Vplyv teploty na rýchlosť chemickej reakcie je približne určený van't Hoffovo pravidlo. So zvýšením teploty o 10 0 C sa rýchlosť chemickej reakcie zvýši 2-4 krát.
Matematický zápis van't Hoffovho pravidla: γ - teplotný koeficient reakčnej rýchlosti alebo van't Hoffov koeficient pre väčšinu reakcií leží v rozmedzí 2-4.
Úloha. Koľkokrát sa zmení rýchlosť chemickej reakcie vyskytujúcej sa v plynnej fáze, ak sa teplota zmení z 80 0 С na 120 0 С ( γ = 3)?
V súlade s pravidlom van't Hoff píšeme:
Zvýšenie rýchlosti chemickej reakcie so zvýšením teploty sa vysvetľuje nielen zvýšením kinetickej energie interagujúcich molekúl. Napríklad počet zrážok molekúl sa zvyšuje úmerne s druhou odmocninou absolútnej teploty. Pri zahrievaní látok z nuly na sto stupňov Celzia sa rýchlosť pohybu molekúl zvýši 1,2-krát a rýchlosť chemickej reakcie sa zvýši asi 59-tisíckrát. Takéto prudké zvýšenie rýchlosti reakcie so zvyšujúcou sa teplotou sa vysvetľuje podielom aktívnych molekúl, ktorých zrážky vedú k chemickej interakcii. Podľa teórie aktívnych zrážok iba aktívne molekuly, ktorého energia presahuje priemernú energiu molekúl danej látky, t.j. molekuly s aktivačnou energiou.
Aktivačná energia (E A)- ide o nadbytočnú energiu v porovnaní s priemernou zásobou, ktorú musia mať molekuly, aby mohli uskutočniť chemickú reakciu. Ak E A< 40 кДж/моль – реакции протекают быстро, если Е А >120 kJ / mol - reakcie neprebiehajú, ak E A = 40-120 kJ / mol - reakcie prebiehajú za normálnych podmienok. Zvýšenie teploty znižuje aktivačnú energiu, robí látky reaktívnejšie a zvyšuje sa rýchlosť interakcie.
Presnejšia závislosť rýchlosti chemickej reakcie od teploty bola stanovená pomocou C. Arrhenius: Konštanta reakčnej rýchlosti je úmerná základni prirodzeného logaritmu zvýšeného na mocninu (-E A / RT). ,
A - preexponenciálny faktor, určuje počet aktívnych
kolízie;
e je exponent (základ prirodzeného logaritmu).
inšpirované počasímNIEKOĽKO INFORMÁCIÍ O ZÁSADÁCH PRÁCE
Ohrievače na drevené uhlie.
Ešte pred 90 rokmi sa vynálezcovské myslenie obrátilo k najbežnejšiemu exotermickému procesu – spaľovacej reakcii. Objavili sa zariadenia, v ktorých bola tlejúca uhlíková tyč zabalená v špeciálnom papieri umiestnená v kovovom obale a ten v látkovom obale. Takéto ohrievače vážili relatívne málo a pôsobili 5 až 6 hodín. Na povrchu puzdra bola teplota od 60 do 100 stupňov Celzia.
C + O2 --> CO2 + 94 kcal/mol
katalytické ohrievače.
Počas prvej svetovej vojny zamrzli v zákopoch milióny vojakov a počas štyroch vojnových rokov si vynálezcovia z USA, Japonska a Anglicka patentovali niekoľko verzií vreckových ohrievačov kvapalín. Princíp ich fungovania bol jednoduchý: katalytická bezplameňová oxidácia alkoholu alebo benzínu. Platina slúžila ako katalyzátor vo všetkých prípadoch. Japonská vyhrievacia podložka vyzerala ako puzdro na cigarety, vo vnútri ktorého bol zásobník naplnený bavlnou a platinové tesnenie. V kryte boli vyvŕtané otvory na prívod vzduchu ku katalyzátoru a odvod spalín. Na spustenie vyhrievacej podložky sa do nádrže nalial alkohol, ktorý namočil vatu. Potom sa katalyzátor zahrial zápalkovým plameňom a začala sa reakcia. Hlavnou nevýhodou katalytických ohrievačov je ich obmedzená životnosť: nečistoty obsiahnuté v palive rýchlo otrávia katalyzátor a puzdro na zahrievacie cigarety sa stáva zbytočným.
Vyhrievacie vankúšiky využívajúce reakciu hasenia vápna.
