Изучение влияния температуры на скорость химической реакци

Скорость химических реакций и факторы ее обуславливающие

Одна из особенностей химических реакций заключается в том, что они протекают во времени. Одни реакции протекают медленно, месяцами, как например, коррозия железа или брожение виноградного сока, в результате которой получается вино. Другие завершаются за несколько недель, как спиртовое брожение глюкозы. Третьи заканчиваются очень быстро, например осаждение нерастворимых солей, а некоторые реакции происходят мгновенно (например, взрывы).

При рассмотрении вопроса о скорости реакции необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе, и реакции, протекающие в гетерогенной системе. Гомогенная система (от греч. homogenes – однородный) - это система, химический состав и физические свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно (между частями системы нет поверхности раздела). Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь или раствор нескольких веществ в одном растворителе. Гетерогенная система – макроскопически неоднородная физико-химическая система, которая состоит из различных по своим свойствам частей, разграниченных поверхностями раздела. В качестве примеров гетерогенных систем можно привести следующие системы: вода со льдом, насыщенные растворы с осадком. Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы, если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему.

К важнейшим факторам, влияющим на скорость химических реакций, относятся: природа реагирующих веществ, их концентрация, температура и присутствие катализатора (а также давление, если реакция протекает в газовой фазе).

Влияние природы и состояния реагирующих веществ на скорость химической реакции

Реакции в газовой фазе в общем случае протекают с более высокой скоростью, чем в растворах, а в растворах – быстрее, чем в твердой фазе.

Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ

Необходимым условием того, чтобы между частицами исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом, поэтому скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые совершают молекулы реагирующих веществ. Число соударений, в свою очередь, тем больше, чем выше концентрация каждого из исходных веществ.

Количественно зависимость между скоростью реакции и молярными концентрациями реагирующих веществ (выраженных в моль/л) описывается законом действующих масс, открытым опытным путем К.М. Гульдбергом и П. Ваге в 1867г.:

«При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, причем каждая концентрация входит, а произведение в степени, равной коэффициенту, стоящему перед формулой данного вещества в уравнении реакции»

Рассмотрим реакцию между веществами А и В, протекающую по схеме:

аА + вВ + … ® сС + dD …

Скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна текущим концентрациям реагирующих веществ, возведенным в некоторые степени:

v = k [A]ⁿ^A [B]ⁿ^B_.(1)

Выражение такого типа называют кинетическим уравнением. Коэффициент пропорциональности k называют константой скорости.

Особенно следует отметить, что закон действующих масс справедлив только для газов и реакций, протекающих в растворах. Уравнение 1 не является справедливым для реакций с участием твердых веществ, так как в этих случаях взаимодействие молекул происходит не во всем объеме реагирующих веществ, а лишь на поверхности, от размера которой также зависит скорость реакции. Поэтому реакции в гетерогенных системах протекают значительно сложнее. Кроме того, на скорость реакций с участием твердых веществ сильное влияние оказывает степень измельчения; например, полированный мрамор очень медленно реагирует с соляной кислотой, обычный мел реагирует уже с заметной скоростью, а мелко измельченный мел (порошок) – реагирует достаточно бурно.

Влияние температуры на скорость реакции

С ростом температуры возрастает энергия сталкивающихся частиц и повышается вероятность того, что при столкновении произойдет химическое превращение, поэтому скорость реакции должна увеличиваться. Для приближенной оценки изменения скорости широко используется правило Вант-Гоффа, в соответствии с которым скорость химической реакции становится приблизительно в 2 – 4 раза больше при повышении температуры на каждые 10 градусов. Математически это означает, что скорость реакции зависит от температуры следующим образом:

v(T₂)/v(T₁) = g⁽^T^{2 –}^T^1)/10,

где g - температурный коэффициент скорости (g = 2 – 4).

Влияние катализаторов

Наиболее сильное влияние на скорость реакции оказывает присутствие в реагирующей системе катализатора – вещества, которое повышает (а иногда и уменьшает – тогда его называют ингибитором) скорость химической реакции, но само не расходуется в этом процессе. Катализаторы подразделяют на три типа: гомогенные, гетерогенные и биологические (биокатализаторы или ферменты, реже можно встретить название энзимы).

Влияние катализаторов на скорость реакции называется катализом. Если взаимодействующие вещества и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, говорят о гомогенном катализе. При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях: обычно катализатор – в твердом, а реагирующие вещества – в жидком или газообразном.

Механизм действия катализаторов является очень сложным. Основная гипотеза, объясняющая катализ – предположение об образовании промежуточных продуктов при взаимодействии катализатора и реагирующего вещества.

Для объяснения гетерогенного катализа чаще всего пользуются адсорбционной теорией катализа. Согласно этой теории при гетерогенном катализе происходит адсорбция реагирующих веществ поверхностью катализатора (за счет того, что поверхность катализатора неоднородна и на ней имеются так называемые активные центры). Под действием активных центров катализатора у адсорбированных молекул ослабляется связь между атомами, увеличиваются расстояния между атомами в реагирующей молекуле, реагирующие молекулы деформируются, а иногда даже диссоциируют на отдельные атомы.

Кроме того, нужно подчеркнуть, что для катализатора характерна избирательность действия, т. е. определенный катализатор, изменяя скорость одной реакции, не оказывает влияния на скорость какой то другой химической реакции. Поэтому понятно, что поиски, подбор, исследования и дальнейшее внедрение в практику все новых и новых катализаторов являются одной из сложнейших и важнейших задач современной химии.

