Гетерогенные реакции
Содержание
Что такое гомогенные и гетерогенные реакции |
что такое гомогенная и гетерогенная реакция?
Внимание, только СЕГОДНЯ!
ГОМОГЕННЫЕ РЕАКЦИИ , хим. р-ции, протекающие полностью в одной фазе. Примеры гомогенных реакций в газовой фазе: термич.
разложение оксида азота 2N 2 O 5 -> 4NO 2 + О 2 ; хлорирование метана СН 4 + С1 2 -> СН 3 С1 + НС1; горение этана 2С 2 Н б + 7О 2 -> 4СО 2 + 6Н 2 О; образование озона в земной атмосфере ЗО 2 -> 2О 3 . В жидкой фазе гомогенно протекают разнообразные гомолитич. р-ции распада молекул на радикалы, нуклеоф. и электроф.
замещения, отщепления, перегруппировки, а также цепные р-ции ( галоидирование , окисление , полимеризация ). Скорость простой гомогенной реакции при постоянном объеме подчиняется действующих масс закону .
Гомогенные реакции между реагентами , первоначально находящимися в разных фазах, возможны при условии, что диффузия реагентов в ту фазу, где идет р-ция, много быстрее самой р-ции. При относительно медленной диффузии реагентов и быстром хим. взаимод. р-ция протекает на границе раздела фаз
ГЕТЕРОГЕННЫЕ РЕАКЦИИ , хим. р-ции с участием в-в, находящихся в разл. фазах и составляющих в совокупности гетерог. систему. Типичные гетерогенные реакции : термич. разложение солей с образованием газообразных и твердых продуктов (напр.
, СаСО 3 -> СаО + СО 2 ), восстановление ожсидов металлов водородом или углеродом (напр., РЬО + С -> Рb + СО), растворение металлов в к-тах (напр., Zn + + H 2 SO 4 -> ZnSO 4 + Н 2 ), взаимод. твердых реагентов (А1 2 О 3 + NiO -> NiAl 2 O 4 ).
В особый класс выделяют гетерогенно-каталитич. р-ции, протекающие на пов-сти катализатора ; при этом реагенты и продукты могут и не находиться в разных фазах. Напр., при р-ции N 2 + + ЗН 2 -> 2NH 3 , протекающей на пов-сти железного кат.
, реагенты и продукт р-ции находятся в газовой фазе и образуют гомог. систему.
Гетерогенные и гомогенные реакции
Для обратимых экзотермических реакций с повышением температуры равновесный выход продукта непрерывно уменьшается, а действительный выход увеличивается при низких температурах и уменьшается при высоких, проходя через максимум при оптимальной температуре.
Абсолютное значение максимального выхода и соответствующее ему значение оптимальной температуры изменяются в зависимости от активности катализатора, концентрации реагирующих веществ и других условий процесса, но оптимальная температура всегда понижается с увеличением степени превращения.
Эти закономерности справедливы для всех простых обратимых экзотермических газовых реакций, в частности для промышленных каталитических процессов: гидрирования, окисления, гидратации и подобного, для реакций синтеза аммиака, каталитического окисления SO 2 , конверсии оксида углерода, окисления этилена в оксид этилена и др.
Сложным может быть влияние температуры на каталитические процессы, в которых повышение температуры до некоторого предела вызывает протекание вредных побочных реакций (например, для синтеза метанола и эталона, окисления аммиака и др.). При этом необходимо анализировать влияние температуры на каждую реакцию в отдельности.
По фазовому состоянию реагентов реакции бывают гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные). В гомогенных реакциях все взаимодействующие вещества находятся в одной фазе (газовой, жидкой или твердой).
Зоной реакции при проведении гомогенных реакций служит весь реакционный объем. В гетерогенных процессах реагенты, принимающие участие в реакции, находятся в разных фазах.
В реакционном объеме одновременно находятся две или более фазы, а химическая реакция протекает на границе раздела фаз или в объеме одной из фаз.
