Скорость реакции и константа скорости. Скорость и константа скорости химической реакции
Электронная конфигурация атома - это формула, показывающая расположение электронов в атоме по уровням и подуровням. После изучения статьи Вы узнаете, где и как располагаются электроны, познакомитесь с квантовыми числами и сможете построить электронную конфигурацию атома по его номеру, в конце статьи приведена таблица элементов.
Для чего изучать электронную конфигурацию элементов?
Атомы как конструктор: есть определённое количество деталей, они отличаются друг от друга, но две детали одного типа абсолютно одинаковы. Но этот конструктор куда интереснее, чем пластмассовый и вот почему. Конфигурация меняется в зависимости от того, кто есть рядом. Например, кислород рядом с водородом может превратиться в воду, рядом с натрием в газ, а находясь рядом с железом вовсе превращает его в ржавчину. Что бы ответить на вопрос почему так происходит и предугадать поведение атома рядом с другим необходимо изучить электронную конфигурацию, о чём и пойдёт речь ниже.
Сколько электронов в атоме?
Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов, ядро состоит из протонов и нейтронов. В нейтральном состоянии у каждого атома количество электронов равно количеству протонов в его ядре. Количество протонов обозначили порядковым номером элемента, например, сера, имеет 16 протонов - 16й элемент периодической системы. Золото имеет 79 протонов - 79й элемент таблицы Менделеева. Соответственно, в сере в нейтральном состоянии 16 электронов, а в золоте 79 электронов.
Где искать электрон?
Наблюдая поведение электрона были выведены определённые закономерности, они описываются квантовыми числами, всего их четыре:
- Главное квантовое число
- Орбитальное квантовое число
- Магнитное квантовое число
- Спиновое квантовое число
Орбиталь
Далее, вместо слова орбита, мы будем использовать термин "орбиталь", орбиталь - это волновая функция электрона, грубо - это область, в которой электрон проводит 90% времени.
N - уровень
L - оболочка
M l - номер орбитали
M s - первый или второй электрон на орбитали
Орбитальное квантовое число l
В результате исследования электронного облака, обнаружили, что в зависимости от уровня энергии, облако принимает четыре основных формы: шар, гантели и другие две, более сложные. В порядке возрастания энергии, эти формы называются s-,p-,d- и f-оболочкой. На каждой из таких оболочек может располагаться 1 (на s), 3 (на p), 5 (на d) и 7 (на f) орбиталей. Орбитальное квантовое число - это оболочка, на которой находятся орбитали. Орбитальное квантовое число для s,p,d и f-орбиталей соответственно принимает значения 0,1,2 или 3.
На s-оболочке одна орбиталь (L=0) - два электрона
На p-оболочке три орбитали (L=1) - шесть электронов
На d-оболочке пять орбиталей (L=2) - десять электронов
На f-оболочке семь орбиталей (L=3) - четырнадцать электронов
Магнитное квантовое число m l
На p-оболочке находится три орбитали, они обозначаются цифрами от -L, до +L, то есть, для p-оболочки (L=1) существуют орбитали "-1", "0" и "1". Магнитное квантовое число обозначается буквой m l .
Внутри оболочки электронам легче располагаться на разных орбиталях, поэтому первые электроны заполняют по одному на каждую орбиталь, а затем уже к каждому присоединяется его пара.
Рассмотрим d-оболочку:
d-оболочке соответствует значение L=2, то есть пять орбиталей (-2,-1,0,1 и 2), первые пять электронов заполняют оболочку принимая значения M l =-2,M l =-1,M l =0, M l =1,M l =2.
Спиновое квантовое число m s
Спин - это направление вращения электрона вокруг своей оси, направлений два, поэтому спиновое квантовое число имеет два значения: +1/2 и -1/2. На одном энергетическом подуровне могут находиться два электрона только с противоположными спинами. Спиновое квантовое число обозначается m s
Главное квантовое число n
Главное квантовое число - это уровень энергии, на данный момент известны семь энергетических уровней, каждый обозначается арабской цифрой: 1,2,3,...7. Количество оболочек на каждом уровне равно номеру уровня: на первом уровне одна оболочка, на втором две и т.д.
