторы могут расходоваться и участвовать в химической реакции. При этом ингибиторы не являются катализаторами наоборот. Обратный катализ в принципе невозможен – реакция в любом случае будет пытаться идти по наиболее быстрому пути.

5. Площадь соприкосновения реагирующих веществ

В промышленности для увеличения площади контактирующей поверхности реагирующих веществ используют метод «кипящего слоя».

6. Природа реагирующих веществ

На скорость химических реакций при прочих равных условиях также оказывают влияние химические свойства, т.е. природа реагирующих веществ.

Менее активные вещества будут имеют более высокий активационный барьер, и вступают в реакции медленнее, чем более активные вещества.

Более активные вещества имеют более низкую энергию активации, и значительно легче и чаще вступают в химические реакции.

Более стабильные вещества — это, например, те вещества, которые окружают нас в быту, либо существуют в природе.

Более активные вещества мы можем встретить в быту и природе сравнительно редко.

При небольших значениях энергии активации (менее 40 кДж/моль) реакция проходит очень быстро и легко. Значительная часть столкновений между частицами заканчивается химическим превращением. Например, реакции ионного обмена происходят при обычных условиях очень быстро.

При высоких значениях энергии активации (более 120 кДж/моль) лишь незначительное число столкновений заканчивается химическим превращением. Скорость таких реакций пренебрежимо мала. Например, азот с кислородом практически не взаимодействует при нормальных условиях.

При средних значениях энергии активации (от 40 до 120 кДж/моль) скорость реакции будет средней. Такие реакции также идут при обычных условиях, но не очень быстро, так, что их можно наблюдать невооруженным глазом. К таким реакциям относятся взаимодействие натрия с водой, взаимодействие железа с соляной кислотой и др.

Вещества, стабильные при нормальных условиях, как правило, имеют высокие значения энергии активации.

Источник

Скорость химических реакций. Действие катализаторов.

Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема.

Если при постоянных объеме и температуре концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась от с₁ до с₂ за определенный промежуток времени от t₁ до t₂, то скорость химической реакции равна:

где k — коэффициент, не зависящий от концентрации, называется константой скорости реакции,

v_A и v_B – постоянные числа – показатели порядка скорости реакции по реагентам А и В.

Следует отметить, что показатели порядка скорости реакции v_A и v_B о реагентам никогда не равны стехиометрическим коэффициентам a и b (исключение может быть только в одном случае – если реакция представляет собой элементарный акт).

Для сложных реакций показатели порядка реакции не равны стехиометрическим коэффициентам и определяются только экспериментально.

Такая зависимость справедлива для газов и жидкостей (гомогенные системы). Для гетерогенной реакции (с участием твердых веществ) скорость реакции зависит еще и от величины поверхности соприкосновения между реагирующими веществами. Любое увеличение площади поверхности приводит к увеличению скорости реакции.

Влияние катализаторов на скорость химической реакции.

Механизм действия катализаторов (упрощенный).

В ходе катализируемой химической реакции происходит образование промежуточных продуктов (образование связи между катализатором и реагирующим веществом).

Реакция без катализатора идет очень медленно, а при добавлении катализатора К, о реагирует с одним из исходных веществ (например, с А), образуя очень непрочное и реакционноспособное промежуточное соединение АК:

Это промежуточное соединение реагирует с другим исходным веществом В, образуя конечный продукт АВ и катализатор выходит в первоначальном виде:

Катализатор может участвовать в реакции бесконечное число раз. Но следует учесть, что в реакциях могут присутствовать соединения, понижающие активность катализатора. Такие вещества называется каталитическими ядами, а сам процесс – отравлением.

Гомогенный катализ.

Гетерогенный катализ.

При гетерогенном катализе происходит адсорбция реагирующих веществ поверхностью катализатора (она неоднородна, и здесь расположены активные центры, под действием которых связь между атомами реагентов ослабляется, молекула деформируется, а иногда даже распадается).