Гетерогенные двухфазные реакции в зависимости от агрегатного состояния исходных веществ б ывают следующих типов:
1. в системе «газ – твердое тело»;
2. между двумя несмешивающимися жидкостями;
3. в системе «газ – жидкость»;
4. в системе «жидкость – твердая фаза».
Реакция сжигания угля служит примером гетерогенной реакции в системе «газ – твердое тело». Твердая фаза – углерод, взаимодействуя с газообразным кислородом, дает газообразный продукт реакции – углекислый газ.
Примером реакции между несмешивающимися жидкостями может служить реакция нитрования толуола азотной кислотой, в которой оба исходных вещества являются взаимонерастворимыми жидкостями.
Примером реакции в системе «газ – жидкость» является реакция поглощения ангидрида водой с образованием жидкой серной кислоты.
Реакция между серной кислотой и окисью меди служит примером гетерогенной реакции «жидкость – твердая фаза».
Гетерогенные системы бывают также трехфазными.
Технологии производства, 2011-2014 | Запрещено любое копирование материалов сайта
Что такое химическая реакция? Что такое гомогенная и гетерогенная реакция? Что происходит с молекулами при протекании химических реакций? Какими энергетическими. — презентация
Презентация была опубликована 3 года назад пользователемМарианна Егина
Презентация на тему: » Что такое химическая реакция? Что такое гомогенная и гетерогенная реакция? Что происходит с молекулами при протекании химических реакций? Какими энергетическими.» — Транскрипт:
1 Что такое химическая реакция? Что такое гомогенная и гетерогенная реакция? Что происходит с молекулами при протекании химических реакций? Какими энергетическими процессами сопровождается химическая реакция?
2 Элементарный акт химической реакции Это активное столкновение молекул, при котором происходит перераспределение электронной плотности между молекулами Скорость химической реакции — это число элементарных актов в единицу времени в единице объёма
3 При протекании химических реакций происходит изменение концентраций веществ, участвующих в реакции: Концентрация реагирующих веществ уменьшается; Концентрация продуктов увеличивается Изменение концентрации продукта Скорость гомогенной химической реакции — ИЗМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ реагента или продукта в единицу времени. v — скорость реакции, DC — изменение концентрации (в моль/л), а Dt — интервал времени, в течение которого это изменение произошло (сек) => размерность у скорости реакции такая: «моль/л.сек». размерность у скорости реакции такая: «моль/л.сек».»>
4 Факторы, влияющие на скорость реакции Природа реагирующих веществ Площадь поверхности твердого вещества Концентрация реагирующих веществ Температура Катализатор
5 Закон действующих масс Математически зависимость скорости от концентрации для реакции: А + Б = АБ выражается следующим образом: v = k[А][Б], где v = k[А][Б], где V – скорость реакции; K – константа скорости; [А] и [Б] – концентрации веществ А и Б соответственно
6 Думай самостоятельно Напиши выражение закона действующих масс для реакции: 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О (подсказка: представь реакцию в следующем виде Н 2 + Н 2 + О 2 = 2Н 2 О) Напиши выражение закона действующих масс для реакции: аА + bВ = С аА + bВ = С
7 Догадался… Молодец! Для реакции: 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О V = k[Н 2 ] 2 [О 2 ] V = k[Н 2 ] 2 [О 2 ] Для реакции: аА + bВ = С Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов.
Это определение относится к гомогенным реакциям.
Если реакция гетерогенная (реагенты находятся в разных агрегатных состояниях), то в уравнение ЗДМ входят только жидкие или только газообразные реагенты, а твердые исключаются, оказывая влияние только на константу скорости k.
8 Константа скорости k численно равна скорости, если концентрации реагентов постоянны и равны единице. Константа скорости k дает химикам возможность КОЛИЧЕСТВЕННО обсуждать вопросы, связанные с изучением скоростей реакций. Приведем пример.
