Der Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wird näherungsweise bestimmt durch Van't Hoffsche Regel. Bei einer Temperaturerhöhung um 10 0 C erhöht sich die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion um das 2-4-fache.
Mathematische Schreibweise der Van't-Hoff-Regel: γ - Temperaturkoeffizient der Reaktionsgeschwindigkeit oder Van't-Hoff-Koeffizient für die meisten Reaktionen liegt im Bereich von 2-4.
Aufgabe. Wie oft ändert sich die Geschwindigkeit einer in der Gasphase ablaufenden chemischen Reaktion, wenn sich die Temperatur von 80 0 С auf 120 0 С ändert ( γ = 3)?
Gemäß der Van't-Hoff-Regel schreiben wir:
Eine Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion bei Temperaturerhöhung erklärt sich nicht nur durch eine Erhöhung der kinetischen Energie der wechselwirkenden Moleküle. Beispielsweise steigt die Anzahl der Kollisionen von Molekülen proportional zur Quadratwurzel der absoluten Temperatur. Wenn Substanzen von null auf hundert Grad Celsius erhitzt werden, erhöht sich die Bewegungsgeschwindigkeit von Molekülen um das 1,2-fache und die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion um etwa das 59.000-fache. Ein solch starker Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Temperatur erklärt sich durch den Anteil aktiver Moleküle, deren Stöße zu einer chemischen Wechselwirkung führen. Nur nach der Theorie aktiver Kollisionen aktive Moleküle, deren Energie die durchschnittliche Energie der Moleküle einer gegebenen Substanz übersteigt, d.h. Moleküle mit Aktivierungsenergie.
Aktivierungsenergie (E A)- das ist die überschüssige Energie im Vergleich zur durchschnittlichen Zufuhr, die Moleküle haben müssen, um eine chemische Reaktion durchzuführen. Wenn E.A< 40 кДж/моль – реакции протекают быстро, если Е А >120 kJ/mol - Reaktionen gehen nicht, wenn E A = 40-120 kJ/mol - Reaktionen laufen unter normalen Bedingungen ab. Eine Erhöhung der Temperatur verringert die Aktivierungsenergie, macht Substanzen reaktiver und die Wechselwirkungsgeschwindigkeit steigt.
Eine genauere Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Temperatur wurde durch festgestellt C. Arrhenius: Die Reist proportional zur Basis des natürlichen Logarithmus potenziert (-E A / RT). ,
A - präexponentieller Faktor, bestimmt die Anzahl der Aktiven
Kollisionen;
e ist der Exponent (die Basis des natürlichen Logarithmus).
vom Wetter inspiriertEINIGE INFORMATIONEN ZU DEN ARBEITSPRINZIPIEN
Kohleheizungen.
Schon vor 90 Jahren wandte sich erfinderisches Denken dem häufigsten exothermen Prozess zu – der Verbrennungsreaktion. Es tauchten Geräte auf, bei denen ein glimmender Kohlestab, der in Spezialpapier gewickelt war, in ein Metallgehäuse und letzteres in ein Stoffgehäuse gelegt wurde. Solche Heizungen wogen relativ wenig und wirkten 5-6 Stunden lang. Auf der Oberfläche des Gehäuses betrug die Temperatur 60 bis 100 Grad Celsius.
C + O2 --> CO2 + 94 kcal/mol
katalytische Heizungen.
Während des Ersten Weltkriegs erfroren Millionen Soldaten in den Schützengräben, und während der vier Kriegsjahre patentierten die Erfinder der Vereinigten Staaten, Japans und Englands mehrere Versionen von Taschen-Flüssigkeitserhitzern. Das Funktionsprinzip war einfach: katalytische flammenlose Oxidation von Alkohol oder Benzin. Platin diente in allen Fällen als Katalysator. Das japanische Heizkissen sah aus wie ein Zigarettenetui, in dessen Inneren sich ein mit Watte gefülltes Reservoir und eine Platindichtung befanden. In das Gehäuse wurden Löcher gebohrt, um dem Katalysator Luft zuzuführen und Verbrennungsgase zu entfernen. Um das Heizkissen zu starten, wurde Alkohol in den Tank gegossen, der die Watte durchnässt. Dann wurde der Katalysator mit einer Streichholzflamme erhitzt und die Reaktion begann. Der Hauptnachteil von katalytischen Heizungen ist ihre begrenzte Lebensdauer: Im Kraftstoff enthaltene Verunreinigungen vergiften schnell den Katalysator und die Heizzigarettenhülle wird unbrauchbar.
