Что ускоряет реакцию с металлами

Скорость химической реакции — основное понятие химической кинетики, выражающее отношения количества прореагировавшего вещества (в молях) к отрезку времени, за которое произошло взаимодействие.

Скорость реакции отражает изменение концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Единицы измерения для гомогенной реакции: моль/л * сек. Физический смысл в том, что каждую секунду какое-то количество одного вещества превращается в другое в единице объема.

Что ускоряет реакцию с металлами

Мне встречались задачи, где была дана молярная концентрация вещества до реакции и после, время и объем. Требовалось посчитать скорость реакции. Давайте решим подобное несложное задание для примера:

Молярная концентрация вещества до реакции составляла 1.5 моль/л по итогу реакции — 3 моль/л. Объем смеси 10 литров, реакция заняла 20 секунд. Рассчитайте скорость реакции.

Что ускоряет реакцию с металлами

Влияние природы реагирующих веществ

При изучении агрегатных состояний веществ возникает вопрос: где же быстрее всего идут реакции: между газами, растворами или твердыми веществами?

Запомните, что самая высокая скорость реакции между растворами, в жидкостях. В газах она несколько ниже.

Что ускоряет реакцию с металлами

Если реакция гетерогенная: жидкость + твердое вещество, газ + твердое вещество, жидкость + газ, то большую роль играет площадь соприкосновения реагирующих веществ.

Очевидно, что большой кусок железа, положенный в соляную кислоту, будет гораздо дольше реагировать с ней, нежели чем измельченное железо — железная стружка.

Что ускоряет реакцию с металлами

Химическая активность также играет важную роль. Например, отвечая на вопрос «какой из металлов Fe или Ca быстрее прореагирует с серой?» мы отдадим предпочтение кальцию, так как в ряду активности металлов он стоит левее железа, а значит кальций активнее железа.

Что ускоряет реакцию с металлами

Иного подхода требуют реакции металлов с водой, где нужно учитывать радиус атома. Например, отвечая на вопрос «какой из металлов Li или K быстрее прореагирует с водой?» мы отдадим предпочтение калию, так как калий имеет больший радиус атома. Калий будет быстрее взаимодействовать с водой, чем литий.

Иногда для верного ответа на вопрос о скорости реакции требуется знание активности кислот. Мы подробнее обсудим эту тему в гидролизе, однако сейчас я замечу: чем сильнее (активнее) кислота, тем быстрее идет реакция.

Например, реакцию магния с серной кислотой протекает гораздо быстрее реакции магния с уксусной кислотой. Причиной этому служит то, что серная кислота относится к сильным (активным) кислотам, а активность уксусной кислоты меньше, она является слабой кислотой.

Как я уже упомянул, слабые и сильные кислоты и основания изучаются в теме гидролиз.

Влияние изменения концентрации

Влияние концентрации «прямо пропорционально» скорости реакции: при увлечении концентрации реагирующего вещества скорость реакции повышается, при уменьшении — понижается.

Замечу деталь, которая может оказаться важной, если в реакции участвуют газы: при увеличении давления концентрация вещества на единицу объема возрастает (представьте, как газ сжимается). Поэтому увеличение давление, если среди исходных веществ есть газ, увеличивает скорость реакции.

Что ускоряет реакцию с металлами

Закон действующих масс устанавливает соотношение между концентрациями реагирующих веществ и их продуктами. Скорость простой реакции aA + bB → cC определяют по уравнению:

υ = k × СaA × СbB

Физический смысл константы скорости — k — в том, что она численно равна скорости реакции при том условии, что концентрации реагирующих веществ равны 1. Обратите внимание, что стехиометрические коэффициенты уравнения переносятся в степени — a и b.

Записанное выше следствие закона действующих масс нужно не только «зазубрить», но и понять. Поэтому мы решим пару задач, где потребуется написать подобную формулу.

Окисление диоксида серы протекает по уравнению: 2SO2(г) + O2 = 2SO3(г). Как изменится скорость этой реакции, если объемы системы уменьшить в три раза?

Что ускоряет реакцию с металлами

По итогу решения становится ясно, что скорость реакции в таком случае возрастет в 27 раз.

Решим еще одну задачу. Дана реакция синтеза аммиака: N2 + ЗН2 = 2NH3. Как изменится скорость прямой реакции образования аммиака, если уменьшить концентрацию водорода в два раза?

Что ускоряет реакцию с металлами

В результате решения мы видим, что при уменьшении концентрации водорода в два раза скорость реакции замедлится в 8 раз.

Влияние изменения температуры на скорость реакции

Постулат, который рекомендую временно взять на вооружение: «Увеличение температуры увеличивает скорость абсолютно любой химической реакции: как экзотермической, так и эндотермической. Исключений нет!»