Измеренные константы скоростей приведенных реакций позволяют уже не просто говорить о том, что реакция нейтрализации (H+ + OH-) протекает намного быстрее реакции разложения иона аммония. Можно рассуждать количественно: при 20 о С реакция нейтрализации протекает в 6*10 9 раз быстрее, чем реакция распада иона аммония на аммиак и ион водорода.
Измеренные константы скоростей приведенных реакций позволяют уже не просто говорить о том, что реакция нейтрализации (H+ + OH-) протекает намного быстрее реакции разложения иона аммония. Можно рассуждать количественно: при 20 о С реакция нейтрализации протекает в 6*10 9 раз быстрее, чем реакция распада иона аммония на аммиак и ион водорода.
Реакция Условия Кинетическое уравнение k H + + OH — = H 2 O 20 o C v = k[H + ][OH — ] 1, л/моль. сек NH 4 + = NH 3 + H o C 1 v = k[NH 4 + ] 1 24 л/моль.сек
9 Правило Вант — Гоффа При увеличении температура на каждые 10 0 скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. Число, показывающее, во сколько раз увеличится скорость, называется температурный коэффициент (Υ) Подумай! Если температуру увеличить на 30 0 (Υ= 2), во сколько раз увеличится скорость реакции?
10 Математическое выражение правила Вант- Гоффа V 2 / V 1 = Υ t/10 Задача.
11 Энергия активации Рассмотрим реакцию, которая происходит в замкнутом сосуде между некими газообразными веществами А и Б по уравнению : А + Б = В Для того, чтобы молекулы А и Б прореагировали между собой, они должны сначала столкнуться.
Причем столкновение должно быть достаточно энергичным.
Энергия, запасенная в молекулах А и Б, должна быть больше какой-то определенной величины — иначе они просто отталкиваются друг от друга, не вступая в реакцию Если же энергия столкновения достаточна, образуется продукт В
12 Энергия активации Мерой «энергичности» молекул может служить, например, скорость их движения, которая возрастает с повышением температуры газа. Кстати, тепло или холод мы воспринимаем именно как результат столкновений окружающих нас «быстрых» или «медленных» молекул атмосферы с нашей кожей.
13 Начальное и конечное состояние вещества в химической реакции разделены энергетическим барьером. Его величина выражается в к Дж на моль А (или на моль Б). Этот барьер называется энергией активации реакции и обозначается символом Еа.
Энергией активации Еа называется средняя избыточная энергия Е (по сравнению со средней энергией движения), которой должны обладать реагирующие частицы (атомы, молекулы), чтобы преодолеть энергетический барьер, разделяющий в химической реакции реагенты (исходное состояние) и продукты (конечное состояние).
14 Энергия активации и скорость реакции До сих пор мы сравнивали ОДНУ И ТУ ЖЕ реакцию при разных температурах. Если же сравнить между собой РАЗЛИЧНЫЕ химические реакции, протекающие в одинаковых условиях, то выясняется следующее. Для каждой химической реакции характерно свое собственное значение Еа (не зависящее от температуры).
В большинстве случаев энергия активации химических реакций между нейтральными молекулами составляет от 80 до 240 к Дж/моль. Чем НИЖЕ активационный барьер Еа какой-либо химической реакции, тем БЫСТРЕЕ она идет в данных условиях, потому что большее число молекул А и Б способны преодолевать барьер в единицу времени.
Если в другой химической реакции активационный барьер ВЫШЕ, то такая реакция в тех же условиях идет МЕДЛЕННЕЕ. Если барьер очень высок, в системе вообще нет молекул, способных преодолеть активационный барьер и реакция не происходит.
Какие реакции протекают мгновенно, так как их энергия активации равна нулю? Подумай! Какие реакции протекают мгновенно, так как их энергия активации равна нулю?