Heizkissen mit Kalklöschreaktion.
Bereits in den 1920er Jahren wurde in Deutschland zum Erhitzen von Lebensmitteln auf dem Feld vorgeschlagen, die beim Löschen von Branntkalk mit Wasser freigesetzte Wärme zu nutzen. Der nicht ausreichend große thermische Effekt der Reaktion verhinderte jedoch zunächst die praktische Anwendung dieser Idee. Ein Fortschritt war die Kombination zweier Reaktionen: Kalklöschung und Kalkneutralisation. Dazu wurden Oxalsäure- oder Zitronensäure-Kristallhydrate in Kalk eingebracht. Die Reaktionen im Heizkissen verliefen nach folgendem Schema.
CaO + H2O --> Ca(OH)2 + 10,6 kcal.
2Ca (OH) 2 + H2C2O4 + 2 H2O --> CaC2O4 + 4H2O + 31 kcal
Mit diesen beiden Reaktionen ist es möglich, Temperaturen von 100 bis 300 Grad Celsius in einem tragbaren Gerät zu erreichen. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Säurehydraten, das Heizkissen mit einer kleinen Menge Wasser zu starten, und das bei der Neutralisation freigesetzte Wasser reagiert mit den nächsten Portionen Kalk.
Heizkissen mit Metalloxidationsreaktionen.
Unter normalen Bedingungen verläuft die Korrosion von Metallen in Luft glücklicherweise langsam. Das Vorhandensein von Salzen beschleunigt den Prozess dramatisch. Ende der 20er Jahre wurde zum Heizen der Soldaten der Roten Armee ein "Eisen" -Heizkissen empfohlen - neben Eisenspänen, Kaliumpermanganat und Füllstoffen wurden Kohle und Sand in einen Beutel aus gummiertem Stoff gegeben. Nach dem Hinzufügen von Wasser wird die Temperatur von 100 Grad Celsius auf der Oberfläche des Heizgeräts für 10-20 Stunden gehalten.
4Fe + 2H2O + 3O2 --> 2(Fe2O3 * H2O) + 390,4 kcal/mol
Anstelle von Eisen in korrosiven Heizkissen ist es besser, Aluminium zu verwenden. Bei dieser Reaktion wird viel mehr Wärme frei als bei der Oxidation von Eisen:
8Al + 3Fe3O4 ---> 4Al2O3 + 9Fe + 795 kcal/mol
Heizkissen mit Metallverdrängungsreaktionen.
1940 entwickelte die UdSSR einen Heizgürtel - einen mit Leder überzogenen Kupfertank, der an einem Hosengürtel befestigt war. Das Reservoir wurde mit 200 g der Reaktionsmischung gefüllt – Aluminiumpulver von Kupferchlorid, genommen in einem stöchiometrischen Verhältnis. Wasser in einer Menge von 100-120 ml. wurde aus einer Sprühflasche in der Brusttasche in den Tank gegeben. Die Wasserversorgung wurde durch ein einfaches Thermorelais geregelt. Der Gürtel könnte 8 Stunden lang warm bleiben. Dieses chemische Heizkissen war nicht nur formal, sondern auch inhaltlich neu: Erstmals wurde die Wärme genutzt, die durch die Verdrängung eines Metalls durch ein anderes, elektronegativeres, entsteht. In Leningrad wurden während des Blockadewinters 1942 Heizkissen verwendet, die mit einer Mischung aus Kupferchlorid und Eisenspänen gefüllt waren. Ab einer Füllung mit Wasser arbeiteten solche Heizkissen 60-70 Stunden.