Номер электрона
Итак, любой электрон можно описать четырьмя квантовыми числами, комбинация из этих чисел уникальна для каждой позиции электрона, возьмём первый электрон, самый низкий энергетический уровень это N=1, на первом уровне распологается одна оболочка, первая оболочка на любом уровне имеет форму шара (s-оболочка), т.е. L=0, магнитное квантовое число может принять только одно значение, M l =0 и спин будет равен +1/2. Если мы возьмём пятый электрон (в каком бы атоме он не был), то главные квантовые числа для него будут: N=2, L=1, M=-1, спин 1/2.
УДК 544.36.
«К вопросу об использовании термина
«константа скорости химической реакции»
Ф. М. Темирсултанова,
С. М. Карсамова,
М. М. Мадаева
Я. C . Умарова
Р. А. Джамалдиева
магистранты второго курса магистратуры по химии при кафедре «Общая химия» биолого-химического факультета ЧГУ
Статья посвящена выявлению и исправлению теоретических ошибок допускаемых, авторами различных химических изданий, при рассмотрении и применении термина « константа скорости химической реакции»
Согласно закона действия (действующих) масс - скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ. Например, если реакция протекает по схеме:
А + В k →С + D (1)
то, скорость реакции в соответствии с законом действующих масс равна:
V x. p . = k ∙ C A ∙ C B ,(2)где:
V x. p .. – скорость химической реакции, размерность которой - моль/л сек ;
K – константа скорости химической реакции при данной температуре в физико – химическом смысле, а в математическом смысле слова- коэффициент пропорциональности ;
C A и C B –молярные концентрации реагирующих веществ А и В (моль/л).
Авторы различных химических изданий, Егоров А.С. и другие, рассматривая скорость химической реакции, на примере бимолекулярных реакций (1), допускают теоретическую ошибку , говоря, что « k - константа скорости реакции, которая равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ [ A ] = [ B ] =1 моль/л », или В.Н.Алексеев, на странице 72 пишет, что приняв значения [ A ] и[ B ]равными 1 моль/л, можно считать V 1 = k 1 и делает вывод:«Следовательно, к онстантой скорости называется скорость, с которой протекает данная реакция при данных условиях, если концентрации каждого из участвующих в ней веществ равны 1моль/л (или если произведение их равно единице) цит.. Часть от целого не может быть целым (примечание авторов статьи).
Приравнивая V x. p . и k (V x. p . = k ), авторы, не учитывают размерности величин V x. p . , k и C . Следует отметить, если размерность молярных концентраций и скорости химической реакции не меняется в зависимости от молекулярности реакции, то этого нельзя сказать по отношению к размерности константы скорости химической реакции.
Константа скорости химической реакции в моно-, би- и тримолекулярных реакциях имеет различные размерности, покажем это.
Если химическая реакция мономолекулярная и может быть задана схемой:
А k →С + D (3)
скорость реакции будет равна:
V x. p . = k ∙ C A (4)
Подставив размерности V x. p . и C A в формулу (4) находим размерность k - 1/с
Когда реакция бимолекулярная (1) из равенства (2) следует, что константа скорости химической реакции будет иметь размерность .
В случае тримолекулярной реакции:
А + В +Е k → С + D (5)
Скорость химической реакции будет равна:
V x. p . = k ∙ C A ∙ C B ∙ С Е , (6)
Согласно равенства (6), размерность константы скорости химической реакции будет- л 2 /моль 2 ·с .
Эти примеры показывают нам, что нельзя приравнивать константу скорости химической реакции k к скорости химической реакции V x. p ., можно говорить только о численном равенстве этих величин, при соответствующих условиях т.е. k численно равна скорости реакции при концентрации каждого из реагирующих веществ равной 1моль/л.