Очень часто в заданиях следующей темы — химическом равновесии, вас будут пытаться запутать и ввести в заблуждение, но вы не поддавайтесь и помните про постулат!

Что ускоряет реакцию с металлами

Итак, влияние температуры на скорость реакции «прямо пропорционально»: чем выше температура, тем выше скорость реакции — чем ниже температура, тем меньше и скорость реакции. Однако, как и в случае с концентрацией, это больше чем простая «пропорция».

Правило Вант-Гоффа, голландского химика, позволяет точно оценить влияние температуры на скорость химической реакции. Оно звучит так: «При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости гомогенной элементарной реакции увеличивается в два — четыре раза»

Что ускоряет реакцию с металлами

В формуле, написанной выше, используются следующие обозначение:

  • υ1 — скорость реакции при температуре t1
  • υ2 — скорость реакции при температуре t2
  • γ — температурный коэффициент, который может быть равен 2-4

Если по итогам решения задач у вас получится температурный коэффициент меньше 2 или больше 4, то, скорее всего, где-то вы допустили ошибку. Используйте этот факт для самопроверки.

Для тренировки решим пару задач, в которых потребуется использование правило Вант-Гоффа.

Как изменится скорость гомогенной реакции при повышении температуры от 27°C до 57°C при температурном коэффициенте, равном трем?

Иногда в задачах требуется рассчитать температурный коэффициент, как, например, здесь: «Рассчитайте, чему равен температурный коэффициент скорости, если известно, что при понижении температуры от 250°C до 220°C скорость реакции уменьшилась в 8 раз».

Катализаторы и ингибиторы

Катализатор (греч. katalysis — разрушение) — вещество, ускоряющее химическую реакцию, но не участвующее в ней. Катализатор не расходуется в химической реакции.

Многие химические реакции в нашем организме протекают с участием катализаторов — белковых молекул, ферментов. Без катализаторов подобные реакции шли бы сотни лет, а с катализаторами идут одну долю секунды.

Катализом называют явление ускорения химической реакции под действием катализатора, а химические реакции, идущие с участием катализатора — каталитическими.

Ингибитор (лат. inhibere — задерживать) — вещество, замедляющее или предотвращающее протекание какой-либо химической реакции.

Ингибиторы применяют для замедления коррозии металла, окисления топлива, старения полимеров. Многие лекарственные вещества являются ингибиторами.

Так при лечении гастрита — воспаления желудка (греч. gaster — желудок) или язв часто назначаются ингибиторы протонной помпы — химические вещества, которые блокирует выработку HCl слизистой желудке. В результате этого соляная кислота прекращает воздействие на поврежденную стенку желудка, воспаление стихает.

Скорость химических реакций

Темы кодификатора ЕГЭ: Скорость реакции. Ее зависимость от разных факторов.

Скорость химической реакции показывает, как быстро происходит та или иная реакция. Взаимодействие происходит при столкновении частиц в пространстве. При этом реакция происходит не при каждом столкновении, а только когда частица обладают соответствующей энергией.

Скорость реакции – количество элементарных соударений взаимодействующих частиц, заканчивающихся химическим превращением, за единицу времени.

Определение скорости химической реакции связано с условиями ее проведения. Если реакция гомогенная – т.е. продукты и реагенты находятся в одной фазе – то скорость химической реакции определяется, как изменение концентрации вещества в единицу времени:

  • υ = ΔC / Δt
  • Если реагенты, или продукты находятся в разных фазах, и столкновение частиц происходит только на границе раздела фаз, то реакция называется гетерогенной, и скорость ее определяется изменением количества вещества в единицу времени на единицу реакционной поверхности:
  • υ = Δν / (S·Δt)

1. Температура

Самый простой способ изменить скорость реакции – изменить температуру. Как вам, должно быть, известно из курса физики, температура – это мера средней кинетической энергии движения частиц вещества. Если мы повышаем температуру, то частицы любого вещества начинают двигаться быстрее, а следовательно, сталкиваться чаще.

Однако при повышении температуры скорость химических реакций увеличивается в основном благодаря тому, что увеличивается число эффективных соударений. При повышении температуры резко увеличивается число активных частиц, которые могут преодолеть энергетический барьер реакции.

Если понижаем температуру – частицы начинают двигаться медленнее, число активных частиц уменьшается, и количество эффективных соударений в секунду уменьшается.

Таким образом, при повышении температуры скорость химической реакции повышается, а при понижении температуры — уменьшается.

Обратите внимание! Это правило работает одинаково для всех химических реакций (в том числе для экзотермических и эндотермических). Скорость реакции не зависит от теплового эффекта.

Читайте также:  Алмазный диск для болгарки по бетону и железобетону — описание и классификация; размеры и выбор инструмента

Скорость экзотермических реакций при повышении температуры возрастает, а при понижении температуры – уменьшается.