Kristallisationsheizungen.
Kristallisationsheizgeräte verwenden Substanzen mit niedrigen Schmelzpunkten und relativ hoher Schmelzwärme. Ein solcher Wärmespeicher gibt Wärme ab, die bei der Kristallisation bzw. Erstarrung einer vorgewärmten und geschmolzenen Substanz freigesetzt wird. Der klassische Arbeitskörper von Heizungsakkumulatoren ist Paraffin. Sie können auch Stearinsäure, niedrig schmelzende kristalline Hydrate verwenden, beispielsweise Glaubersalz Na2 SO4 * 10H2O oder Natriumacetat-Trihydrat CH3COONa * 3H2O. Kleine Zusätze zu hydratisiertem Calciumchlorid, Natriumthiosulfit oder Glycerin können den Kristallisationsprozess verlangsamen und dadurch die Lebensdauer des Heizkissens verlängern. Das Heizkissen heizt sich in 15 Sekunden auf. bis 55 °C und der Prozess der Wärmefreisetzung dauert 25-30 Minuten. Das Heizkissen hat eine ausreichend hohe Wärmekapazität und kann im Kühlmodus weitere 25-30 Minuten Wärme abgeben. Ein Heizkissen vom Kristallisationstyp eignet sich gut als therapeutisches und prophylaktisches Mittel bei entzündlichen Prozessen, für Patienten mit verschiedenen Ischiasformen, für Lebertubationen und andere Eingriffe unter stationären Bedingungen (zu Hause oder in einem Krankenhaus).
Der Einsatz von Kristallisationsheizungen in Notfallsituationen im Feld ist durch die kurze Dauer des Wärmeabgabemodus der Heizungen begrenzt.
Der Hauptvorteil von Heizkissen vom Kristallisationstyp ist die Möglichkeit der wiederholten Verwendung: Um den ursprünglichen Zustand des Heizkissens wiederherzustellen, reicht es aus, es 15-20 Minuten lang in Wasser zu kochen.
http://umcsa.narod.ru/rus/umcsa/projects/ait.htm
REAGENZROHRHEIZUNG
Beim Wandern, Angeln, besonders bei schlechtem Wetter, braucht es oft ein gewöhnliches Heizkissen. Normales Gummi ist natürlich auch gut, hat aber einen entscheidenden Nachteil: Wasser wird dafür auf dem Scheiterhaufen sehr langsam erhitzt.
Versuchen wir, ein chemisches Heizkissen herzustellen. Dazu benötigen wir die gängigsten Reagenzien.
Beginnen wir mit einem einfachen Experiment. Geh in die Küche und nimm eine Packung Kochsalz. Sie benötigen jedoch keine Packung. 20 g (2 Teelöffel) reichen aus. Schauen Sie dann in den Spind, in dem allerlei Haushaltsutensilien und Materialien aufbewahrt werden. Sicherlich hat sich nach der Instandsetzung der Wohnung etwas Kupfersulfat erhalten. Es werden 40 g (3 Teelöffel) benötigt. Vermutlich werden auch Holzspäne und ein Stück Aluminiumdraht gefunden. Wenn ja, sind Sie fertig. Vitriol und Salz in einem Mörser zerstoßen, so dass die Größe der Kristalle 1 mm nicht überschreitet (natürlich mit dem Auge). Fügen Sie der resultierenden Mischung 30 g (5 Esslöffel) Sägemehl hinzu und mischen Sie gründlich. Biegen Sie ein Stück Draht mit einer Spirale oder Schlange und legen Sie es in ein Mayonnaiseglas. Gießen Sie die vorbereitete Mischung dort so ein, dass die Füllhöhe 1-1,5 cm unter dem Hals des Glases liegt. Das Heizkissen liegt in Ihren Händen. Um es in die Tat umzusetzen, reicht es aus, 50 ml (eine viertel Tasse) Wasser in ein Glas zu gießen. Nach 3-4 Minuten steigt die Temperatur des Heizkissens auf 50-60°C.