Физический смысл константы скорости реакции k , вытекающий из уравнения закона действующих масс, заключается по нашему мнению, в выравнивании размерностей левой и правой частей этого уравнения или приведение размерностей произведения правой части к размерности скорости химической реакции V x. p . - моль/л сек . Из вышесказанного следует, что размерность константы скорости реакции зависит от порядка реакции . Если концентрация реагирующих веществ измерена в моль/л
Для мономолекулярной реакции, k имеет размерность с -1
Для бимолекулярной реакции, k имеет размерность л/моль·с
Для тримолекулярной реакции, k имеет размерность л 2 /моль 2 ·с
Литература
1.Егоров А.С. Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы/под редакцией А.С.Егорова.- Ростов-на-Дону: «Феникс», 2001.-172с
2.Соколовская Е.М. Общая химия/под ред. Е.М.Соколовской, Г.Д. Вовченко, Л.С.Гузея.-МГУ: изд.Мос.универ.,1980.-182с.
3.Алексеев В.Н.Курс качественного химического полумикроанализа / В.Н.Алексеев.-М.:Химия, 1973.-72 с.
Научный руководитель: И.И. Хасанов , к.х.н., доцент, заведующий кафедрой «Общая химия»
От каких факторов она зависит?Константа скорости реакции (удельная скорость реакции) - коэффициент пропорциональности в кинетическом уравнении.Физический смысл константы скорости реакции k следует из уравнения закона действующих масс: k численно равна скорости реакции при концентрации каждого из реагирующих веществ равной 1 моль/л.Константа скорости реакции зависит от температуры, от природы реагирующих веществ, от катализатора, но не зависит от их концентрации. Для реакции вида 2А+2В->3C+D скорость образования продуктов реакции и скорость расходования реагентов могут быть представлены как: d[A]/(2*dt)=d[B]/(2*dt)=d[C]/(3*dt)=d[D]/dt Таким образом, чтобы избежать использования нескольких форм записи скорости для одной и той же реакции используют химическую переменную, которая определяет степень протекания реакции и не зависит от стехиометрических коэффициентов: ξ=(Δn)/ν где ν - стехиометрический коэффициент. Тогда скорость реакции: v=(1/V)*dξ/dt где V - объем системы.
57.Как зависит скорость хим.реакции от температуры?Правило Вант-Гоффа,Уравнение Аррениуса.
Зависимость скорости реакции от температуры приближенно определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа: при изменении температуры на каждые 10 градусов скорость большинства реакций изменяется в 2-4 раза.
Математически правило Вант-Гоффа выражается так:
где v(T2) и v(T1) - скорости реакций, соответственно при температурах Т2 и T1 (T2> T1);
γ-температурный коэффициент скорости реакции.
Значение γ для эндотермической реакции выше, чем для экзотермической. Для многих реакций γ лежит в пределах 2-4.
Физический смысл величины γ заключается в том, что он показывает, во сколько раз изменяется скорость реакции при изменении температуры на каждые 10 градусов.
Поскольку скорость реакции и константа скорости химической реакции прямопропорциональны, то выражение (3.6) часто записывают в следующем виде:
где k(T2), k(T1)- константы скорости реакции соответственно
при температурах T2 и T1;
γ -температурный коэффициент скорости реакции.
Уравнение Аррениуса . В 1889 г. шведский ученый С. Арре-1иус на основании экспериментов вывел уравнение, которое на-звано его именем
где k - константа скорости реакции;
k0 - предэксноненциальный множитель;
е - основание натурального логарифма;
Ea - постоянная, называемая энергией активации, определяемая природой реагентов:
R-универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль×К.
Значения Еa для химических реакций лежат в пределах 4 - 400 кДж/моль.
Многие реакции характеризуются определенным энергети-ческим барьером. Для его преодоления необходима энергия актации - некоторая избыточная энергия (по сравнению со вредней энергией молекул при данной температуре), которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение было эффективным, т. е. привело бы к образованию нового ве-щества. С ростом температуры число активных молекул быстро увеличивается, что и приводит к резкому возрастанию скорости реакции.