Скорость эндотермических реакций также возрастает при повышении температуры, и уменьшается при понижении температуры.

  1. Более того, еще в XIX веке голландский физик Вант-Гофф экспериментально установил, что скорость большинства реакций примерно одинаково изменяется (примерно в 2-4 раза) при изменении температуры на 10оС.
  2.  Правило Вант-Гоффа звучит так: повышение температуры на 10оС приводит к увеличению скорости химической реакции в 2-4 раза (эту величину называют температурный коэффициент скорости химической реакции γ).
  3. Точное значение температурного коэффициента определяется для каждой реакции.
  4. Что ускоряет реакцию с металлами
  5.  здесь v2 — скорость реакции при температуре T2,
  6. v1 — скорость реакции при температуре T1,
  7. γ — температурный коэффициент скорости реакции, коэффициент Вант-Гоффа.

В некоторых ситуациях повысить скорость реакции с помощью температуры не всегда удается, т.к. некоторые вещества разлагаются при повышении температуры, некоторые вещества или растворители испаряются при повышенной температуре, т.е. нарушаются условия проведения процесса.

Также изменить число эффективных соударений можно, изменив концентрацию реагирующих веществ. Понятие концентрации, как правило, используется для газов и жидкостей, т.к.

в газах и жидкостях частицы быстро двигаются и активно перемешиваются.

 Чем больше концентрация реагирующих веществ (жидкостей, газов), тем больше число эффективных соударений, и тем выше скорость химической реакции.

На основании большого числа экспериментов в 1867 году в работах норвежских  ученых П. Гульденберга и П. Вааге и, независимо от них, в 1865 году русским ученым Н.И. Бекетовым был выведен основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ:

  • Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их коэффициентам в уравнении химической реакции.
  • Для химической реакции вида: aA + bB = cC + dD закон действующих масс записывается так:
  • Что ускоряет реакцию с металлами
  • здесь v —  скорость химической реакции,
  • CA и CB — концентрации веществ А и В, соответственно, моль/л
  • k – коэффициент пропорциональности, константа скорости реакции.
  • Например, для реакции образования аммиака:
  • N2  +  3H2  ↔  2NH3
  •  закон действующих масс выглядит так:
  • Что ускоряет реакцию с металлами

Константа скорости реакции k показывает, с какой скоростью будут реагировать вещества, если их концентрации равны 1 моль/л, или их произведение равно 1. Константа скорости химической реакции зависит от температуры и не зависит от концентрации реагирующих веществ.

В законе действующих масс не учитываются концентрации твердых веществ, т.к. они реагируют, как правило, на поверхности, и количество реагирующих частиц на единицу поверхности при этом не меняется.

В большинстве случаев химическая реакция состоит из нескольких простых этапов, в таком случае уравнение химической реакции показывает лишь суммарное или итоговое уравнение происходящих процессов.

При этом скорость химической реакции сложным образом зависит (или не зависит) от концентрации реагирующих веществ, полупродуктов или катализатора, поэтому точная форма кинетического уравнения определяется экспериментально, или на основании анализа предполагаемого механизма реакции.

Как правило, скорость сложной химической реакции определяется скоростью его самого медленного этапа (лимитирующей стадии).

3. Давление

Концентрация газов напрямую зависит от давления. При повышении давления повышается концентрация газов. Математическое выражение этой зависимости (для идеального газа) — уравнение Менделеева-Клапейрона:

  1. pV = νRT
  2. Таким образом, если среди реагентов есть  газообразное вещество, то при повышении давления скорость химической реакции увеличивается, при понижении давления — уменьшается.
  3. Например. Как изменится скорость реакции сплавления извести с оксидом кремния:
  4. CaCO3  +  SiO2  ↔  CaSiO3  +  CO2↑
  5. при повышении давления?

Правильным ответом будет – никак, т.к. среди реагентов нет газов,  а карбонат кальция – твердая соль, нерастворимая в воде, оксид кремния – твердое вещество. Газом будет продукт – углекислый газ. Но продукты не влияют на скорость прямой реакции.

4. Катализатор

Еще один способ увеличить скорость химической реакции – направить ее по другому пути, заменив прямое взаимодействие, например, веществ А и В серией последовательных реакций с третьим веществом К, которые требуют гораздо меньших затрат энергии (имеют более низкий активационный энергетический барьер) и протекают при данных условиях быстрее, чем прямая реакция. Это третье вещество называют катализатором.

  • Что ускоряет реакцию с металлами
  • Катализаторы – это химические вещества, участвующие в химической реакции, изменяющие ее скорость и направление, но не расходующиеся в ходе реакции (по окончании реакции не изменяющиеся ни по количеству, ни по составу).  Примерный механизм работы катализатора для реакции вида А + В можно представить так:
  • A + K = AK
  • AK + B = AB + K

Процесс изменения скорости реакции при взаимодействии с катализатором называют катализом. Катализаторы широко применяют в промышленности, когда необходимо увеличить скорость реакции, либо направить ее по определенному пути.