Woher kommt die Wärme im Glas und welche Rolle spielen die einzelnen Komponenten? Schauen wir uns die Reaktionsgleichung an:
CuSO4+2NaCl > Na2SO4+CuCl2
Durch die Wechselwirkung von Kupfersulfat mit Kochsalz entstehen Natriumsulfat und Kupferchlorid. Sie ist es, die uns interessiert. Wenn wir die Wärmebilanz der Reaktion berechnen, stellt sich heraus, dass die Bildung eines Grammmoleküls Kupferchlorid 4700 Kalorien Wärme freisetzt. Außerdem beträgt die Auflösungswärme in den anfänglich resultierenden Zubereitungen 24.999 Kalorien. Gesamt: Ungefähr 29.600 Kalorien.
Unmittelbar nach der Bildung interagiert Kupferchlorid mit Aluminiumdraht:
2Al+3CuCl2 > 2AlCl3+3Cu
Dabei werden ca. 84.000 Kalorien freigesetzt (ebenfalls bezogen auf 1 g-mol Kupferchlorid).
Wie Sie sehen können, übersteigt die Gesamtmenge an freigesetzter Wärme als Ergebnis des Prozesses 100.000 Kalorien pro Grammmolekül der Substanz. Es gibt also keinen Irrtum oder Betrug: Das Heizkissen ist echt.
Was ist mit Sägemehl? Sie nehmen an chemischen Reaktionen nicht teil, spielen aber gleichzeitig eine sehr wichtige Rolle. Gierig Wasser aufnehmend, verlangsamt Sägemehl den Reaktionsverlauf, dehnt die Arbeit des Heizkissens zeitlich aus. Außerdem hat Holz eine ziemlich geringe Wärmeleitfähigkeit: Es speichert die freigesetzte Wärme gewissermaßen und gibt sie dann ständig ab. In einem dicht verschlossenen Behälter bleibt die Wärme mindestens zwei Stunden erhalten.
Und die letzte Bemerkung: Die Bank ist natürlich nicht das beste Gefäß für ein Heizkissen. Wir brauchten es nur zu Demonstrationszwecken. Denken Sie also selbst über Form und Material des Tanks nach, in dem das Heizgemisch platziert werden soll.
Die chemischen Elemente, aus denen die belebte und unbelebte Natur besteht, sind ständig in Bewegung, weil sich die Substanzen, die aus diesen Elementen bestehen, ständig verändern.
Chemische Reaktionen (von der lateinischen Reaktion - Gegenwirkung, Abstoßung) - dies ist die Reaktion von Substanzen auf den Einfluss anderer Substanzen und physikalischer Faktoren (Temperatur, Druck, Strahlung usw.).
Diese Definition entspricht aber auch den physikalischen Veränderungen, die bei Stoffen auftreten - Sieden, Schmelzen, Kondensieren usw. Daher ist klarzustellen, dass chemische Reaktionen Prozesse sind, die alte chemische Bindungen zerstören und neue bilden und dadurch aus neuen Stoffen entstehen.
Sowohl in unserem Körper als auch in der Welt um uns herum finden ständig chemische Reaktionen statt. Unzählige Reaktionen werden meist nach verschiedenen Kriterien klassifiziert. Erinnern wir uns aus dem Kurs der 8. Klasse an die Zeichen, die Sie bereits kennen. Dazu wenden wir uns einem Laborexperiment zu.
Laborerfahrung Nr. 3
Substitution von Kupfer durch Eisen in Kupfer(II)sulfatlösung
Gießen Sie 2 ml Kupfer(II)sulfatlösung in ein Reagenzglas und stecken Sie eine Stecknadel oder eine Büroklammer hinein. Was guckst du? Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen in molekularer und ionischer Form auf. Denken Sie an Redoxprozesse. Ordnen Sie diese Reaktion basierend auf der Molekülgleichung der einen oder anderen Gruppe von Reaktionen zu, basierend auf den folgenden Merkmalen:
Jetzt überprüfe dich selbst. CuSO 4 + Fe \u003d FeSO 4 + Cu.
|
Wir sind zu einem sehr wichtigen Begriff in der Chemie gekommen – „der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion“. Es ist bekannt, dass einige chemische Reaktionen sehr schnell ablaufen, andere - für beträchtliche Zeiträume. Wenn eine Lösung von Silbernitrat zu einer Lösung von Natriumchlorid gegeben wird, fällt fast sofort ein weißer käsiger Niederschlag aus:
AgNO 3 + NaCl \u003d NaNO 3 + AgCl ↓.