В общем случае, если температура реакции изменяется от Т1 до Т2, уравнение (3.9) после логарифмирования примет вид:
.
Это уравнение позволяет рассчитывать энергию активации реакции при изменении температуры от Т1 до Т2.
Скорость химических реакций возрастает в присутствии катализатора. Действие катализатора заключается в том, что он образует с реагентами неустойчивые промежуточные соединения (активированные комплексы), распад которых приводит к. образованию продуктов реакции. При этом энергия активации, понижается, и активными становятся молекулы, энергия которых была недостаточна для осуществления реакции в отсутствие, катализатора. В результате возрастает общее число активных£ молекул и увеличивается скорость реакции.
Предмет химической кинетики.
Термодинамика учитывает только начальное и конечное состояние системы, позволяет с большой точностью предсказать принципиальную возможность протекания процесса, однако она не дает никаких сведений о механизме протекания процесса, об изменениях его во времени.
Все эти вопросы физической химии рассматриваются в разделе химической кинетики.
Раздел физической химии, посвящённый закономерностям протекания химических процессов во времени, называется химической кинетикой.
Задачи химической кинетики:
1. экспериментальное исследование скоростей реакций и их зависимость от условий протекания (концентрации реагирующих веществ, температуры, присутствия других веществ и т.д.);
2. установление механизма реакции, то есть числа элементарных стадий и состава образующихся промежуточных продуктов.
Количественное описание зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ базируется на основном постулате химической кинетики и составляет предмет формальной кинетики.
В общем виде химическую реакцию можно записывать следующим образом:
ν 1 А 1 + ν 2 А 2 +…+ ν i А i ν 1 ´А 1 ´ + ν 2 ´А 2 ´ +…+ν n ´А n ´,
где ν i и ν n ´ – стехиометрические коэффициенты исходных веществ и продуктов реакции соответственно; А i и А n ´ – исходные вещества и продукты реакции.
Скоростью химической реакции υ называется изменение количества реагирующих веществ в единицу времени в единице объёма (измеряется в моль/(л∙с)).
Так как количество реагирующих веществ изменяется во времени, то скорость реакции является функцией времени. Можно ввести понятие средней скорости реакции, рассматривающейся в определённый промежуток времени:
где n 1 и n 2 - концентрация одного из исходных веществ в начальный t 1 и конечныйt 2 момент времени.
Скорость реакции определяется по убыли количества одного из реагирующих веществ (со знаком «-») или по нарастанию количества одного из образующихся веществ (со знаком «+») в единицу времени в единице объёма.
При уменьшении часового интервала, когда, получаем выражение для истинной скорости в данный момент времени:
Если объем системы постоянен (V=const ), то можно использовать понятие концентрации:
Это уравнение рассматривают для реакций в растворах, когда изменением объёма можно пренебречь.
Химические реакции протекают, как правило, через несколько стадий. Скорость суммарной реакции определяется скоростью наиболее медленной стадии, называемой лимитирующей.
Скорость реакции зависит от многих факторов: природы и концентрации реагирующих веществ, температуры, присутствия других веществ (катализаторов, ингибиторов) и т.д.
В общем случае, согласно закону действующих масс , можно записать, что скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в некоторых степенях, равных порядку реакции по данному веществу:
| , | (1) |
где - это скорость химической реакции;
k - константа скорости химической реакции;
- концентрации реагирующих веществ;
n i – порядок реакции по данному веществу.
Выражение (1) называется основным постулатом химической кинетики. При этом ν i = n i в тех случаях, когда реакция протекает в одну стадию, а также для всех реакций, которые протекают в условиях равновесия (независимо от того, что в условиях, далёких от равновесия, они могут протекать через ряд промежуточных стадий). В большинстве случаев порядок реакции не равен стехиометрическому коэффициенту (для многостадийных реакций) и определяется экспериментально.