По фазовому состоянию катализатора различают гомогенный и гетерогенный катализ.

Гомогенный катализ – это когда реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (газ, раствор). Типичные гомогенные катализаторы – кислоты и основания. органические амины и др.

Гетерогенный катализ – это когда реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах. Как правило, гетерогенные катализаторы – твердые вещества. Т.к. взаимодействие в таких катализаторах идет только на поверхности вещества, важным требованием для катализаторов является большая площадь поверхности.

Гетерогенные катализаторы отличает высокая пористость, которая увеличивает площадь поверхности катализатора. Так, суммарная площадь поверхности некоторых катализаторов иногда достигает 500 квадратных метров на 1 г катализатора. Большая площадь и пористость обеспечивают эффективное взаимодействие с реагентами.

К гетерогенным катализаторам относятся металлы, цеолиты — кристаллические минералы группы алюмосиликатов (соединений кремния и алюминия), и другие.

  1. Что ускоряет реакцию с металлами
  2. Пример гетерогенного катализа – синтез аммиака:
  3. N2  +  3H2  ↔ 2NH3
  4. В качестве катализатора используется пористое железо с примесями Al2O3 и K2O.

Сам катализатор не расходуется в ходе химической реакции, но на поверхности катализатора накапливаются другие вещества, связывающие активные центры катализатора и блокирующие его работу (каталитические яды). Их необходимо регулярно удалять, путем регенерации катализатора.

В биохимических реакция очень эффективными оказываются катализаторы – ферменты. Ферментативные катализаторы действуют эффективно и избирательно, с избирательностью 100%.

К сожалению, ферменты очень чувствительны к повышению температуры, кислотности среды и другим факторам, поэтому есть ряд ограничений для реализации в промышленных масштабах процессов с ферментативным катализом.

Катализаторы не стоит путать с инициаторами процесса и ингибиторами.

Например, для инициирования радикальной реакции хлорирования метана необходимо облучение ультрафиолетом. Это не катализатор. Некоторые радикальные реакции инициируются пероксидными радикалами. Это также не катализаторы.

Ингибиторы – это вещества, которые замедляют химическую реакцию. Ингибиторы могут расходоваться и участвовать в химической реакции.  При этом ингибиторы не являются катализаторами наоборот. Обратный катализ в принципе невозможен – реакция в любом случае будет пытаться идти по наиболее быстрому пути.

5. Площадь соприкосновения реагирующих веществ

 Для гетерогенных реакций одним из способов увеличить число эффективных соударений является увеличение площади реакционной поверхности. Чем больше площадь поверхности контакта реагирующих фаз, тем больше скорость гетерогенной химической реакции. Порошковый цинк гораздо быстрее растворяется в кислоте, чем гранулированный цинк такой же массы.

В промышленности для увеличения площади контактирующей поверхности реагирующих веществ используют метод «кипящего слоя».

Например, при производстве серной кислоты методом «кипящего слоя» производят обжиг колчедана.

6. Природа реагирующих веществ

На скорость химических реакций при прочих равных условиях также оказывают влияние химические свойства, т.е. природа реагирующих веществ.

  • Менее активные вещества будут имеют более высокий активационный барьер, и вступают в реакции медленнее, чем более активные вещества.
  • Более активные вещества имеют более низкую энергию активации, и значительно легче и чаще вступают в химические реакции.
  • Более стабильные вещества — это, например, те вещества, которые окружают нас в быту, либо существуют в природе.
  • Например, хлорид натрия NaCl (поваренная соль), или воды H2O, или металлическое железо Fe.
  • Более  активные вещества мы можем встретить в быту и природе сравнительно редко.

Например, оксид натрия Na2O или сам натрий Na в быту и в природе не не встречаем, т.к. они активно реагируют с водой.

При небольших значениях энергии активации (менее 40 кДж/моль) реакция проходит очень быстро и легко. Значительная часть столкновений между частицами заканчивается химическим превращением. Например, реакции ионного обмена происходят при обычных условиях очень быстро.

При высоких значениях энергии активации (более 120 кДж/моль) лишь незначительное число столкновений заканчивается химическим превращением. Скорость таких реакций пренебрежимо мала. Например, азот с кислородом практически не взаимодействует при нормальных условиях.

При средних значениях энергии активации (от 40 до 120 кДж/моль) скорость реакции будет средней. Такие реакции также идут при обычных условиях, но не очень быстро, так, что их можно наблюдать невооруженным глазом. К таким реакциям относятся взаимодействие натрия с водой, взаимодействие железа с соляной кислотой и др.