V 20-tych rokoch minulého storočia sa v Nemecku navrhovalo využiť teplo uvoľnené pri hasení nehaseného vápna vodou na ohrev jedla na poli. Nedostatočne veľký tepelný účinok reakcie však spočiatku bránil praktickému uplatneniu tejto myšlienky. Krokom vpred bola kombinácia dvoch reakcií: hasenie vápna a neutralizácia vápna. Na tento účel sa do vápna zaviedli kryštalické hydráty kyseliny šťaveľovej alebo citrónovej. Reakcie vo vyhrievacej podložke prebiehali podľa nasledujúcej schémy.
CaO + H20 --> Ca(OH)2 + 10,6 kcal.
2Ca (OH)2 + H2C2O4 + 2 H2O --> CaC2O4 + 4H2O + 31 kcal
Pomocou týchto dvoch reakcií je možné v prenosnom zariadení získať teploty od 100 do 300 stupňov Celzia. Okrem toho použitie kyslých hydrátov umožňuje spustiť vyhrievaciu podložku malým množstvom vody a voda uvoľnená počas neutralizácie bude reagovať s ďalšími dávkami vápna.
Vyhrievacie podložky využívajúce oxidačné reakcie kovov.
Za normálnych podmienok korózia kovov na vzduchu prebieha, našťastie, pomaly. Prítomnosť solí výrazne urýchľuje proces. Koncom 20. rokov sa na vyhrievanie vojakov Červenej armády odporúčala „železná“ vyhrievacia podložka – okrem železných pilín sa do vreca z pogumovanej látky dávali manganistan draselný a plnivá – uhlie a piesok. Po pridaní vody sa na povrchu ohrievača udržiava teplota 100 stupňov Celzia 10-20 hodín.
4Fe + 2H20 + 3O2 --> 2 (Fe2O3 * H2O) + 390,4 kcal/mol
Namiesto železa v korozívnych vyhrievacích podložkách je lepšie použiť hliník. Pri tejto reakcii sa uvoľňuje oveľa viac tepla ako pri oxidácii železa:
8Al + 3Fe3O4 ---> 4Al2O3 + 9Fe + 795 kcal/mol
Vyhrievacie podložky využívajúce reakcie vytesňovania kovov.
V roku 1940 ZSSR vyvinul vyhrievací pás - medenú nádrž pokrytú kožou, ktorá bola pripevnená k opasku nohavíc. Zásobník sa naplnil 200 g reakčnej zmesi - hliníkového prášku chloridu meďnatého, odobratého v stechiometrickom pomere. Voda v množstve 100-120 ml. bol pridaný do nádrže z rozprašovača v náprsnom vrecku. Prívod vody bol regulovaný jednoduchým tepelným relé. Pás dokázal udržať teplo 8 hodín. Táto chemická vyhrievacia podložka bola nová nielen vo forme, ale aj v obsahu: po prvýkrát sa použilo teplo generované vytesňovaním jedného kovu iným, elektronegatívnejším. V Leningrade sa počas blokádovej zimy v roku 1942 používali vyhrievacie podložky naplnené zmesou chloridu medi a železných hoblín. Z jedného naplnenia vodou takéto vyhrievacie podložky fungovali 60-70 hodín.
Kryštalizačné ohrievače.
Kryštalizačné ohrievače používajú látky s nízkou teplotou topenia a relatívne vysokými teplotami topenia. Takýto tepelný akumulátor vydáva teplo, ktoré sa uvoľňuje pri kryštalizácii alebo tuhnutí predhriatej a roztavenej látky. Klasickým pracovným telesom ohrievačov-akumulátorov je parafín. Môžete tiež použiť kyselinu stearovú, kryštalické hydráty s nízkou teplotou topenia, napríklad Glauberovu soľ Na2 SO4 * 10H2O alebo trihydrát octanu sodného CH3COONa * 3H2O. Malé prídavky do hydratovaného chloridu vápenatého, tiosiričitanu sodného alebo glycerínu môžu spomaliť proces kryštalizácie a tým predĺžiť trvanie vyhrievacej podložky. Vyhrievacia podložka sa nahreje za 15 sekúnd. do 55 °C a proces uvoľňovania tepla trvá 25-30 minút. Vyhrievacia podložka má dostatočne vysokú tepelnú kapacitu a ďalších 25-30 minút je schopná vydávať teplo v režime chladenia. Vyhrievacia podložka kryštalizačného typu je vhodná ako terapeutické a profylaktické činidlo pri zápalových procesoch, pre pacientov s rôznymi formami ischias, pri pečeňových tubách a iných procedúrach v stacionárnych podmienkach (doma alebo v nemocnici).