15 Почему все возможные реакции ещё не произошли? Итак, мы видим, что для протекания химической реакции молекулы исходных веществ должны сначала преодолеть активационный барьер Еа. Таким образом, активационный барьер может являться препятствием для самопроизвольного протекания даже очень «выгодных» с энергетической точки зрения экзотермических реакций.
Например, если бы не было активационного барьера, реакция горения метана в кислороде начиналась бы сразу после соприкосновения метана с воздухом. В этом случае не только природный газ (в нем 95% метана), но и нефть, бензин, уголь, бумагу, одежду, мебель, деревянные постройки и все, что в принципе может гореть, пришлось бы тщательно изолировать от воздуха.
К счастью, на пути самопроизвольного протекания этих экзотермических реакций стоит активационный барьер Еа. Когда мы подносим горящую спичку к открытой конфорке газовой плиты, мы заставляем какую-то часть молекул метана и кислорода «перескочить» активационный барьер, не преодолимый при комнатной температуре.
В дальнейшем энергия активации для взаимодействия все новых и новых молекул метана и кислорода черпается уже из тепла самой экзотермической реакции.
16 Вещества, принимающие участие, но не расходующиеся в процессе реакции, называются катализаторами. Само это явление называется катализом. Медленно протекающая реакция A + B А…B AB в присутствии катализатора идет с большей скоростью в две стадии: 1. А + К = АК; 2.
АК + Б = АБ + К В зависимости от того, находится ли катализатор в той же фазе, что и реагирующие вещества, или образует самостоятельную фазу, говорят о гомогенном или гетерогенном катализе.
Механизм каталитического действия для них не одинаков, однако и в том и в другом случае происходит ускорение реакции за счет снижения энергии активации.
Источники:
Гетерогенные и гомогенные реакции
14. Гомогенные и гетерогенные реакции
Алканы. Особенности строения. Методы синтеза. Реакции
алкан синтез галогенирование пиролиз Инертность метана к большинству реагентов характерна для всех алканов. Как и метан, высшие алканы вступают в относительно небольшое число реакций; все они протекают только в жестких условиях и, как правило…
Изучение процесса и отработка технологии гидролиза растительных отходов с целью получения спиртов
2.1 Механизм реакции
Наличие в макромолекуле целлюлозы гликозидных связей между элементарными звеньями является причиной сравнительно низкой устойчивости целлюлозы к действию водных и спиртовых растворов кислот, а также воды при высокой температуре…
Кинетические закономерности ферментативных реакций
f2.2 Исследование кинетической закономерности заданной реакции, осложненной ингибированием( ингибирование напрексеном простагландин-Н-синтетазы (PGH) в ферментативной реакции, одним из субстратов которой является адреналин)
Зависимость начальной скорости реакции ) от концентрации субстрата в различных опытах для реакции С. Номер опыта Концентрация субстрата, 6,25 7 8 10 12,5 16,7 25 50 48 0 1,0 1,09 1,19 1,33 1,49 1,67 2,0 2,38 52 40 0,88 0,96 1,03 1,15 1,26 1,41 1…
Реакции
Магнийорганические галогениды чрезвычайно реакционноспособны. Наиболее широко их применяют в реакциях с соединениями, содержащими поляризованную кратную связь (например, С=О, С?N, С=S). 1…
4.4 Реакции окисления
Окисление глюкозы можно осуществить различными по силе окислителями, которые, соответственно этому, дают разные продукты окисления. Глюкоза окисляется до гликоновойкислоты в мягких условиях такими слабыми окислителями…
Наркотические и психотропные вещества
3.5.1 Цветные реакции
Морфин дает реакции с концентрированной азотной кислотой (кроваво-красное, переходящее в оранжево-желтое). С реактивом Эрдмана (концентрированная серная кислота с концентрированной азотной кислотой) дает красно-желтое окрашивание…
Пиразолы, тетразолы и триазолы