Для катализатора характерна избирательность действия (определенный катализатор для определенной реакции). Подбор оптимальных катализаторов является насущной проблемой многих производств: переработка газов, крекинг углеводородов, нефтяная промышленность, получение полимеров, каучука и т. д.

В живой природе катализаторы также играют большую роль, только называются они ферментами.

Источник

Влияние катализатора на скорость химических реакций. Причины влияния катализатора.

Влияние, оказываемое катализаторами на химические реакции, называется катализом.По агрегатному состоянию, в котором находятся катализатор и реагирующие вещества, следует различать:

гомогенный катализ (катализатор образует с реагирующими веществами гомогенную систему, например, газовую смесь);

гетерогенный катализ (катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах; катализ идет на поверхности раздела фаз).

Механизм действия катализаторов объясняется образованием промежуточных соединений. Например, механизм действия катализатора К в реакции А + В = АВ можно схематически показать так:

А + К = АК АК + В = АВ + К

В присутствии катализатора изменяется путь, по которому происходит суммарная реакция, поэтому изменяется ее скорость. Например: 2SO2 + O2 = 2 SO3 (медленно);

Механизм: 2 NO + O2 = 2 NO 2 (быстро)

Энергия активации существенно меньше, следовательно скорость реакции возрастает.

Источник

Урок №4. Скорость химических реакций. Первоначальные представления о катализе

Для оценки скорости необходимо изменение концентрации одного из веществ.

Гомогенные системы (однородные) – газ/газ, жидкость/жидкость – реакции идут во всём объёме.

Гетерогенные (неоднородные) системы – твёрдое/жидкость, газ/твёрдое, жидкость/газ – реакции идут на поверхности раздела фаз.

С корость химической реакции в гомогенной системе

Скорость химической реакции в гетерогенной системе

Таким образом, скорость химической реакции показывает изменение количества вещества в единицу времени, в единице объёма или на единице поверхности раздела фаз. Наибольший интерес представляют реакции, протекающие в однородной (гомогенной) среде.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ

Закон действующих масс: Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

При повышении концентрации хотя бы одного из реагирующих веществ скорость химической реакции возрастает в соответствии с кинетическим уравнением.

aA + bB = cC + dD

, где A, B, C, D – газы, жидкости

Кинетическое уравнение примет вид:

υ=k‧C a (A) ‧C b (B)

, где k – коэффициент скорости реакции

Причиной повышения скорости является увеличение числа столкновений реагирующих частиц за счёт увеличения частиц в единице объёма.

КАТАЛИЗАТОРЫ И ИНГИБИТОРЫ

гомогенный катализ (катализатор образует с реагирующими веществами гомогенную систему, например, газовую смесь);

гетерогенный катализ (катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах; катализ идет на поверхности раздела фаз).

Для увеличения площади соприкосновения реагирующих веществ, их измельчают. Наибольшей степени измельчения достигают путем растворения веществ. Быстрее всего вещества реагируют в растворах.

Например, металлы магний и железо реагируют с соляной кислотой одинаковой концентрации с различной скоростью. Это связано с разной химической активностью металлов.

ПЛОЩАДЬ СОПРИКОСНОВЕНИЯ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Для увеличения площади соприкосновения реагирующих веществ, их измельчают. Наибольшей степени измельчения достигают путем растворения веществ. Быстрее всего вещества реагируют в растворах.

ПРИРОДА РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Например, металлы магний и железо реагируют с соляной кислотой одинаковой концентрации с различной скоростью. Это связано с разной химической активностью металлов.

Источник

НОУ «Влияние природы катализатора на скорость химических реакций»

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Выбранный для просмотра документ Работа..docx

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №37

Научное общество учащихся

Влияние природы катализатора на разложение перекиси водорода

Выполнил: Дерябин Максим Сергеевич

9в класс МБОУ СОШ №37

Незговорова Марина Вячеславовна

учитель химии I категории

Глава 1. Теоретическая часть

История открытия явления катализа……………………… стр.4-5

Скорость химических реакций ……………………………. стр.5

Виды катализаторов ……………………………………….. стр.7-8

Механизм действия катализаторов………………………. стр.8-9

1.7Разложение перекиси водорода ……………………………. стр.9-10

3. Глава 2. Практическая часть.

