Тема 5.3. Химическая кинетика и катализ. Химическое равновесие

 

Предмет химической кинетики. Скорость химических реакций. Влияние природы реагирующих веществ, площадь поверхности, температура и концентрация реагирующих веществ на скорость реакции. Правило Вант Гоффа. Теория активации. Скорость ре­акции в гетерогенных системах, роль диффузии.

Влияние температуры на скорость биохимических и технологических процессов. Катализ и катализаторы. Катализаторы положительные и отрицательные, условия их действия. Ферменты, их роль в технологических процессах обработки пищевых про­дуктов. Теория катализа. Катализ в промышленности. Химическое равновесие. Обра­тимые и необратимые реакции. Константа равновесия, ее физический смысл. Смещение равновесия. Принцип Ле Шателье. Влияние температуры, давления и концентрации на сдвиг химического равновесия.

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Важно знать, насколько быстро протекают химические процессы, а также понимать какими факторами определяется их скорость. Например, какие факторы оказывают преимущественное влияние на скорость порчи продуктов питания. Раздел физической химии, посвященный изучению скоростей химических процессов, называется химической кинетикой.

Термодинамический метод позволяет оценить конечный результат химической реакции, указать направление и предел данной реакции, но не дает возможности судить о скорости и механизме процесса, поэтому нужно воспользоваться кинетическим мето­дом.

Скорость любого процесса определяют по тем изменениям, которые происходят за данный промежуток времени.

Скорость реакции выражают через изменение концентрации исходных веществ или про­дуктов реакции в единицу времени:

 

(моль/л с или моль/м³ * сек),

где Δ C - изменение концентрации;

Δ t промежуток времени.

 

Скорость каждого химического уравнения зависит от природы реагирующих ве­ществ (например, приготовление блюд из рыбы и мяса идет с различной скоро­стью), так и от условий, в которых протекает реакция. Важнейшим из этих условий являются концентрация, температура и присутствие катализатора. Для взаимодейст­вия между молекулами необходимо их столкновение. Чем больше молекул находиться в единице объёма, тем чаще они сталкиваются друг с другом. Следовательно, скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ. Количественно зависимость между скоростью реакции и концентрациями реагирующих веществ описы­вается законом действия масс.

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реа­гирующих веществ, взятых в степени равной стехиометрическому коэффициенту, стоя­щему перед формулой данного вещества в уравнении реакции. Например, для гомоген­ной реакции:

2N₂O₅ (г) = 4NO₂ (г), скорость = K[N₂O₅]².

В случае гетерогенных реакций в уравнении закона действий масс входят концен­трации только тех веществ, которые: находятся в газовой фазе или в растворе. На­пример, для реакции горения угля:

С + О₂ = СО₂

скорость = [KO₂], концентрация твердого вещества равна единице. Для реакции в общем виде пА + тВ = С, закон действия масс можно записать в форме:

V = К[А]ⁿ [В]ⁿ

где А, В- концентрации исходных веществ.

Скорость большинства химических реакций повышается с ростом температуры, напри­мер, пищу быстрее готовить в кипящей воде, чем просто в горячей. Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант –Гоффа, согласно которому при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реак­ции увеличивается 2-4 раза.

Математически эта зависимость выражается отношением:

 

,

где V₁ и V₂ - скорости реакции при температуре t₁ и t₂.

γ - температурный коэффициент реакции, который показывает, во сколько раз увеличится скорость реакции с повышением температуры на 10°.

 

Пример 1.

Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе при повышении температуры от 30° до 70° С, если температурный ко­эффициент равен 2.

 

Дано:   t1 = 30   t2 = 70   v = 2

 

Ответ. Скорость химической реакции при повышении температуры от 30° до 70° увеличится в 16 раз.

Скорость химической реакции может регулироваться с помощью катализатора. Ка­тализатор - это вещество, изменяющее скорость химической реакции и остающееся после реакции в неизменном состоянии и количестве.

Все химические реакции, лежащие в основе обмена веществ, протекают с участием особых катализаторов белковой природы - ферментов.

