химична кинетика

Курсова работа

на тема:

Химична кинетика

I Теоретична част

1. Химична кинетика

Различните химични реакции протичат по различен начин във времето. Бавно протича ръждясването на желязото, мнoго бавно - образуването на нефта, изветрянето на скалите. Мигновено протича процесът:

NaCl + AgNO3 → NaNO3 + AgCl↓

Ag+ + Cl- → AgCl ↓

При обиковени условия азотът и кислородът практически не взаимодействат. Необходимо е загряване до 30000 С (светкавица), за да се получи азотен оксид.

N2 + O2 2 NO

С думите бързо, бавно, мигновено най-общо характеризираме протичането на химичната реакция във времето, т.е нейната скорост.

Този дял от химията, който изучава скоростта на химичната реакция и механизма на нейното протичане, се нарича химична кинетика.

2. Средна скорост на реакцията

В резултат на взаимодействието между реагиращите вещества се променя количеството вещество измерено в mol на всеки един от компонентите в реакционната система - реагент или продукт.

Когато химичната реакция протича в хомогенна система обиковено се следи изменението на моларната концентрация на всяко едно от веществата за един и същ интервал от време. В такава хомогенна газова система протича процесът:

СО(г) + Н2О(г) → СО2(г) + Н2(г)

Нека за време t1 моларната коцентрация на всяко едно от веществата е с1, а за време t2>t1 моларната концентрация е c2. Разликата в моларните концентрации ∆c=c2-c1

за продуктите (СО2, Н2) ще има положителен знак (+∆с), а за реагиращите вещества (СО, Н2О) - отрицателен знак (-∆с).

Скоростта на този процес може да се изрази по един от следните начини:

1

В изразите за v1 и v2 се поставя знак "-", защото скоростта винаги е положителна величина, а с ∆ с на реагиращите вещества има отирцателен знак. С течение на времето концентрацията на изходните вещества намалява.

Общата скорост на химичната реакция може да се изрази с общата формула:

cv

t

Скоростта на химичната реакция е физична величина. Тя се измверва с изменението на моларната концентрация ∆с на един от реагентите или продуктите на химичната реакция за единица време ∆t. Измервателните единици за скорост на химичната реакция са mol.m-3.s-1 (SI) mol.l-1.s-1.

Знакът "-" се поставя пред отношението , когато скоростта се отчита по

изменението на моларната концентрация на един от реагентите, защото скоростта е винаги положителна величина, а изменението на концентрацията на реагентите- отрицателна.

3.Моментна скорост на реакцията

Скоростта, на който и да е химичен процес, във всеки момент е различна, затова се работи с моментна скорост. Тя може да се определи от функционалната зависимост на моларната концентрация на един от реагентите или продуктите на реакцията от времето.

мом

dcv

dt

където dc е много малко изменение на моларната концентрация за много малък интервал от време .

4.Ефективен удар и елементарен акт.

За да протече химично взаимодействие, е необходимо да се осъществи удар между градивните частици (атоми, молекули, йони) на реагиращите вещества. Удари, които водят до химично взаимодействие, се наричат ефективни удари. Те са съпроводени с разкъсване на стари и образуване на нови химични връзки. Следователно ударът и съпътстващите го взаимодействия се нарича елементарен акт на процеса.

Скоростта на химичната реакция е пропорционална на броя на ефективните удари в единица обем за единица време. Той е толкова по-голям, колкото е по-голям общият брой на ударите - ефективни и неефективни. Общият брой на ударите от своя страна зависи от броя на частиците на реагиращите вещества в единица обем (от тяхната моларна концентрация).

2

5.Определение на закона и запис на кинетичното уравнение за скоростта

Установено е, че броят на ударите между молекулите на реагиращите вещества в единица обем за единица време е пропорционална на произведението от техните моларни концентрации. Следвателно щом скоростта е пропорционална на броя на ударите между молекулите, то тя е пропорционална и на произведението от моларните концентрации на реагиращите вещества. За химичен процес от вида:

А + В → С

Тази закономерност за скоростта може да се изрази по следния начин (кинетично уравнение за скоростта):

. ( ). ( )v k c A c B

Ако реакцията, която протича, се изразява с уравнението

22A+B A B

Изразено в общ вид изразът за скоростта придобива следния вид:

2. (A). (B)v k c c

Ако системата е хетрогенна, твърдата фаза не се включва в израза за скоростта.