Вещества, стабильные при нормальных условиях, как правило, имеют высокие значения энергии активации.

Читайте также:  Металл основной оксид неметалл кислотный оксид вещества

Химические свойства металлов

Что ускоряет реакцию с металлами Что ускоряет реакцию с металлами

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 792.

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 792.

Металлы – активные восстановители с положительной степенью окисления. Благодаря химическим свойствам металлы широко используются в промышленности, металлургии, медицине, строительстве.

В реакциях атомы металлов отдают валентные электроны и окисляются. Чем больше энергетических уровней и меньше электронов имеет атом металла, тем легче ему отдавать электроны и вступать в реакции. Поэтому металлические свойства увеличиваются сверху вниз и справа налево в таблице Менделеева.

Рис. 1. Изменение металлических свойств в таблице Менделеева.

Активность простых веществ показана в электрохимическом ряду напряжений металлов. Слева от водорода находятся активные металлы (активность увеличивается к левому краю), справа – неактивные.

Наибольшую активность проявляют щелочные металлы, находящиеся в I группе периодической таблицы и стоящие левее водорода в электрохимическом ряду напряжений. Они вступают в реакцию со многими веществами уже при комнатной температуре.

За ними идут щелочноземельные металлы, входящие во II группу. Они реагируют с большинством веществ при нагревании.

Металлы, находящиеся в электрохимическом ряду от алюминия до водорода (средней активности) требуют дополнительных условий для вступления в реакции.

Что ускоряет реакцию с металламиРис. 2. Электрохимический ряд напряжений металлов.

Некоторые металлы проявляют амфотерные свойства или двойственность. Металлы, их оксиды и гидроксиды реагируют с кислотами и основаниями. Большинство металлов реагирует только с некоторыми кислотами, замещая водород и образуя соль. Наиболее ярко выраженные двойственные свойства проявляют:

  • алюминий;
  • свинец;
  • цинк;
  • железо;
  • медь;
  • бериллий;
  • хром.

Каждый металл способен вытеснять стоящий правее него в электрохимическом ряду другой металл из солей. Металлы, находящиеся слева от водорода, вытесняют его из разбавленных кислот.

Особенности взаимодействия металлов с разными веществами представлены в таблице химических свойств металлов.

Реакция Особенности Уравнение
С кислородом Большинство металлов образует оксидные плёнки. Щелочные металлы самовоспламеняются в присутствии кислорода. При этом натрий образует пероксид (Na2O2), остальные металлы I группы – надпероксиды (RO2). При нагревании щелочноземельные металлы самовоспламеняются, металлы средней активности – окисляются. Во взаимодействие с кислородом не вступают золото и платина
  • – 4Li + O2 → 2Li2O;
  • – 2Na + O2 → Na2O2;
  • – K + O2 → KO2;
  • – 4Al + 3O2 → 2Al2O3;
  • – 2Cu + O2 → 2CuO
С водородом При комнатной температуре реагируют щелочные, при нагревании – щелочноземельные. Бериллий не вступает в реакцию. Магнию дополнительно необходимо высокое давление
  1. – Sr + H2 → SrH2;
  2. – 2Na + H2 → 2NaH;
  3. – Mg + H2 → MgH2
С азотом Только активные металлы. Литий вступает в реакцию при комнатной температуре. Остальные металлы – при нагревании – 6Li + N2 → 2Li3N;
– 3Ca + N2 → Ca3N2
С углеродом Литий и натрий, остальные – при нагревании – 4Al + 3C → Al3C4;
– 2Li+2C → Li2C2
С серой Не взаимодействуют золото и платина
  • – 2K + S → K2S;
  • – Fe + S → FeS;
  • – Zn + S → ZnS
С фосфором При нагревании 3Ca + 2P → Ca3P2
С галогенами Не реагируют только малоактивные металлы, медь – при нагревании Cu + Cl2 → CuCl2
С водой Щелочные и некоторые щелочноземельные металлы. При нагревании, в условиях кислой или щелочной среды реагируют металлы средней активности
  1. – 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑;
  2. – Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2;
  3. – Pb + H2O → PbO + H2↑
С кислотами Металлы слева от водорода. Медь растворяется в концентрированных кислотах
  • – Zn + 2HCl → ZnCl2 + 2H2↑;
  • – Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑;
  • – Cu + 2H2SO4 → CuSO4 + SO2↑ +2H2O
Со щелочами Только амфотерные металлы 2Al + 2KOH + 6H2O → 2K[Al(OH)4] + 3H2↑
С солями Активные замещают менее активные металлы 3Na + AlCl3 → 3NaCl + Al

Металлы взаимодействуют между собой и образуют интерметаллические соединения – 3Cu + Au → Cu3Au, 2Na + Sb → Na2Sb.