2.3.1. Реакции замещения
Химические свойства этих азолов отличаются от свойств пиррола тем значительнее, чем больше число атомов азота в молекуле. Для этих циклических систем относительно редки реакции злектро-фильного замещения по атому углерода…
Полимераналогичные превращения хитозана
Fреакции замещения
…
Синтез и свойства адипиновой кислоты
2.3. Реакции Михаэля
Реакция Михаэля используется для получения различных ди- и поликарбоновых кислот. В этом разделе мы рассмотрим несколько типичных примеров этой реакции. Малонат-анион присоединяется к сложным эфирам и нитрилам ?…
f3.2 Качественные реакции
На железо (II): 3K3[Fe(CN)6] + 3Fe2+ > 3KFeII[FeIII(CN)6]v(синее окрашивание) + 6K+ На сульфат ионы: SO42- + Ba2+ = BaSO4v (белый…
Химические процессы в биологическом организме
8. Напишите уравнение реакции фосфолирирования галактозы при участии соответствующей киназы и дальнейшего перехода фасфарного эфира галактозы во фруктозу 6-фосфат. Дайте полное название метаболитов и ферментов, ускоряющих эти реакции
На первом этапе аденозилметионин (AdoMet), обычно являющийся донором метильной группы, выступает при алкилировании имидазольного кольца как донор фермента Затем происходит исчерпывающее метилирование аминогруппы присоединившегося фрагмента…
Химические свойства простых циклических эфиров на примере этилоксирана
3.8 Реакции восстановления
Окись этилена может быть подвергнута гидрированию с образованием этилового спирта в присутствии катализатора: В качестве катализаторов прямого гидрирования могут выступать никель, платина и палладий…
Химические свойства простых циклических эфиров на примере этилоксирана
3.11 Реакции полимеризации
Жидкая окись этилена под действием различных факторов может образовывать полиэтиленгликоли. Процесс полимеризации может иметь как радикальный, так и ионный механизм, но в практическом плане только последний имеет широкое использование…
Химические свойства простых циклических эфиров на примере этилоксирана
4. Прочие реакции
Пентахлорид фосфора, взаимодействуя с окисью этилена…
Химические свойства простых циклических эфиров на примере этилоксирана
6. Качественные реакции
Простейшей качественной реакцией может служить свойство окиси этилена осаждать нерастворимые гидроксиды металлов при его пропускании через водные растворы солей, например: По аналогии…
Гетерогенные реакции
В гетерогенныхсистема обязательно присутствуетповерхность раздела фаз. Таким образом,гетерогенные реакции протекают междувеществами, находящимися в системе вразных фазах. Например, жидкость –твердое вещество, жидкость – нерастворенныйгаз, две взаимно не растворяющиесяжидкости, твердое вещество – газ.
В гетерогенныхсистемах столкновение между молекуламиможет происходить лишь на поверхностираздела фаз. Скорость гетерогеннойреакции измеряют количеством вещества,вступающего в реакцию или образующегосяпри реакции за единицу времени на единицеповерхности твердой фазы,
, (19)
где – знак приращения;
n – количество вещества в молях, весовыхили объемных единицах;
S– площадь поверхности фазы, на которойпротекает реакция;
t – время.
Таким образом,величина поверхности твердого реагентаоказывает большое влияние напродолжительность протекания реакции.
Как известно, с повышением степенидисперсности (раздробления) суммарнаяповерхность вещества резко возрастает,поэтому, чем больше измельчен реагент,тем интенсивнее протекает реакция ибыстрее заканчивается процесс.
Этойзакономерности подчиняется твердениецемента и других строительных материалов,коррозия бетона и т.д.
Зависимость скорости реакции от температуры
В реакциях,протекающих с конечной скоростью,эффективными оказываются лишь контактымежду такими молекулами, которые вмомент столкновения обладают некоторымизбытком энергии по сравнению со среднейдля данной температуры величиной.