Скоростта на химичните процеси е пропорционална на произведението от моларните концентрации на реагиращите вешества, повдигнати на степени, равни на броя на моловете, с които тези вещества участват в реакцията. Тази зависимост е известна като закон за действие на масите или закон на Гулберг и Вааге, открит през 1884 г.

6.Скоростна константа

Коефициентът на пропорционалност в закона за действие на масите се нарича скоростна константа. Скоростната константа е характерна величина за всеки химичен процес. Тя зависи от тепмературата, природата на реагиращите вещества и присъствието на катализатори в реакционната смес, но не зависи от концентрацията на реагиращите вещества. Колкото по-голяма е стойността на скоростната константа, толкова по-голяма е скоростта на реакцията, толкова по-бързо протича тя (при равни условия).

Хетерогенна система, за вещества с кристален строеж, скоростната константа отчита вида на кристалната решетка и големината на повърхността на търдата фаза. Колкото повърхността на твърдата фаза е по-голяма, толкова по-малка е скоростта на процеса. Затова при хетерогенните процеси веществата в твърдо агрегатно състояние се раздробяват. Например:

2 2(г)твC О CO

3

2= .c(O )v k

скоростната константа зависи от алотропната форма на въглерода (диамант, графит) и големината на повърхността на твърдата фаза (въглерод)

Химичното уравнение дава само материалния баланс, само началното и крайното състояние на системата. То показва от какво количество изходно вещество ще се получи дадено количество продукт. То не показва пътят, по който се достига от реагиращите вещества до реакционните продукти, т.е не показва механизма на реакциата, отделните етапи, осъществени с по-малък брой молекули. Механизмът на една реакция се нарича последователността на елементарните актове, засягащи разрушаването на старите и образуването на нови химични връзки, т.е последователността на отделните етапи, които водят до превръщането на изходните вещества в крайни продукти на реакцията.

Различните етапи, през които минава една химична реакция, имат различна скорост. От всички последователни етапи на химичния процес винаги има един, който е най-бавен. Той се нарича скоростоопределящ етап на процеса.

8.Емпирично правило на Вант Хоф

Скоростта на всяка химична реакция нараства с повишаване на температурата. Според емпиричното правило на Вант Хоф при повишаване на темепратурата с 10 градуса, скоростта на химичната реакция нараства от 2 до 4 пъти. С повишаване на температурата се увеличава броят на ефективните удари между частиците. В резулат на това се увеличава скоростта на процеса. Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата е отразена на следната графика

9.Активираща енергия

4

Установено е, че при всяка температура съществува определно разпределение на молекулите по кинетична енергия. Малък е броят на молекулите с минимални стойности на енергията. Малък е и броят на молекулите с високи стойности на енергията. Голям е броят на молекулите с енергия близка до някаква средна стойност - средна енергия на молекулите.

За да протече химичен процес, е необходимо реагиращите молекули да притежават определена енергия. Тази енергия е характерна величина за всеки процес и се нарича активираща енергия (Еа).

Молекули с енергия над активиращата се наричат активни, а ударите между тях ефективни. Във всяка химична реакция участват само активни молекули. Активиращата енергия е необходима за разхлабване на връзките между атомите в молекулите на реагиращите вещества и преминаването им от начално в мeждинно (преходно) състояние на активен комплекс. При него се поглъща енергия, необходима за активиране на молекулите. В състояние на активен комплек (междинно, преходно състояние) старите връзки не са напълно разкъсани, а новите не са наплъно създадени. Това състояние е нестабилно и може самоволно да се разпадне или до изходните вещества, или до продуктитте на реакцията.

Енергията, необходима за преминаването на веществата в преходно състояние, състояние на активен комплекс, се нарича активираща енергия на процеса.

Ако системата премиава от начално състояние 1 в крайно състояние 2, процесът е екзотермичен. В хода на процеса се преминава през нестабилното преходно състояние 3 или М. Процесът се изразява по следния начин

Активирашата енергия на правата реакция се измверва с височината на енергетичната бариера, т.е с ралзиката между енергията на междинното състояние [M] в точка 3 и енергията на молекулите в началното състояние точка 1.

Топлинният ефект на химичната реакция е равен на разликата между енергията на началното и крайно състояние на реакционната система

5

Водородът взаимодейства с различни вещества при ралзични условия. Нека се разгледаме взаимодейсвтията му с елементите от халогенната група.

От примерите се вижда, че при смяна на единия партньор процесите протичат с различна скорост при ралзични условия. В случая F има най-малък атомен радиус и най-голяма електроотрицателност.