Общие химические свойства металлов используются для создания сплавов, моющих средств, применяются в каталитических реакциях. Металлы присутствуют в аккумуляторах, электронике, в несущих конструкциях.

Основные отрасли применения указаны в таблице.

Отрасль Производство Металлы
Химическая промышленность Катализаторы, соли, щёлочи Pt, Fe, Ni, K
Пищевая промышленность Поваренная соль (NaCl), сода (Na2CO3, NaHCO3) Na, Ca, Ag
Металлургия Сплавы, покрытия, детали разной формы, проволока, облицовка, строительные материалы и инструменты Fe, Cr, Ni, W, Mo
Приборостроение Микросхемы, фотоэлементы, датчики Cs, Co, Ni, Cu
Ювелирная промышленность Украшения Au, Pt, Ag
Медицина Протезы Ti, Ni, Au

Что ускоряет реакцию с металламиРис. 3. Висмут.

Из урока 9 класса химии узнали об основных химических свойствах металлов. Возможность взаимодействовать с простыми и сложными веществами определяет активность металлов. Чем активнее металл, тем легче он вступает в реакцию при обычных условиях.

Активные металлы реагируют с галогенами, неметаллами, водой, кислотами, солями. Амфотерные металлы взаимодействуют со щелочами. Малоактивные металлы не реагируют с водой, галогенами, большинством неметаллов. Кратко рассмотрели отрасли применения.

Металлы используются в медицине, промышленности, металлургии, электронике.

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Средняя оценка: 4.4

Всего получено оценок: 792.

А какая ваша оценка?

Гость завершил

Тест «Алые паруса»с результатом 7/12

Гость завершил

Тест «Князь Михайло Репнин»с результатом 5/7

Гость завершил

Тест «Тихое утро»с результатом 10/10

Гость завершил

Тест «Дубровский»с результатом 10/16

Гость завершил

Тест «Алые паруса»с результатом 10/12

Гость завершил

Тест «Ионыч»с результатом 10/10

Гость завершил

Тест на тему «Полюдье»с результатом 4/5

Гость завершил

Тест «А зори здесь тихие»с результатом 10/16

Гость завершил

Тест Том 1 «Война и Мир»с результатом 11/12

Не подошло? Напиши в х, чего не хватает!

1.4.3. Скорость реакции, ее зависимость от различных факторов

Некоторые химические реакции происходят практически мгновенно (взрыв кислородно-водородной смеси, реакции ионного обмена в водном растворе), вторые — быстро (горение веществ, взаимодействие цинка с кислотой), третьи — медленно (ржавление железа, гниение органических остатков). Известны настолько медленные реакции, что человек их просто не может заметить. Так, например, преобразование гранита в песок и глину происходит в течение тысяч лет.

Другими словами, химические реакции могут протекать с разной скоростью.

Но что же такое скорость реакции? Каково точное определение данной величины и, главное, ее математическое выражение?

Скоростью реакции называют изменение количества вещества за одну единицу времени в одной единице объема. Математически это выражение записывается как:

Где n1 и n2 – количество вещества (моль) в момент  времени t1 и t2 соответственно в системе объемом V.

То, какой знак плюс или минус (±) будет стоять перед выражением скорости, зависит от того, на изменение количества какого вещества мы смотрим – продукта или реагента.

Очевидно, что в ходе реакции происходит расход реагентов, то есть их количество уменьшается, следовательно, для реагентов выражение (n2 — n1) всегда имеет значение меньше нуля. Поскольку скорость не может быть отрицательной величиной, в этом случае перед выражением нужно поставить знак «минус».

Если же мы смотрим на изменение количества продукта, а не реагента, то перед выражением для расчета скорости знак «минус» не требуется, поскольку выражение (n2 — n1) в этом случае всегда положительно, т.к. количество продукта в результате реакции может только увеличиваться.

Отношение количества вещества n к объему, в котором это количество вещества находится, называют молярной концентрацией С:

Таким образом, используя понятие молярной концентрации и его математическое выражение, можно записать другой вариант определения скорости реакции:

Скоростью реакции называют изменение молярной концентрации вещества в результате протекания химической реакции за одну единицу времени:

Нередко бывает крайне важно знать, от чего зависит скорость той или иной реакции и как на нее повлиять.

Например, нефтеперерабатывающая промышленность в буквальном смысле бьется за каждые дополнительные полпроцента продукта в единицу времени.

Ведь учитывая огромное количество перерабатываемой нефти, даже полпроцента вытекает в крупную финансовую годовую прибыль. В некоторых же случаях крайне важно какую-либо реакцию замедлить, в частности коррозию металлов.

Так от чего же зависит скорость реакции? Зависит она, как ни странно, от множества различных параметров.