Катализ играет большую роль не только в химии, но и в биологии, так как практически все биохимические превращения, происходящие в живых организмах, являются каталитическими. Роль катализаторов в этих реакциях выполняют специфические белки, называемые ферментами. Всем ферментам свойственна высокая каталитическая сила и специфичность.

Ферменты ускоряют реакции, по крайней мере, в миллионы раз. В самом деле, в отсутствие ферментов скорость большинства реакций в биологических системах была бы практически неощутима. Даже такая простая реакция, как гидратирование диоксида углерода катализируется ферментом:

СО₂+ Н₂О ® Н₂СО₃

В отсутствие фермента перенос СО₂ из тканей в кровь и затем в воздух легочных альвеол был бы не полон. Карбоангидраза, катализирующая эту реакцию, принадлежит к числу самых активных ферментов из всех известных. Каждая молекула карбоангидразы способна гидратировать 10⁵ молекул СО₂ в 1 секунду. Скорость реакции гидратирования СО₂ в присутствии фермента в 10⁷ раз выше, чем в его отсутствие.

Ферменты обладают высокой специфичностью как в отношении катализируемой ими реакции, так и в отношении субстратов, т. е. участвующих в реакции веществ. Степень специфичности к субстрату обычно высока, а иногда практически абсолютна.

Примером высокой специфичности ферментов может служить ДНК-полимераза I. Этот фермент синтезирует ДНК, соединяя друг с другом четыре типа нуклеотидов – строительных блоков ДНК. Последовательность нуклеотидов в синтезируемой цепи ДНК определяется последовательностью нуклеотидов в другой цепи ДНК, играющей роль матрицы. ДНК- полимераза I отличается поразительно высокой точностью в выполнении тех инструкций, которые задаются матрицей. В синтезируемых цепях ДНК ошибочно включенный нуклеотид встречается реже, чем один раз на миллион.

Некоторые ферменты синтезируются в форме неактивного предшественника и переходят в активное состояние в соответствующем месте и времени. Примером регуляции такого типа могут служить пищеварительные ферменты. Так, трипсиноген синтезируется в поджелудочной железе, а активируется в тонком кишечнике, где в результате расщепления пептидной связи образуется активная форма – трипсин. Каталитически неактивные предшественники ферментов называются проферментами или зимогенами.

Ферменты осуществляют трансформацию различных видов энергии. Так, например, при фотосинтезе энергия света превращается в энергию химических реакций. В митохондриях – энергетических станциях клетки, свободная энергия, содержащаяся в низкомолекулярных веществах, поступающих с пищей, переходит в энергию аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия химических связей АТФ используется далее во многих процессах.

Ферменты обладают наибольшей эффективностью при температуре около 37°С. При повышении температуры выше 50-60°С они разрушаются и становятся неактивными.

Порядок выполнения работы

При взаимодействии раствора тиосульфата натрия Na₂S₂O₃ и серной кислоты выпадает сера, вызывающая при достижении определенной концентрации помутнение раствора:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄= H₂O + SO₂+ S + Na₂SO₄

По промежутку времени от начала реакции до заметного помутнения раствора можно судить об относительной скорости этой реакции.

Споласкивают две чистые бюретки: первую – раствором тиосульфата, вторую – раствором серной кислоты. Закрепляют каждую бюретку в штатив. Обе бюретки заполняют выше нулевого деления соответственно раствором тиосульфата натрия и раствором серной кислоты. Избыток жидкости из бюреток выпускают в подставленный стакан, пока нижний мениск жидкости в бюретках не установится на нулевом делении, при этом необходимо заполнить наконечники бюреток так, чтобы в них не осталось бы воздуха.

Наливают в одну пробирку 5 мл раствора Na₂S₂O₃, а в другую – 5 мл раствора H₂SO₄. Обе пробирки помещают в стакан с водой с тем, чтобы растворы приняли температуру воды. Через 5-7 мин измеряют температуру воды. Сливают вместе содержимое обеих пробирок. Измеряют время до появления помутнения. Повторяют опыт, повысив температуру еще на 10 град.

Результаты опытов записывают в таблицу по форме

Номер пробирки	Объем раствора, мл	Температура опыта, °С	Время появления помутнения, сек	Относительная скорость реакции v = 1 /t, сек ^-1
Na₂S₂O₃	H₂SO₄
	5, 0	5, 0
	5, 0	5, 0
	5, 0	5, 0

По полученным данным строят график зависимости скорости реакции от температуры: на оси абсцисс откладывают температуру, на оси ординат – относительную скорость реакции. Делают вывод.

3.Контрольные вопросы

1.Какие факторы оказывают влияние на скорость химической реакции?

2.Сформулируйте закон действующих масс.

3.Что называется константой скорости химической реакции?

4.Что такое катализ?

5.Приведите пример гетерогенного и гомогенного катализа.

6.Что такое ферменты?

7.В чем выражается высокая специфичность ферментов?

4.Тестовые задания

1.Система между частями которой нет поверхности раздела называется …

А)однофазной

Б)гомогенной

В)гетерогенной

Г)двухфазной

2.При повышении температуры скорость химической реакции …

А)не изменяется

Б)уменьшается

В)увеличивается

3.На скорость химической реакции влияет состояние и природа реагирующих веществ. В каком фазовом состоянии скорость химической реакции наибольшая?

А)в твердом

Б)в растворе

В)в газовом

Дмитриева Валеннтина Феофановна

Базина Инна Викторовна

Икренникова Юлия Борисовна

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 56