Графитът и диамантът са алотропни форми на въглерода с ралзична кристална решетка. Графитът гори на въздух, а диамантът - при много специални условия.

II Експериментална част

1. Взаимодействие на метали с киселини

Необходими пособия и реактиви

Пособия Реактиви

Статив с епруветки, пипети, мерителни цилиндри,

лъжички

10-% H2SO4,

10-% CH3COOHMg(прах)

6

Цел на експериментаИзследване влиянието на природата на веществата върху скоростта на химичните

реакции. Схема на опитната постановка

Начин на работаВ две епруветки се поставят по една стъклена лъжичка Mg на прах. С помощта на

мерителните цилиндри се измерват по 1 cm3 от двете киселини и се поставят в епруветките с Мg.

Апаратура – вариацииОпитите може да се извършат в малки колбички, бехерови чашки.

Приложения Изучване на скоростта на химичните процеси и факторите от които зависи тя.

(10 клас) Отнасяния на металите, взаимодейсвтие с киселини. (8 клас) Окислително редукционни процеси. (10 клас) Отнасяния на оцентната кселина, взаиmодейстие с метали. (9клас) Сяра и съединенията й, сярна киселина, взаимодействие с метали. (8 клас) Термохимия. (10 клас)

Преди извършването на опита се припомнят правилата за безопасност при работа с киселини. Учениците сами предвиждат какво се очаква да се получи, прогнозират в коя еперуветка, ще се отдели по-голямо количество газ и кой е той. Оставя се сами да напишат реакциите на химичните процеси.

Химични процеси В епруветката със сярната кислеина се наблюдава буйно отделяне на водород. Той

може да се докаже с проба за гърмящ газ. Оцетната киселина взаимодейства само с метали, които се намират преди

водорода в реда на относителната активност на металите. В тази епруветка процеса протича по-бавно, сравнение с епруветката в която сме поставили сярната киселина.

От всичко казано до тук, може да се направи извод за влиянието на природата на веществата върху скоростта на химчините реакции.

7

2 Взаимодействие на метали с киселини



Статив с епруветки, пипети, мерителни цилиндри,

лъжички

10-% H2SO4,

10-% H2SO4

Mg(прах)Mg(гранули)

Цел на експериментаИзследване влиянието на физичното състояние (допирната повърхност) върху

скоростта на химичните реакции. Схема на опитната постановка

Начин на работаВ две епруветки се поставят Мg в едната на прах, а в другата гранула. С помощта

на мерителните цилиндри се измерват по 1 cm3 сярната киселина и се поставя в епруветките с Мg.



(10 клас) Отнасяния на металите, взаимодейсвтие с киселини. (8 клас) Окислително редукционни процеси. (10 клас) Сяра и съединенията й, сярна киселина, взаимодействие с метали. (8 клас) Термохимия. (10 клас)

Химични процеси

8

3 Взаимодействие на ди натриев тиосулфат със сярна киселина


Пособия РеактивиСтатив с епруветки, пипети,

мерителни цилиндри, лъжички, секундомер

10-% H2SO4,

3-% Na2S2O3

Цел на експериментаИзследване влиянието на концентрацията на разтвора на динатриев тиосулфат

върху скоростта на химичните реакции. Схема на опитната постановка

Начин на работаПодготвя се контролна проба, като към 3 cm3 разтвор на Na2S2O3 се прибавя 1 cm3

разтовр на сярна киселина. В три епруветки се наливат съответно по 1 cm3 , 2 cm3 , 3 cm3 разтвор на Na2S2O3. С

помощта на пипета се добавя в първата епруветка 2 cm3 вода, към втората 1 cm3 вода. Така получените разтоври са с еднавък обем и различна концентрация. Приготвя се секундомер за да се отчете времето необходимо за протичане на реакциите в трите епруветки. Към всяка от епруветките последователно се добавя равен обем от разтвора на сярна киселина и се отчита времето за потъмняване на разтовра от отделящата се в хода на реакцията колоидна сяра.



(10 клас) Окислително редукционни процеси. (10 клас) Сяра и съединенията й, сярна киселина. (8 клас) Термохимия. (10 клас)

Химични процеси В първата епруветка протича най-бавно процесът, защото скоростта на

тиосулфата е най-ниска. Най-бързо портича процесът в третата епруветка, защото там концентрацията на натриевият тиосулфат е най-висока. От тук може да се направи следния извод. С повишаване на концентрацията на изходните вещества се повишава и скоростта на процесите. Това е така, защото колкто по-вискоа е концентрацията на изходните вещества, толкова по-голям е броя на ефективните удари.