Reaktionen laufen mit großer Geschwindigkeit ab, begleitet von einer Explosion (Abb. 11, 1). Im Gegenteil, Stalaktiten und Stalagmiten wachsen langsam in Steinhöhlen (Abb. 11, 2), Stahlprodukte korrodieren (Rost) (Abb. 11, 3), Paläste und Statuen werden unter der Einwirkung von saurem Regen zerstört (Abb. 11, 4).
Reis. elf.
Chemische Reaktionen, die mit großer Geschwindigkeit (1) und sehr langsam (2-4) ablaufen
| Unter der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion versteht man die Änderung der Konzentration von Reaktanden pro Zeiteinheit: V p \u003d C 1 - C 2 / t. |
Unter Konzentration wiederum versteht man das Verhältnis der Menge einer Substanz (wie Sie wissen, wird sie in Mol gemessen) zu dem Volumen, das sie einnimmt (in Litern). Von hier aus ist es nicht schwierig, die Maßeinheit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion abzuleiten - 1 mol / (l s).
Die Untersuchung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist ein spezielles Gebiet der Chemie, das als chemische Kinetik bezeichnet wird.
Wenn Sie ihre Muster kennen, können Sie eine chemische Reaktion kontrollieren und sie schneller oder langsamer ablaufen lassen.
Welche Faktoren beeinflussen die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion?
1. Art der Reaktanten. Kommen wir zum Experiment.
Laborexperiment Nr. 4
Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Art der Reaktionspartner am Beispiel der Wechselwirkung von Säuren mit Metallen
| Gießen Sie 1-2 ml Salzsäure in zwei Reagenzgläser und geben Sie: in das 1. - ein Zinkkörnchen, in das 2. - ein gleich großes Stück Eisen. Welches Reagenz beeinflusst die Wechselwirkungsgeschwindigkeit zwischen einer Säure und einem Metall? Wieso den? Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen in molekularer und ionischer Form auf. Betrachten Sie sie vom Standpunkt der Oxidations-Reduktion. Legen Sie dann in zwei andere Reagenzgläser auf dasselbe Zinkgranulat und fügen Sie Lösungen von Säuren derselben Konzentration hinzu: in der 1. - Salzsäure, in der 2. - Essigsäure. Welches Reagenz beeinflusst die Wechselwirkungsgeschwindigkeit zwischen einer Säure und einem Metall? Wieso den? Schreiben Sie die Reaktionsgleichungen in molekularer und ionischer Form auf. Betrachten Sie sie vom Standpunkt der Oxidations-Reduktion. |
2. Konzentration der Reaktanten. Kommen wir zum Experiment.
Laborexperiment Nr. 5
Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Konzentration der Reaktanden am Beispiel der Wechselwirkung von Zink mit Salzsäure unterschiedlicher Konzentration
Es ist leicht zu schließen: Je höher die Konzentration der Reaktanten, desto höher die Wechselwirkungsrate zwischen ihnen.
Die Konzentration gasförmiger Stoffe für homogene Produktionsprozesse wird durch Druckerhöhung erhöht. Dies geschieht beispielsweise bei der Herstellung von Schwefelsäure, Ammoniak, Ethylalkohol.
Der Faktor der Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Konzentration reagierender Substanzen wird nicht nur in der Produktion, sondern auch in anderen Bereichen des menschlichen Lebens, beispielsweise in der Medizin, berücksichtigt. Patienten mit Lungenerkrankungen, bei denen die Wechselwirkungsrate von Bluthämoglobin mit Luftsauerstoff gering ist, erleichtern die Atmung mit Hilfe von Sauerstoffkissen.