Použitie kryštalizačných ohrievačov v núdzových situáciách v teréne je obmedzené krátkym trvaním režimu uvoľňovania tepla ohrievačov.
Hlavnou výhodou výhrevných vankúšikov kryštalizačného typu je možnosť opakovaného použitia: na obnovenie pôvodného stavu výhrevného vankúšika stačí povariť vo vode 15-20 minút.
http://umcsa.narod.ru/rus/umcsa/projects/ait.htm
OHRIEVAČ SKÚŠKY
Pri turistike, rybolove, najmä v zlom počasí, je často potrebná obyčajná vyhrievacia podložka. Samozrejme, že obyčajná guma tiež nie je zlá, ale má jednu významnú nevýhodu: voda sa pre ňu zahrieva veľmi pomaly.
Skúsme si vyrobiť chemickú vyhrievaciu podložku. Na to potrebujeme najbežnejšie činidlá.
Začnime jednoduchým experimentom. Choďte do kuchyne a vezmite si balíček kuchynskej soli. Nepotrebujete však balík. Bude stačiť 20 g (2 lyžičky). Potom sa pozrite do skrinky, kde sú uložené všetky druhy domácich prípravkov a materiálov. Určite sa tam po oprave bytu zachovalo trochu síranu meďnatého. Bude to potrebovať 40 g (3 čajové lyžičky). Pravdepodobne sa nájdu aj drevené triesky a kus hliníkového drôtu. Ak áno, všetko je pripravené. Vitriol a soľ rozdrvte v mažiari tak, aby veľkosť kryštálov nepresiahla 1 mm (samozrejme od oka). Do výslednej zmesi pridajte 30 g (5 polievkových lyžíc) pilín a dôkladne premiešajte. Ohnite kus drôtu špirálou alebo hadom a vložte ho do pohára od majonézy. Nalejte tam pripravenú zmes tak, aby hladina zásypu bola 1-1,5 cm pod hrdlom nádoby. Vyhrievacia podložka je vo vašich rukách. Na uvedenie do činnosti stačí naliať 50 ml (štvrť šálky) vody do pohára. Po 3-4 minútach sa teplota vyhrievacej podložky zvýši na 50-60°C.
Odkiaľ sa v nádobe berie teplo a akú úlohu zohráva každá zo zložiek? Pozrime sa na reakčnú rovnicu:
CuS04+2NaCl > Na2S04+CuCl2
V dôsledku interakcie síranu meďnatého s kuchynskou soľou vzniká síran sodný a chlorid meďnatý. Práve ona nás zaujíma. Ak vypočítame tepelnú bilanciu reakcie, ukáže sa, že vytvorením jednej grammolekuly chloridu meďnatého sa uvoľní 4700 kalórií tepla. Navyše, teplo rozpúšťania v počiatočných výsledných prípravkoch je 24 999 kalórií. Celkom: Približne 29 600 kalórií.
Ihneď po vytvorení chlorid meďnatý interaguje s hliníkovým drôtom:
2Al+3CuCl2 > 2AlCl3+3Cu
V tomto prípade sa uvoľní približne 84 000 kalórií (aj v prepočte na 1 g-mol chloridu meďnatého).
Ako vidíte, v dôsledku tohto procesu celkové množstvo uvoľneného tepla presahuje 100 000 kalórií na gram molekulu látky. Nejde teda o žiadnu chybu ani klam: vyhrievacia podložka je skutočná.
A čo piliny? Nezúčastňujú sa chemických reakcií, ale zároveň zohrávajú veľmi dôležitú úlohu. Nenásytne absorbujúce vodu, piliny spomaľujú priebeh reakcií, naťahujú prácu vykurovacej podložky v čase. Drevo má navyše dosť nízku tepelnú vodivosť: uvoľnené teplo akosi akumuluje a potom ho neustále odovzdáva. V tesne uzavretej nádobe sa teplo udržiava najmenej dve hodiny.
A posledná poznámka: banka, samozrejme, nie je najlepšia nádoba na vyhrievaciu podložku. Potrebovali sme to len na demonštračné účely. Premyslite si teda sami tvar a materiál pre nádrž, do ktorej umiestnite vykurovaciu zmes.
Chemické prvky, z ktorých sa skladá živá a neživá príroda, sú v neustálom pohybe, pretože látky, ktoré sa z týchto prvkov skladajú, sa neustále menia.
Chemické reakcie (z lat. reakcia - protiakcia, odpudzovanie) - ide o reakciu látok na vplyv iných látok a fyzikálnych faktorov (teplota, tlak, žiarenie atď.).