Этотизбыток энергии называется энергиейактивации,а молекулы с повышенной энергией –активнымимолекулами.От других молекул того же вещества ониотличаются тем, что их внутренниехимические связи ослаблены.
Это ипозволяет им активно вступать в реакции.
Энергия активации– избыточное количество энергии (посравнению со средней величиной), которойдолжна обладать молекула в моментстолкновения, чтобы быть способной кданное химическому взаимодействию.
Молекулы могутактивизироваться действием повышеннойтемпературы, электрического разряда,ультразвуковыми колебаниями, действиемразличного рода излучений и т.д.
При поглощенииэнергии возрастает число активныхмолекул, возрастает число их столкновенийв единицу времени, следовательно, сувеличением температуры скоростьреакции также возрастает.
Существуетприближенное правило, по которомуповышение температуры на 10°увеличивает скорости реакций примернов 2–4раза (правило Вант-Гоффа).
Если обозначить:
–скорость приконечной температуре;
- скоростьреакции при начальной температуре,
тосоотношение скоростей выразится формулой
. (20)
Например,при повышении температуры реакционнойсмеси с 10 (t1)до 100° (t2)при температурном коэффициенте , равном 2, скорость реакции возрастетв 512 раз:
Химическое равновесие и принцип Ле Шателье
Некоторые химическиереакции в определенных условиях протекаютодновременно в двух противоположныхнаправлениях. Такие реакции называютсяобратимыми.
По мере течения прямой реакции, уменьшаютсяконцентрации исходных веществ иувеличиваются концентрации полученныхпродуктов, при этом скорость прямойреакции W1 уменьшается, а обратной W2– увеличивается.
В определенный моментскорости обеих реакций становятся равны(W1= W2),наступает состояние химическогоравновесия, когда установившиесяконцентрации всех веществ реакцииостаются неизменными.
Для общего видаобратимой реакции
mA+ nBрС + qД;
при условииравновесия следует
или
. (21)
Величина К называется константойхимического равновесия.Она равна отношению произведенияконцентраций продуктов реакции кпроизведению концентраций реагентовв момент химического равновесия.
Следуетотметить, что это выражение справедливотолько для гомогенной реакции.
Еслиреакция гетерогенная, то на равновесиевлияет концентрация только газообразныхили жидких веществ, концентрации твердыхвеществ не учитываются. Например дляреакции
CaCO3(т)+2HCl(ж)=CaCl2(ж)+H2CO3(ж)
Константа равновесияравна
Изменениеконцентрации хотя бы одного из веществравновесной системы повлечет за собойизменение других, и равновесие будетсмещаться в ту или другую сторону, поэтомхимическое равновесие называетсяподвижным,или динамическим.
Рассмотрим примергомогенной обратимой реакции
FeCl3+ 3KCNSFe(CNS)3+ 3KCl.
Продукт реакции Fe(CNS)3– роданит железа (III)имеет красную окраску.По интенсивности окраски можно проследитьизменение его концентрации при смещенииравновесия.
Константа равновесиядля данной реакции равна
При увеличенииконцентрации FeCl3 или KCNS знаменатель возрастает, соотношениеконцентраций становится меньше величины К, что при данных температурных условияхбыть не должно. Изменение концентрацийвлечет за собой смещение равновесиявправо, т.е. в сторону увеличенияконцентраций продуктов реакции. Этовидно по более интенсивной окраске Fe(CNS)3.
Если к растворуприбавить KCl,то равновесие смещается влево иконцентрация Fe(CNS)3 уменьшается. Смещение равновесияпродолжается до тех пор, пока неустановится новое химическое равновесие.
Для подвижныххимических равновесий существуетпринцип, носящий название принципаЛе-Шателье:
Если на обратимуюсистему, находящуюся в подвижномравновесии, оказывать внешнее воздействие(изменять концентрацию, температуру,давление и т.д.),то равновесиесмещается в сторону той реакции, котораяуменьшает величину оказываемоговоздействия.