3. Kontaktbereich von Reaktanten. Ein Experiment, das die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von diesem Faktor veranschaulicht, kann unter Verwendung des folgenden Experiments durchgeführt werden.
Laborexperiment Nr. 6
Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Kontaktfläche der Reaktanten
Für heterogene Reaktionen: Je größer die Kontaktfläche der Reaktanten, desto schneller die Reaktionsgeschwindigkeit.
Das konnte man aus eigener Erfahrung sehen. Um ein Feuer zu entfachen, legen Sie kleine Späne unter das Brennholz und darunter zerknittertes Papier, aus dem das ganze Feuer Feuer fing. Im Gegensatz dazu soll das Löschen eines Feuers mit Wasser den Kontaktbereich brennender Gegenstände mit Luft verringern.
In der Produktion wird dieser Faktor bewusst berücksichtigt, es kommt die sogenannte Wirbelschicht zum Einsatz. Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird der Feststoff fast zu Staub zerkleinert und dann von unten mit einem zweiten, meist gasförmigen Stoff durchströmt. Wird es durch einen fein verteilten Feststoff geleitet, entsteht ein Siedeeffekt (daher der Name der Methode). Die Wirbelschicht wird beispielsweise bei der Herstellung von Schwefelsäure und Erdölprodukten verwendet.
Laborexperiment Nr. 7
Wirbelschichtmodellierung
4. Temperatur. Kommen wir zum Experiment.
Laborexperiment Nr. 8
Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Temperatur der reagierenden Stoffe am Beispiel der Wechselwirkung von Kupferoxid (II) mit einer Lösung von Schwefelsäure bei verschiedenen Temperaturen
Daraus lässt sich leicht schließen, dass die Reaktionsgeschwindigkeit umso höher ist, je höher die Temperatur ist.
Der erste Nobelpreisträger, der niederländische Chemiker J. X. Van't Hoff, formulierte die Regel:
In der Produktion kommen in der Regel chemische Hochtemperaturprozesse zum Einsatz: beim Schmelzen von Eisen und Stahl, beim Schmelzen von Glas und Seife, bei der Herstellung von Papier und Erdölprodukten etc. (Abb. 12).
Reis. 12.
Chemische Hochtemperaturprozesse: 1 - Eisenverhüttung; 2 - Glasschmelzen; 3 - Produktion von Erdölprodukten
Der fünfte Faktor, von dem die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion abhängt, sind Katalysatoren. Sie werden ihn im nächsten Absatz kennenlernen.
Neue Wörter und Konzepte
- Chemische Reaktionen und ihre Klassifizierung.
- Zeichen der Klassifizierung chemischer Reaktionen.
- Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion und die Faktoren, von denen sie abhängt.
Aufgaben zum selbstständigen Arbeiten
- Was ist eine chemische Reaktion? Was ist das Wesen chemischer Prozesse?
- Geben Sie eine vollständige Klassifizierung der folgenden chemischen Prozesse an:
- a) das Verbrennen von Phosphor;
- b) die Wechselwirkung einer Schwefelsäurelösung mit Aluminium;
- c) Neutralisationsreaktionen;
- d) die Bildung von Stickstoffmonoxid (IV) aus Stickstoffmonoxid (II) und Sauerstoff.
- Nennen Sie auf der Grundlage persönlicher Erfahrungen Beispiele für chemische Reaktionen, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen.
- Wie schnell ist eine chemische Reaktion? Von welchen Faktoren hängt es ab?
- Geben Sie Beispiele für den Einfluss verschiedener Faktoren auf biochemische und industrielle chemische Prozesse.
- Geben Sie anhand persönlicher Erfahrungen Beispiele für den Einfluss verschiedener Faktoren auf chemische Reaktionen, die im Alltag ablaufen.
- Warum werden Lebensmittel im Kühlschrank gelagert?
- Die chemische Reaktion wurde bei einer Temperatur von 100°C gestartet und dann auf 150°C erhöht. Der Temperaturkoeffizient dieser Reaktion ist 2. Wie oft wird die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion zunehmen?