Tejto definícii však zodpovedajú aj fyzikálne zmeny, ku ktorým dochádza pri látkach – varenie, topenie, kondenzácia a pod.. Preto je potrebné objasniť, že chemické reakcie sú procesy, pri ktorých dochádza k deštrukcii starých chemických väzieb a vzniku nových a v dôsledku toho k z nových látok vznikajú.
Chemické reakcie neustále prebiehajú ako vo vnútri nášho tela, tak aj vo svete okolo nás. Nespočetné množstvo reakcií sa zvyčajne klasifikuje podľa rôznych kritérií. Pripomeňme si z kurzu 8. ročníka znaky, ktoré už poznáte. Aby sme to dosiahli, obrátime sa na laboratórny experiment.
Laboratórna skúsenosť #3
Náhrada železa za meď v roztoku síranu meďnatého
Nalejte 2 ml roztoku síranu meďnatého do skúmavky a vložte do nej špendlík alebo kancelársku sponku. Čo pozeráš? Napíšte reakčné rovnice v molekulárnej a iónovej forme. Zvážte redoxné procesy. Na základe molekulárnej rovnice priraďte túto reakciu jednej alebo druhej skupine reakcií na základe nasledujúcich znakov:
Teraz sa skontrolujte. CuSO 4 + Fe \u003d FeSO 4 + Cu.
|
Dospeli sme k veľmi dôležitému pojmu v chémii – „rýchlosti chemickej reakcie“. Je známe, že niektoré chemické reakcie prebiehajú veľmi rýchlo, iné - po značnú dobu. Keď sa k roztoku chloridu sodného pridá roztok dusičnanu strieborného, takmer okamžite sa vyzráža biela syrová zrazenina:
AgN03 + NaCl \u003d NaN03 + AgCl ↓.
Reakcie prebiehajú veľkou rýchlosťou, sprevádzané výbuchom (obr. 11, 1). Naopak, stalaktity a stalagmity pomaly rastú v kamenných jaskyniach (obr. 11, 2), výrobky z ocele korodujú (hrdzavejú) (obr. 11, 3), paláce a sochy sa ničia pôsobením kyslých dažďov (obr. 11, 4).
Ryža. jedenásť.
Chemické reakcie prebiehajúce pri vysokých rýchlostiach (1) a veľmi pomaly (2-4)
| Rýchlosťou chemickej reakcie sa rozumie zmena koncentrácie reaktantov za jednotku času: Vp \u003d C1 - C2/t. |
Koncentrácia sa zase chápe ako pomer množstva látky (ako viete, meria sa v móloch) k objemu, ktorý zaberá (v litroch). Odtiaľ nie je ťažké odvodiť jednotku merania rýchlosti chemickej reakcie - 1 mol / (l s).
Štúdium rýchlosti chemickej reakcie je špeciálnym odvetvím chémie nazývaným chemická kinetika.
Poznanie jeho vzorcov vám umožňuje ovládať chemickú reakciu, vďaka čomu prebieha rýchlejšie alebo pomalšie.
Aké faktory ovplyvňujú rýchlosť chemickej reakcie?
1. Povaha reaktantov. Poďme k experimentu.
Laboratórny pokus č.4
Závislosť rýchlosti chemickej reakcie od povahy reaktantov na príklade interakcie kyselín s kovmi
| Nalejte 1-2 ml kyseliny chlorovodíkovej do dvoch skúmaviek a vložte: do 1. - zinkový granulát, do 2. - kúsok železa rovnakej veľkosti. Povaha akého činidla ovplyvňuje rýchlosť interakcie medzi kyselinou a kovom? prečo? Napíšte reakčné rovnice v molekulárnej a iónovej forme. Zvážte ich z hľadiska oxidačnej redukcie. Potom vložte do dvoch ďalších skúmaviek na rovnaký zinkový granulát a pridajte do nich roztoky kyselín rovnakej koncentrácie: v 1. - kyselina chlorovodíková, v 2. - octová. Povaha akého činidla ovplyvňuje rýchlosť interakcie medzi kyselinou a kovom? prečo? Napíšte reakčné rovnice v molekulárnej a iónovej forme. Zvážte ich z hľadiska oxidačnej redukcie. |
2. Koncentrácia reaktantov. Poďme k experimentu.
Laboratórny pokus č.5
Závislosť rýchlosti chemickej reakcie od koncentrácie reaktantov na príklade interakcie zinku s kyselinou chlorovodíkovou rôznych koncentrácií
Je ľahké urobiť záver: čím vyššia je koncentrácia reaktantov, tým vyššia je rýchlosť interakcie medzi nimi.