Активность ферментов зависит от температуры, кислотности или основности рас­твора. Ферменты высоко специфичны, т.е. способны катализировать определенную ре­акцию, не оказывая влияния на другие реакции. Ферменты снижают энергию активации в большей степени по сравнению с другими катализаторами.

Отдельные ферментные препараты используются в пищевой промышленности (спирто­вой, пивоваренной/ винодельческой, консервной, хлебопекарной, крахмалопаточной), в производстве синтетических моющих средств.

На основе очищенных ферментов создано большое число лекарственных препаратов. Стабилизационные ферменты используют для синтеза природных аминокислот и получе­ния глюкозы из доступных сырьевых источников (соломы, опилок), что имеет важное значение в решении проблемы создания искусственной пищи.

Рассматривая химическое равновесие, вспомните особенности обратимых и необра­тимых реакций. Поймите сущность химического равновесия и выражения константы равновесия через равновесные концентрации.

Для обратимой реакции типа aA + bB = cC + dD

 

Следует иметь ввиду, что массы веществ в правой и в левой частях уравнения не равны друг другу, как это должно быть при знаке равенства. А значение двух стре­лок ограничивается только указанием на необратимость реакции.

Научитесь писать выражение константы равновесия для различных процессов и рассчитывать константу равновесия, равновесные и исходные концентрации (с. 221-223, п.З.).

 

Пример 2.

В обратимой реакции СО + Cl₂ = COCl₂ установились следующие равно­весные концентрации;

[СО] = 0,1 моль/л

[Cl₂] = 0,4 моль/л

[COCl₂] = 4 моль/л

Вычислите константу равновесия и исходные концентрации оксида углерода и хлора.

Решение. Находим константу равновесия, используя уравнение (12):

 

 

Для определения концентраций [СО] и [С1₂] необходимо учесть, что согласно уравнению реакции при образовании 1 моля COCl₂ расходуется по молю СО и С1₂, от­сюда следует, что исходные концентрации (т.е. число молей СО и С1₂на литр смеси до начала реакции) составляют: [СО] = 0,1 + 4 = 4,1 моль/л

[Cl₂] = 0,4+4 = 4,4 моль/л

 

Пример 3.

В системе H₂ + J₂ = 2HJ установилось равновесие.

Как изменится скорость прямой реакции, если концентрацию Н₂ увеличить в 3 раза?

Решение.

1. Обозначим [H₂] = a; [U₂] ⁼ b

2. Запишем выражение скорости прямой реакции V₁ = kab.

3. Запишем выражение скорости прямой реакции после увеличения концентрации H₂ в 3 раза V2 = k3ab.

4. Для определения изменения скорости запишем отношение

 

 

Ответ: при увеличении концентрации Н₂ в 3 раза, скорость прямой реакции уве­личится в 3 раза.

Необходимо ознакомится с правилом смещения химического равновесия, сформули­рованного Ле-Шателье, и на конкретных примерах разобрать влияние концентрации, температуры и давления на сдвиг равновесия.

 

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ ОБУЧАЮЩИЙСЯ ДОЛЖЕН ЗНАТЬ И УМЕТЬ:

- объяснить понятие скорости химической реакции.

- объяснить влияние концентрации, температуры, величины поверхности и при­роды реагирующих веществ на скорость химической реакции;

- производить расчеты на основании закона действия масс и правила Вант-Гоффа;

- записать выражение для константы равновесия реакции по её полному химиче­скому уравнении, как для гомогенного, так и для гетерогенного равновесия;

- производить численное вычисление константы равновесия по заданным рав­новесным концентрациям;

- объяснять, какое влияние оказывают на смещение химического равновесия концентрация, температуры и давления.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ:

1. Что называется скоростью химической реакции?

2. Как влияет температура на скорость реакции?

3. Как формулируется закон действующих масс?

4. Какой физический смысл константы скорости?

5. Что такое активные молекулы?

6. Какие факторы влияют на скорость реакции в гетерогенных процессах?

7. Напишите выражение константы равновесия для реакции:

FeCl₃ + 3KCNS ↔ Fe﴾CNS﴿₃ + 3KCl

8. Сформулируйте правила смещения химического равновесия?

9. Какой катализ называется гомогенным и гетерогенным?