  • Для того чтобы разобраться в этом вопросе прежде всего давайте представим, что происходит в результате химической реакции, например:
  • A + B → C + D
  • Написанное выше уравнение отражает процесс, в котором молекулы веществ А и В, сталкиваясь друг с другом, образуют молекулы веществ С и D.
Читайте также:  Параметры сверл по металлу

То есть, несомненно, для того чтобы реакция прошла, как минимум, необходимо столкновение молекул исходных веществ. Очевидно, если мы повысим количество молекул в единице объема, число столкновений увеличится аналогично тому, как возрастет частота ваших столкновений с пассажирами в переполненном автобусе по сравнению с полупустым.

Другими словами, скорость реакции возрастает при увеличении концентрации реагирующих веществ.

В случае, когда один из реагентов или сразу несколько являются газами, скорость реакции увеличивается при повышении давления, поскольку давление газа всегда прямо пропорционально концентрации составляющих его молекул.

Тем не менее, столкновение частиц является, необходимым, но вовсе недостаточным условием протекания реакции. Дело в том, что согласно расчетам, число столкновений молекул реагирующих веществ при их разумной концентрации настолько велико, что все реакции должны протекать в одно мгновение. Тем не  менее, на практике этого не происходит. В чем же дело?

Дело в том, что не всякое соударение молекул реагентов обязательно будет эффективным. Многие соударения являются упругими – молекулы отскакивают друг от друга словно мячи. Для того чтобы реакция прошла, молекулы должны обладать достаточной кинетической энергией.

Минимальная энергия, которой должны обладать молекулы реагирующих веществ для того, чтобы реакция прошла, называется энергией активации и обозначается как Еа. В системе, состоящей из большого количества молекул, существует распределение молекул по энергии, часть из них имеет низкую энергию, часть высокую и среднюю.

Из всех этих молекул только у небольшой части молекул энергия превышает энергию активации.

Как известно из курса физики, температура фактически есть мера кинетической энергии частиц, из которых состоит вещество. То есть, чем быстрее движутся частицы, составляющие вещество, тем выше его температура.

Таким образом, очевидно, повышая температуру мы по сути увеличиваем кинетическую энергию молекул, в результате чего возрастает доля молекул с энергией, превышающей Еа и их столкновение приведет к химической реакции.

  1. Факт положительного влияния температуры на скорость протекания реакции еще в 19м веке эмпирически установил голландский химик Вант Гофф. На основании проведенных им исследований он сформулировал правило, которое до сих пор носит его имя, и звучит оно следующим образом:
  2. Скорость любой химической реакции увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на 10 градусов.
  3. Математическое отображение данного правила записывается как:
  • где V2 и V1 – скорость при температуре t2 и t1 соответственно, а γ – температурный коэффициент реакции, значение которого чаще всего лежит в диапазоне от 2 до 4.
  • Часто скорость многих реакций удается повысить, используя катализаторы.
  • Катализаторы – вещества, ускоряющие протекание какой-либо реакции и при этом не расходующиеся.
  • Но каким же образом катализаторам удается повысить скорость реакции?

Вспомним про энергию активации Ea . Молекулы с энергией меньшей, чем энергия активации в отсутствие катализатора друг с другом взаимодействовать не могут.

Катализаторы, изменяют путь, по которому протекает реакция подобно тому, как опытный проводник проложит маршрут экспедиции не напрямую через гору, а с помощью обходных троп, в результате чего даже те спутники, которые не имели достаточно энергии для восхождения на гору, смогут перебраться на другую ее сторону.

Не смотря на то что катализатор при проведении реакции не расходуется, тем не менее он принимает в ней активное участие, образуя промежуточные соединения с реагентами, но к концу реакции возвращается к своему изначальному состоянию.

Кроме указанных выше факторов, влияющих на скорость реакции, если между реагирующими веществами есть граница раздела (гетерогенная реакция), скорость реакции будет зависеть также и от площади соприкосновения реагентов.

Например, представьте себе гранулу металлического алюминия, которую бросили в пробирку с водным раствором соляной кислоты. Алюминий – активный металл, который способен реагировать с кислотами неокислителями.

С соляной кислотой уравнение реакции выглядит следующим образом:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2↑

Алюминий представляет собой твердое вещество, и это значит, что реакция с соляной кислотой идет только на его поверхности.

Очевидно, что если мы увеличим площадь поверхности, предварительно раскатав гранулу алюминия в фольгу, мы тем самым предоставим большее количество доступных для реакции с кислотой атомов алюминия.

В результате этого скорость реакции увеличится. Аналогичным образом увеличения поверхности твердого вещества можно добиться измельчением его в порошок.

Также на скорость гетерогенной реакции, в которой реагирует твердое вещество с газообразным или жидким, часто положительно влияет перемешивание, что связано с тем, что в результате перемешивания достигается удаление из зоны реакции скапливающихся молекул продуктов реакции и «подносится» новая порция молекул реагента.