9

4 Взаимодействие на ди натриев тиосулфат със сярна киселина


Пособия РеактивиСтатив с епруветки, пипети,

мерителни цилиндри, лъжички, термометър,спиртна лампа (водна баня), секундомер

10-% H2SO4,

3-% Na2S2O3

Цел на експериментаИзследване влиянието на температуратавъху скоростта на образуване на сяра при

следната реакция:

Схема на опитната постановка

Начин на работа Апаратура – вариации

Опитите може да се извършат в малки колбички, бехерови чашки. Приложения

Изучване на скоростта на химичните процеси и факторите от които зависи тя. (10 клас)

Окислително редукционни процеси. (10 клас) Сяра и съединенията й, сярна киселина. (8 клас)

Химични процеси С повишаване на температурата се повишава и скоростта на протичане на

процесите. Това е така,защото, колкото е по-висока температурата, толкова по-голяма е и скоростната константа и скоростта на поритчане на процеса, а активиращата енергия е по-малка.

5 Окисление на метанол


Пособия РеактивиЕрленмайерова колба, тапа смедна спирала, метанол

10

спиртна лапма, статив

Цел на експериментаИзследване влиянието на катализатор върху скоростта на образуване на метанал.


Начин на работа

Колбата се закрепва на статива, наливат се 3-4 ml метанол. Колбата се нагрява слабо на спиртна лампа до образуване на смес от алохолни пари и въздух. Нагрява се на пламъка на спиртна лапма и медната жичка до червено и се внася в колбата, при което тя остава нажежена. След отваряне на колбата се усеща острата миризма на фомалдехид


(10 клас) Окислително редукционни процеси. (10 клас) Свойства на алдехидите и алкохолите. (9клас) Катализа (10 клас)


Kолбата с метанола не бива да се нагрява много, защото парите му напълно ще изместят въздуха в нея и тогава няма да се наблюдава светене на спиралата, а запалване на метанола. Медната спирала остава да свети без да се окислява – медта е катализатор.

Апаратура – вариацииСтените на суха епруветка се омокрят с метанол и се нагрява на спиртна лампа. На

спиртна лампа се нагрява медна жичка и се внася в епруветката бързо. Усеща се миризма на формалдехид.

6.Взаимодействие на Сребърен нитрат с натриев хлорид



епруветка, пипета, стъклена чаша1%-ен АgNO3

1%-ен NaCl

11

Цел на експериментаДемонстрация на химичен процес, който протича мигновеннно, с много висока

скорост. Схема на опитната постановка

Начин на работа

В епруветка се налива 1 cm3 1%-ен воден разтвор на АgNO3 и към него се прибавя 1 cm3 1%-ен воден разтов на NaCl. Бялата утайка от AgCl се образува мигновено.

Апаратура – вариацииЕрленмайерова колба, стъклена чашка

Приложения Изучване на скоростта на химичните процеси и факторите от които зависи тя. Окислително редукционни процеси. Термохимия. Свойства на алдехидите и алкохолите. Йонообменни реакции


Обръща се внимание на признаците за протичане на химична реакция – отделяне на слаб електролит, газ или утайка. В случая утайка от сребърен хлорид.

7.Взаимодействие на Na и K с вода


Пособия Реактивичаша, фуния вода, натрий, калий, индикатор

Цел на експериментаИзследване влиянието на природата на веществата, върху скоростта на химичните

реакции Начин на работа

В чаша с вода, с няколко капки индикатор, се внася парче Na, почистено предварително от оксидната корица. Чашата се захлупва с фуния, която предпазва от изпръскване. При попадането на метала във водата започва протичане на химично взаимодействие между метала и водата. Реакцията е силно екзотермична, метала се движи по водната повърхност. При самозаплаването на Na се наблюдава и жълтия пламък с който той гори.

12

В друга чаша с вода, съдържаща няколко капки индикатор, с епоставя парченце К, почистено предварително от оксидната корица. Чашата се захлупва с фуния, която предпазва от изпръскване в хода на рекацията. При попадане на метала във водата се наблюдава движение на К по повърхността. Пр самозапалването, се наблздава виолетовия пламък на калиевите пари.


Апаратура – вариацииИ двата опита може да бъдат осъществени във вани.