2.1. Опыты с оксидами марганца ( II ) и железа ( II )……………..стр.10-12

Опыты с ферментами…………………………………… стр.12

5. Список источников и литературы……………………………….стр.17

Целью нашей работы является исследование влияния различных катализаторов на скорость химической реакции (на примере каталитического разложения перекиси водорода).

Для этого были поставлены следующие задачи:

1) изучить литературный материал о влиянии катализаторов на скорость химической реакции;

2) исследовать зависимость скорости химической реакции от природы катализатора, концентрации катализатора, площади поверхности катализатора, среды (кислотной, щелочной и нейтральной).

3) провести опыты, позволяющие сравнить эффективность различных катализаторов относительно друг друга.

1.1. История открытия явления катализа

Катализ – изменение скорости химической реакции в присутствии катализаторов. Самые простые научные сведения о катализе были известны уже к началу XIX в. Знаменитый русский химик, академик К.С.Кирхгоф, открыл в 1811 году каталитическое превращение крахмала в сахар под действием разбавленных кислот. Эта реакция лежит в основе крахмалопаточного производства. А в 1814 году он открыл фермент – амилазу, и им же было установлено, что эту реакцию может катализировать диастаза из ячменного солода, чем было положено начало изучению биологических катализаторов – ферментов. Четыре года спустя Г.Деви открыл способность паров спирта и эфира окисляться кислородом на платине. В 1822 году И.Деберейнер установил, что при обычной температуре можно соединять водород и кислород на платине. Вскоре эти и многие другие открытия привели к установлению существования явлений, в 1833 г. названных Э. Митчерлихом контактными, а в 1835 г. И. Берцелиусом – каталитическими. В органической химии успехи катализа связаны с развитием теории строения органических соединений А.М.Бутлерова. Большую роль сыграли каталитические методы в развитии процессов органического синтеза.

Следующим направлением использования катализатора является каталитическая очистка технологических газов, а также очистка сточных вод, загрязненных органическими веществами. В живой природе вся система управления жизненными процессами в организмах основана на катализе. Такие процессы, как брожение, дыхание, пищеварение, синтез белков и других соединений и т. п. осуществляется с помощью ферментов, называемых энзимами.

1.2. Скорость химической реакции.

В химической кинетике для определения скорости химической реакции обычно принято рассматривать превращение исходных веществ, количество которых в ходе эксперимента уменьшается. Для описания этого процесса во времени требуется введение понятия скорости превращения.

υ _гом = =

Скорость гетерогенной реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени на единицу поверхности. Химическая реакция может протекать только при непосредственном контакте реагирующих частиц. Формула нахождения скорости реакции при гетерогенном катализе:

υ _гет = =

1.3. Факторы, влияющие на скорость химической реакции.

Скорость химической реакции зависит от многих факторов. Основными из них являются: природа и концентрация реагирующих веществ, давление (в реакциях с участием газов), температура, действие катализаторов и поверхность реагирующих веществ в случае гетерогенных реакций. Т.к скорость химической реакции зависит от площади соприкосновения реагирующих веществ, их измельчают. Наибольшей степени измельчения достигают путем растворения веществ. Быстрее всего вещества реагируют в растворах.

Можно увеличить скорость реакции, используя специальные вещества, которые изменяют механизм реакции и направляют её по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации. Их называют катализаторами.

1.5. Виды катализаторов.

разложение этилового спирта на воду и этилен в присутствии катализатора Al ₂ O _{3 :}

реакция соединения угарного газа с водородом в присутствии меди:

реакция синтеза оксида серы ( VI ) идёт под высоким давлением, при

1.6. Механизм действия катализаторов.

Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества(диффузия-взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества)

Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их( хемосорбция- поглощение вещества поверхностью какого либо тела )

Химическая реакция между реагирующими молекулами

Десорбция продуктов с поверхности катализатора(десорбция- удаление из жидкостей или твердых тел веществ, поглощенных при адсорбции)

Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток

1.7. Разложение перекиси водорода.

Глава 2. Практическая часть.

2.1. Опыты с оксидами.

2.1.1. Опыты с оксидом марганца (II).

2.1.2. Опыты с оксидом марганца (II) и оксидом железа (III).

2.1.3. Опыты с оксидом марганца (II) и оксидом меди (II).

2.1.4. Опыты с оксидом хрома (III).

2.2. Опыты с ферментами.

2.2.1. Опыты с крупными кусочками моркови.

Мы нарезали ножом морковь на крупные кусочки, с помощью пинцета мы бросили кусочки в пробирку с перекисью, сразу же закрыв её пробкой. Масса моркови 5г. Из опыта видно, что реакция идёт не быстро, но равномерно.

2.2.2. Опыты с мелко натёртой морковью.

Мы мелко натёрли морковь на тёрке, с помощью пинцета мы бросили морковь в пробирку с перекисью, сразу же закрыв её пробкой. Масса моркови 5г. Из опыта видно, что реакция идёт быстрее, чем с крупными кусочками моркови.

2.2.3. Опыты с мелко натёртым картофелем.

Мы мелко натёрли картофель, после чего с помощью пинцета мы бросили картофель в пробирку с перекисью, сразу же закрыв её пробкой. Масса картофеля 5г. Из опыта видно, что реакция идёт быстрее, чем в опытах с морковью.

2.2.4. Опыты с мясным фаршем.

Мы пропустили мясо через мясорубку, получив мясной фарш. Далее, с помощью пинцета, мы бросили фарш в пробирку с перекисью, сразу же закрыв её пробкой. Масса фарша 5г. Из опыта видно, что реакция идёт немного медленнее, чем в опытах с морковью.

2.3.1. В нейтральной среде.

2.3.2. В кислой и щелочной средах.

2.3.2.1. В кислотной среде.

2.3.2.2. В щелочной среде.

2.3.3. Опыты с различными объемами раствора KMnO 4 .

2.3.3.2. Объем раствора KMnO 4 1мл.

2.3.3.3. Объем раствора KMnO 4 2мл.

2.3.3.4. Объем раствора KMnO 4 3мл.

В данной работе были проведены опыты с различными катализаторами реакции разложения пероксида водорода, включая ферменты, оксиды металлов, растворы солей. Были проведены опыты, показывающие, как скорость химической реакции зависит от различных факторов: среды, площади поверхности катализатора, объема раствора катализатора. Был также проведён ряд опытов с оксидами, показывающий, какие оксиды являются наиболее эффективными катализаторами.

Среди природных катализаторов наибольшую эффективность показала мелко-натёртая морковь, о чём можно судить по графику 2. В этом случае скорость реакции не является максимальной, но продолжительность катализа здесь выше, по сравнению с мелко-натёртым картофелем. В присутствие мелко-натёртого картофеля скорость реакции разложения перекиси водорода является максимальной среди ферментов, что видно из графика 2. Наименьшая скорость реакции в опытах с ферментами наблюдается под действием крупных кусочков моркови, что видно из графика 2.

В опытах с различными объёмами раствора марганцовокислого калия, наибольшая скорость реакции наблюдалась в опыте с объёмом раствора марганцовокислого калия 0,5мл, что можно увидеть из графика 4. Наименьшая скорость реакции была зафиксирована в опыте с объёмом раствора марганцовокислого калия 2мл, что можно наблюдать из графика 4.

Проблему поиска эффективных катализаторов для различных реакций с целью их промышленного применения можно пытаться решить через экспериментальную проверку каталитического эффекта различных веществ, в различных концентрациях, средах и т.д.

Источник