Koncentrácia plynných látok pre homogénne výrobné procesy sa zvyšuje zvýšením tlaku. Napríklad sa to robí pri výrobe kyseliny sírovej, amoniaku, etylalkoholu.
Faktor závislosti rýchlosti chemickej reakcie od koncentrácie reagujúcich látok sa zohľadňuje nielen vo výrobe, ale aj v iných oblastiach ľudského života, napríklad v medicíne. Pacientom s pľúcnymi ochoreniami, u ktorých je rýchlosť interakcie krvného hemoglobínu so vzdušným kyslíkom nízka, uľahčujú dýchanie pomocou kyslíkových vankúšov.
3. Kontaktná oblasť reaktantov. Experiment ilustrujúci závislosť rýchlosti chemickej reakcie od tohto faktora možno vykonať pomocou nasledujúceho experimentu.
Laboratórny pokus č.6
Závislosť rýchlosti chemickej reakcie od oblasti kontaktu reaktantov
Pre heterogénne reakcie: čím väčšia je kontaktná plocha reaktantov, tým vyššia je rýchlosť reakcie.
Mohli ste to vidieť z vlastnej skúsenosti. Na zapálenie ohňa vložíte pod palivové drevo malé triesky a pod ne - pokrčený papier, z ktorého sa celý oheň vznietil. Naopak, hasenie požiaru vodou zmenšuje oblasť kontaktu horiacich predmetov so vzduchom.
Pri výrobe sa tento faktor berie do úvahy zámerne, používa sa takzvané fluidné lôžko. Na zvýšenie rýchlosti reakcie sa tuhá látka rozdrví takmer na prach a potom cez ňu zospodu prechádza druhá látka, zvyčajne plynná. Prechod cez jemne rozomletú tuhú látku vytvára efekt varu (odtiaľ názov metódy). Fluidná vrstva sa používa napríklad pri výrobe kyseliny sírovej a ropných produktov.
Laboratórny pokus č.7
Modelovanie fluidného lôžka
4. Teplota. Poďme k experimentu.
Laboratórny pokus č.8
Závislosť rýchlosti chemickej reakcie od teploty reagujúcich látok na príklade interakcie oxidu meďnatého (II) s roztokom kyseliny sírovej pri rôznych teplotách
Je ľahké dospieť k záveru, že čím vyššia je teplota, tým vyššia je rýchlosť reakcie.
Prvý nositeľ Nobelovej ceny, holandský chemik J. X. Van't Hoff, sformuloval pravidlo:
Vo výrobe sa spravidla využívajú vysokoteplotné chemické procesy: pri tavení železa a ocele, pri tavení skla a mydla, pri výrobe papiera a ropných produktov a pod. (obr. 12).
Ryža. 12.
Vysokoteplotné chemické procesy: 1 - tavenie železa; 2 - tavenie skla; 3 - výroba ropných produktov
Piatym faktorom, od ktorého závisí rýchlosť chemickej reakcie, sú katalyzátory. Stretnete sa s ním v nasledujúcom odseku.
Nové slová a pojmy
- Chemické reakcie a ich klasifikácia.
- Znaky klasifikácie chemických reakcií.
- Rýchlosť chemickej reakcie a faktory, od ktorých závisí.
Úlohy na samostatnú prácu
- Čo je chemická reakcia? Čo je podstatou chemických procesov?
- Uveďte úplnú klasifikáciu nasledujúcich chemických procesov:
- a) spaľovanie fosforu;
- b) interakcia roztoku kyseliny sírovej s hliníkom;
- c) neutralizačné reakcie;
- d) tvorba oxidu dusnatého (IV) z oxidu dusnatého (II) a kyslíka.
- Na základe osobných skúseností uveďte príklady chemických reakcií prebiehajúcich rôznou rýchlosťou.
- Aká je rýchlosť chemickej reakcie? Od akých faktorov to závisí?
- Uveďte príklady vplyvu rôznych faktorov na biochemické a priemyselné chemické procesy.
- Na základe osobných skúseností uveďte príklady vplyvu rôznych faktorov na chemické reakcie, ktoré sa vyskytujú v každodennom živote.
- Prečo sa potraviny uchovávajú v chladničke?
- Chemická reakcia sa začala pri teplote 100 °C, potom sa zvýšila na 150 °C. Teplotný koeficient tejto reakcie je 2. Koľkokrát sa zvýši rýchlosť chemickej reakcie?