(10 клас) Окислително редукционни процеси. (10 клас) Термохимия. (10 клас) Свойства алкалните метали. (8 клас)


Обръща се специално внимание на техниката за безопасост при работа с алкалните метали. Как се съхраняват, защо? Как се съхраняват отпадъците от алкални метали. Обясява се защо при изполване на калий се наблюдава протичане на по-буйна реакция, отколкото при натрия. Реактивоспособността на двата метала се сравнява.

8. Разлагане на водороден пероксид


Пособия Реактивиепруветка 3 %-ен разтвор на Н2О2

Цел на експеримента

13

Пример за процес, който не протича мигновено, а по-бавно във времето, в зависмост от темературата.

Начин на работаВ епруветка се налива 1 cm3 кислородна вода (3 %-ен разтвор на Н2О2). Много

рядко се отделят мехурчета кислород. Апаратура – вариации

Стъклена чашка Приложения


Окислително редукционни процеси. (10 клас)


8. Метал с киселина


Пособия РеактивиЕпруветки, градуирани, пипети, чашки 3М НCl, Mg-лента,ПАВ,вода

Цел на експериментаИзледване влиянието на концетрацията върху скоростта на химичните процеси.

Начин на работаВ три епруветки се наливат по 1 cm3 , 2 cm3 и 3 cm3 разтовор на солна киселина.

След това, се прибавят към първата 2 cm3 вода, към втората 1 cm3 . По този начин се получават три разтвора с еднакъв обем и ралзична концентрация на киселината. Към всяка отепруветките се прибавя по една капка веро или сапунен разтор. Прибавя се и магнезиевата леничка. Засича се с помощта на хронометър 1 минута и след изтичането й се отчита обема на пяната в санитмерти. По този начин отчитаме в коя епруветка се е отделила най-голямо количество водород и от там в коя е протекла най-бързо рекацията.

Апаратура – вариациицилиндри


(10 клас) Окислително редукционни процеси. (10 клас) Метали и техните отнасяния (8 клас) Термохимия (10 клас) Сапуни и миещи вещества (9 клас)


14

С увеиличване концетрацията на солната киселина, скоростта на процеса се увеличава.

9. Метал с киселина


Пособия РеактивиЕпруветки, градуирани, пипети, чашки 3М НCl, Mg-лента,ПАВ,вода

Цел на експериментаИзледване влиянието на концетрацията върху скоростта на химичните процеси.

Начин на работаВ три епруветки се наливат по 1 cm3 , 2 cm3 и 3 cm3 разтовор на солна киселина.

След това, се прибавят към първата 2 cm3 вода, към втората 1 cm3 . По този начин се получават три разтвора с еднакъв обем и ралзична концентрация на киселината. Към всяка отепруветките се прибавя по една капка веро или сапунен разтор. Прибавя се и магнезиевата леничка. Засича се с помощта на хронометър 1 минута и след изтичането й се отчита обема на пяната в санитмерти. По този начин отчитаме в коя епруветка се е отделила най-голямо количество водород и от там в коя е протекла най-бързо рекацията.

Апаратура – вариациицилиндри


(10 клас) Окислително редукционни процеси. (10 клас) Метали и техните отнасяния (8 клас) Термохимия (10 клас) Сапуни и миещи вещества (9 клас)


С увеиличване концетрацията на солната киселина, скоростта на процеса се увеличава.

10. Получаване на нишадър



15

чашки HCl, NH3

Цел на експериментаИзледване влиянието на агрегатното състояние на веществата върху скоростта на

химичните процеси. Начин на работа

В две чашки поставяме концетриран разтовр на амоняк и на солна кислеина. При доближаването им се наблюдава образуване на бяла гъста мъгла от обаразувалия се амониев хлорд( нишадър). Реакцията протича мигновено

Апаратура – вариацииВъзможно е използването на епруветки, стъклени пръчки. Този опит може да се

използва и при получаването на двата газа. Приложения


Азот и неговите съединения- амоняк ( 8 клас) Халогенна група – хлороводород ( 8 клас)


Върху скоростта на химичните реакции влияе и агрегатното състояние на изходните вещества. За едни и същи вещества най-бързо протичат химичните реакции в газообразно състояние, защото тогава молекулите са енергетично най-богати и най-подвижни. Сравнително лесно се извършват и химичните реакции в течно състояние. Реакциите между твърди вещества протичат най-бавно. При тях молекулите са сравнително бедни на енергия, а и химичните реакции се извършват само на допирната повърхност.

16

17

Documents

химична кинетика