Коэффициент пропорциональности в основном постулате химической кинетики называется константой скорости реакции k . Физический смысл коэффициентаk можно установить, если принять концентрации реагирующих веществ равными 1, тогда константа скорости химической реакции будет равна величине скорости реакции. Константа скорости k зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации исходных веществ.
Константа скорости реакции (удельная скорость реакции ) - коэффициент пропорциональности в кинетическом уравнении .
Физический смысл константы скорости реакции k следует из уравнения закона действующих масс : k численно равна скорости реакции при концентрации каждого из реагирующих веществ равной 1 моль /л.
Константа скорости реакции зависит от температуры , от природы реагирующих веществ, от катализатора , но не зависит от их концентрации . Для реакции вида 2А+2В->3C+D скорость образования продуктов реакции и скорость расходования реагентов могут быть представлены как: d[A]/(2*dt)=d[B]/(2*dt)=d[C]/(3*dt)=d[D]/dt Таким образом, чтобы избежать использования нескольких форм записи скорости для одной и той же реакции используют химическую переменную, которая определяет степень протекания реакции и не зависит от стехиометрических коэффициентов: ξ=(Δn)/ν где ν - стехиометрический коэффициент. Тогда скорость реакции: v=(1/V)*dξ/dt где V - объем системы.
Размерность
Размерность константы скорости реакции зависит от порядка реакции. Если концентрация реагирующих веществ измерена в моль·л −1 (M):
- Для реакции первого порядка, k имеет размерность с −1
- Для реакции второго порядка, k имеет размерность л·моль −1 ·с −1 (или M −1 ·с −1)
- Для реакции третьего порядка, k имеет размерность л 2 ·моль −2 ·с −1 (или M −2 ·с −1)
См. также
Напишите отзыв о статье "Константа скорости реакции"
Примечания
Отрывок, характеризующий Константа скорости реакции
Лихачев встал, порылся в вьюках, и Петя скоро услыхал воинственный звук стали о брусок. Он влез на фуру и сел на край ее. Казак под фурой точил саблю.– А что же, спят молодцы? – сказал Петя.
– Кто спит, а кто так вот.
– Ну, а мальчик что?
– Весенний то? Он там, в сенцах, завалился. Со страху спится. Уж рад то был.
Долго после этого Петя молчал, прислушиваясь к звукам. В темноте послышались шаги и показалась черная фигура.
– Что точишь? – спросил человек, подходя к фуре.
– А вот барину наточить саблю.
– Хорошее дело, – сказал человек, который показался Пете гусаром. – У вас, что ли, чашка осталась?
– А вон у колеса.
Гусар взял чашку.
– Небось скоро свет, – проговорил он, зевая, и прошел куда то.
Петя должен бы был знать, что он в лесу, в партии Денисова, в версте от дороги, что он сидит на фуре, отбитой у французов, около которой привязаны лошади, что под ним сидит казак Лихачев и натачивает ему саблю, что большое черное пятно направо – караулка, и красное яркое пятно внизу налево – догоравший костер, что человек, приходивший за чашкой, – гусар, который хотел пить; но он ничего не знал и не хотел знать этого. Он был в волшебном царстве, в котором ничего не было похожего на действительность. Большое черное пятно, может быть, точно была караулка, а может быть, была пещера, которая вела в самую глубь земли. Красное пятно, может быть, был огонь, а может быть – глаз огромного чудовища. Может быть, он точно сидит теперь на фуре, а очень может быть, что он сидит не на фуре, а на страшно высокой башне, с которой ежели упасть, то лететь бы до земли целый день, целый месяц – все лететь и никогда не долетишь. Может быть, что под фурой сидит просто казак Лихачев, а очень может быть, что это – самый добрый, храбрый, самый чудесный, самый превосходный человек на свете, которого никто не знает. Может быть, это точно проходил гусар за водой и пошел в лощину, а может быть, он только что исчез из виду и совсем исчез, и его не было.