Последним следует отметить также огромное влияние на скорость протекания реакции и природы реагентов. Например, чем ниже в таблице Менделеева находится щелочной металл, тем быстрее он реагирует с водой, фтор среди всех галогенов наиболее быстро реагирует с газообразным водородом и т.д.

  1. Резюмируя все вышесказанное, скорость реакции зависит от следующих факторов:
  2. 1) концентрация реагентов: чем выше, тем больше скорость реакции.
  3. 2) температура: с ростом температуры скорость любой реакции увеличивается.
  4. 3) площадь соприкосновения реагирующих веществ: чем больше площадь контакта реагентов, тем выше скорость реакции.
  5. 4) перемешивание, если реакция происходит между твердым веществом и жидкостью или газом перемешивание может ее ускорить.

Активаторы процесса коррозии и ускорение разрушения металлов

Химическую коррозию ускоряет повышение концентрации агрессив­ных (способных химически взаимодействовать с металлами) веществ.

Интенсивность электрохимической коррозии в основном зависит от природы контактирующих металлов, от концентрации и вида электролита. Скорость электрохимической коррозии тем выше, чем больше разность потенциалов между находящимися в контакте металлами. Например, желе­зо (Е° Fe/Fe2+ = -0,44 В) при контакте с медью (Е°Cu/Cu2+ = +0,34 В) будет

разрушаться быстрее, чем при контакте с оловом (E°Sn/Sn2+ = -0,14 В).

Процессы окисления на аноде и восстановления на катоде взаимосвя­заны. При ускорении или торможении катодного процесса будет также по­вышаться или снижаться и скорость коррозии. Так, повышение концентра­ции ионов Н+ или молекул кислорода 02 в электролите увеличивает ско­рость катодной реакции, а следовательно, ускоряет электрохимическую коррозию металла.

Процессы электрохимической коррозии также сильно ускоряются в присутствии ионов С1 — (растворённые соли — хлориды:NaCl, СаС12 и др.).

Химическое взаимодействие металлов с различными веществами в до­полнение к электрохимической коррозии всегда увеличивает общую ско­рость разрушения металлов.

В большинстве случаев такими активными веществами по отношению к металлам являются кислоты.

Кислоты, в ко­торых окислителем является ион Н+, реагируют с металлами, имеющими отрицательные значения потенциалов, с образованием солей и выделением газа — водорода Н2.

  • Например, если цинковое изделие подвергается воздействию раствора соляной кислоты НС1, то наряду с обычной реакцией растворения цинка в кислоте:
  • Zn+ 2HC1 →ZnCl2 + H2↑
  • Zn° 2ё →Zn2+
  • 2H+ +2ё→H2°↑
  • происходят также электрохимические процессы в гальванических элемен­тах разного рода, образующихся на поверхности металла:
  • Анод:Zn° 2ё →Zn2+
  • Катод:2H+ +2ё→ H2°↑(в кислой среде)
  • Общая скорость разрушения металла будет складываться из скоростей химического и электрохимического процессов.
  • Щёлочи в водных растворах химически не взаимодействуют с боль­шинством металлов, однако некоторые амфотерные металлы (алюминий, цинк, бериллий, олово, свинец) разрушаются водными растворами щело­чей, например:
  • н2о
  • 2А1 + 6КОН → 2К3А1О3 + 3Н2↑
  • Рассмотрим, какие процессы происходят при контакте цинкового из­делия с водным раствором щёлочи, например, NaOH.
  1. Так же как и в предыдущем примере, цинк вступает в химическую ре­акцию, и при этом, окисляясь, разрушается:
  2. Zn+ 2NaOH→Na2ZnО2 + H2↑
  3. Zn° 2ё →Zn2+
  4. 2H+ +2ё→ H2°↑
  5. Электрохимическая коррозия цинка в среде электролита в данном слу­чае описывается уравнениями:
  6. Анод: Zn°-2e → Zn2+
  7. Катод: О2 +2Н2О + 4 ё →4(ОН)(в отсутствие кислоты)
  8. Присутствующие в щелочном растворе ионы ОН- замедляют катодную реакцию, а, следовательно, анодный процесс окисления цинка также будет подавляться.
  9. Таким образом, в щелочной среде коррозия амфотерных металлов происходит практически полностью за счёт химического взаимодействия.

Химическое взаимодействие металла с растворами солей также может ускорять процесс коррозии за счёт образования дополнительных микро­гальванических элементов.

Известно, что металл может восстанавливать ионы металлов, имеющих более высокие значения потенциалов, из водных растворов солей.

Например, при добавлении в электролит, находящийся в контакте с цинком, раствора медной соли происходит восстановление меди (ЕZn°

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector