Тема 3. Енергетика хімічних реакцій. Хімічна кінетика. Окисно-відновні процеси

матеріал 6

Поняття енергії активації. Залежність швидкості реакції від температури. Правило Вант-Гоффа

Матеріал

Для вчителя

Для учня

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 39. Поняття енергії активації. Залежність швидкості реакції від температури. Правило Вант-Гоффа

Очікувані результати

виявляє самостійно або у співпраці з іншими невизначеність/протиріччя в інформації щодо ознак/будови/ властивостей об’єктів природи, умов виникнення, прояву і перебігу природних явищ [12 ПРО 1.1.1-1 П]
створює самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні, віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-2 П]
аналізує за наданими критеріями самостійно або у співпраці з іншими математичні/реальні/ віртуальні моделі об’єктів і явищ [12 ПРО 1.4.1-3 П]
аналізує, систематизує, оцінює самостійно або у співпраці з іншими опрацьовану інформацію [12 ПРО 2.1.1-5 П]
пов’язує самостійно або у співпраці з іншими інформацію природничого змісту, представлену в різних формах, із реальними об’єктами і явищами [12 ПРО 2.2.2-1 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими властивості об’єктів, істотні ознаки явищ і процесів, необхідні для розв’язання життєвої/навчальної проблеми [12 ПРО 3.1.1-2 П]
визначає самостійно або у співпраці з іншими ознаки класифікації об’єктів і явищ [12 ПРО 3.2.1-1 П]
інтерпретує самостійно або у співпраці з іншими наукові факти [12 ПРО 4.1.1-3 П]

Мета уроку: ознайомити учнів із поняттям енергії активації, пояснити вплив температури на швидкість хімічних реакцій, розкрити суть і математичний вираз правила Вант-Гоффа

Очікувані результати для вчительства:

учні знайомі з поняттям енергії активації,
учні пояснюють вплив температури на швидкість хімічних реакцій,
учні передбачають зміну швидкості реакції та розв’язують розрахункові задачі на застосування правила Вант-Гоффа

Очікувані результати для учнівства:

розуміють та коментують вигляд енергетичної діаграми перебігу хімічної реакції
пояснюють вплив температури на швидкість хімічної реакції
розв’язують задачі на застосування правила Вант-Гоффа

Ключові слова

енергія активація
координата реакції
правило Вант-Гоффа
температурний коефіцієнт швидкості реакції

План уроку

Мотивація (4хв.).
Вплив температури на швидкість хімічної реакції. Правило Вант-Гоффа (13 хв.).
Енергія активації (10 хв.).
Практикуємось (15 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 4 хв.

У якості демонстраційного матеріалу можна показати учням фрагмент відео про застосування термітного зварювання залізничних рейок за покликанням https://www.facebook.com/share/v/16zYkvwRWf (спільнота на Facebook «Innovation House», дата доступу 20.07.2025)

Що робити, якщо в польових умовах потрібно швидко з’єднати металеві деталі? Чудовим рішенням стане термітне зварювання. Такий спосіб з’єднання металів застосовують для ремонту залізничних колій, кабелів зв’язку або електричних дротів. За допомогою горючої порошкоподібної суміші під назвою «терміт» залізничні рейки певних розмірів зварюють одна з одною. До складу термітної суміші для зварювання металевих рейокв входять порошки алюмінію та ферум(ІІІ) оксиду. Сама суміш є безпечною та стабільною, поки її не нагріти до температури вище 1300 °С, і може зберігатися дуже довго у відповідних умовах. Але при досягненні «критичної» температури та початку реакції температура реакційного середовища може досягнути 3000 °С, і зупинити таке «горіння» уже буде дуже непросто.

Складіть рівняння реакцїї між алюмінієм та ферум(ІІІ) оксидом, якщо одним з продуктів є металічне залізо:

Чи змінюється швидкість реакції при нагріванні термітної суміші? Коротко прокоментуйте як.
Реакція є екзотермічною чи ендотермічною? Складіть відповідне термохімічне рівняння, якщо при взаємодії 1 моль алюмінію виділяється 425,75 кДж теплоти.
Чому, на вашу думку, без попереднього нагрівання реакція не розпочинається?

2. Вплив температури на швидкість хімічної реакції. Правило Вант-Гоффа.

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 13 хв.

Швидкість хімічних реакцій найчастіше швидко зростає з підвищенням температури. Так, якщо за температури 20 °С реакція утворення води з водню та кисню завершилася б за сотні мільярдів років, за 500 °С – всього за кілька десятків хвилин, а за 700 °С вона відбувається миттєво і супроводжується вибухом. Для багатьох реакцій щодо залежності швидкості реакції від температури справедливим є правило Вант-Гоффа:

Відповідно до цього правила вплив температури на швидкість реакції можна схарактеризувати за допомогою температурного коефіцієнта γ, який показує у скільки разів зросте швидкість реакції у разі підвищення температури на десять градусів:

(1) $\begin{equation*} \gamma = \frac{v_{T+10}}{v_T}\end{equation*}$

де γ – температурний коефіцієнт Вант-Гоффа,

v_T, v_T+10 – швидкості реакцій за температури Т та Т+10 відповідно.

Значення температурного коефіцієнта γ відповідно до правила Вант-Гоффа найчастіше лежить в інтервалі 2‒4, хоча відомо багато реакцій, де цей коефіцієнт менший за 2 або більший за 4.

Приклад 1. Якщо підвищити температуру реактора на 10 одиниць (°С або К), швидкість деякої реакції в ньому зростає у 3 рази. Визначте, як та у скільки разів зміниться швидкість цієї реакції, якщо підвищити температуру а) на 30 К; б) на 100 °С.

Розв’язання:

Зміна швидкості реакції при підвищенні температури на 10 К відповідно до правила Вант-Гоффа дорівнює температурному коефіцієнту:

(2) $\begin{equation*} \gamma = \frac{v_{T+10}}{v_T}\end{equation*}$

(3) $\begin{equation*} \gamma = 3\end{equation*}$

Якщо підвищити температуру на 30 К, то швидкість реакції зростатиме у 3 рази під час підвищення температури реактора на кожні 10 К. Тобто, швидкість зросте у 3∙3∙3 рази, або у 3³ рази, або у 27 разів.
- Як результат, залежність швидкості реакції від температури відповідно до правила Вант-Гоффа можна виразити рівнянням зі степеневою залежністю:

(4) $\begin{equation*} \frac{v_{T_2}}{v_{T_1}} = \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}\end{equation*}$

Тобто,

а) підвищення температури на 30 К свідчить про те що, різниця температур ∆Т=Т₂‒Т₁ дорівнює 30, а значить швидкість реакції зросте у

б) підвищення температури на 100 °С* свідчить про те що, різниця температур ∆Т=Т₂‒Т₁ дорівнює 100, а значить швидкість реакції зросте у

*Градуси за абсолютною шкалою Кельвіна та відносною шкалою Цельсія мають однакові значення, але різну початкову точку, а тому зміна температури ∆Т, виражена за будь-якою з цих шкал є однаковою.

Відповідь: а) зросте у 27 разів; б) зросте у 59049 разів.

Завдання 1. Послуговуючись підказками, розв’яжіть задачу.

При підвищенні температури на 40 К швидкість реакції збільшилася у 25 разів. Обчисліть температурний коефіцієнт швидкості реакції та визначте, у скільки разів зменшиться швидкість реакції при зниженні температури на 15 К.

Розв’язання:

Визначаємо температурний коефіцієнт швидкості реакції:

(5) $\begin{equation*} \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}} = \frac{v_{T_2}}{v_{T_1}}\end{equation*}$

(6) $\begin{equation*} \gamma^{\frac{40}{10}} = 25\end{equation*}$

(7) $\begin{equation*} \gamma^4 = 25\end{equation*}$

γ=__________________________

При зниженні температури на 15 К швидкість реакції зменшиться у¹⁰= _________________________рази

Відповідь: .

Завдання 2. Послуговуючись підказками, розв’яжіть задачу.

При 508 °С константа швидкості реакції водню з парою йоду дорівнює 0,16 (л∙с)/моль. Вихідна концентрація водню та йоду відповідно становили 0,05 М та 0,06 М. Чому дорівнювала швидкість реакції

а) на її початку;
б) у момент, коли концентрація йоду зменшиться удвічі;
в) на початку, якщо реакційне середовище охолодити до 488 °С (температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2).

Розв’язання:

Складаємо хімічне рівняння взаємодії водню з йодом_______________________________________________________
Якщо вважати, що реакція є простою, то за законом діючих мас швидкість реакції на початку становила:

(8) $\begin{equation*} v_0 = k \cdot c_0(H_2) \cdot c_0(I_2)\end{equation*}$

v₀= __________________________________моль/л∙с

У момент, коли концентрація йоду зменшиться удвічі, вона становитиме:

(9) $\begin{equation*} c_1(I_2) = \frac{c_0(I_2)}{2}\end{equation*}$

Відповідно до стехіометричних коефіцієнтів зміна концентрації водню дорівнює зміні концентрації йоду:

(10) $\begin{equation*} \Delta c(H_2) = \Delta c(I_2) =\end{equation*}$

А тому, нова концентрація водню дорівнює

(11) $\begin{equation*} c_1(H_2) = c_0(H_2) - \Delta c(H_2) =\end{equation*}$

За законом діючих мас швидкість реакції становитиме:

(12) $\begin{equation*} v_1 = k \cdot c_1(H_2) \cdot c_1(I_2)\end{equation*}$

v₁= __________________________________моль/л∙с

Якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції не змінюється зі зміною температури, то відповідно до правила Вант-Гоффа нова швидкість реакції може бути обчислена за рівнянням:

(13) $\begin{equation*} \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}} = \frac{v_{T_2}}{v_{T_1}}\end{equation*}$

(14) $\begin{equation*} v_{T_2} = v_{T_1} \cdot \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}\end{equation*}$

(15) $\begin{equation*} v_2 = v_0 \cdot 2^{\frac{488 - 508}{10}} =\end{equation*}$

З іншої сторони, зменшення температури обумовлює зменшення швидкості реакції у 2^(508-488)/10 рази, або 2² рази, або 4 рази. Тобто нова швидкість реакції дорівнює

(16) $\begin{equation*} v_2 = \frac{v_0}{4} =\end{equation*}$

Відповідь:

Слід зазначити, що правило Вант-Гоффа є наближеним, температурний коефіцієнт γ можна вважати більш-менш сталим тільки у вузькому інтервалі температури, а наведені вище розрахунки мають ілюстративний характер. Точніше залежність швидкості реакції від температури виражають за допомогою рівняння Ареніуса, з яким ми познайомимося далі.

3. Енергія активації

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 10 хв.

Які причини збільшення швидкості реакції з підвищенням температури?

На перший погляд значний вплив температури на швидкість реакцій можна пов’язати зі збільшенням числа зіткнень реагуючих частинок за одиницю часу внаслідок того, що зростає їхня середня швидкість. Однак, відповідно до молекулярно-кінетичної теорії швидкість руху частинки (молекули, атому або іону) пропорційна

Т, тобто під час нагрівання на 10 К (наприклад, від 273 К до 283 К) зростає лише в 1,02 рази, а на 100 К (наприклад, від 273 К до 373 К) – в 1,17 рази, що набагато менше за зміну швидкості реакції.

Більш того, відомо, що в газових або рідких системах уже за стандартних умов кожна молекула зазнає сотні мільйонів зіткнень за секунду. Так, у газовій суміші водню Н₂ та йоду І₂ за кімнатної температури відбувається неменше 10¹⁰ зіткнень за секунду. Якби кожне з цих зіткнень приводило до хімічної реакції, то реакція закінчувалася б менше аніж за секунду. Але за кімнатної температури вона відбувається дуже повільно. Тобто, .далеко не кожне зіткнення завершується хімічним перетворенням. Виявляється, що лише одне з 10¹³ зіткнень молекул водню Н₂ та йоду І₂ є ефективним.

Причиною того, що більшість молекул під час зіткнень не зазнає хімічних перетворень, є те, що будь-яка хімічна реакція – це процес перебудови хімічних зв’язків: одні зв’язки руйнуються, а інші утворюються. Перш ніж почнуть утворюватися нові хімічні зв’язки, мають бути ослаблені «старі» – зв’язки між атомами у складі вихідних молекул. А для цього потрібно затратити енергію. Так, у реакції водню Н₂ з йодом І₂

Н₂ + І₂ = 2НІ

під час ефективного зіткнення молекули починають подовжувати зв’язки Н‒Н та І‒І. Ці зв’язки послаблюються, а одночасно починають утворюватися нові зв’язки Н‒І:

У результаті виникає угруповання, яке називають перехідним станом. Після його утворення відбувається процес подальшої перебудови зв’язків: «старі» зв’язки у складі молекул вихідних речовин остаточно руйнуються, а «нові» зв’язки у складі продуктів – утворюються. Зміну енергії реагуючих частинок під час хімічного перетворення відображають на енергетичній діаграмі, абсцису якої називають координатою реакції:

Як ви пам’ятаєте, для екзотермічної реакції енергія продуктів реакції є меншою за енергію вихідних речовин, а для ендотермічної – навпаки, енергія продуктів реакції є більшою за енергію вихідних речовин. Однак, в обох випадках на шляху між вихідними речовинами та продуктами реакції утворюється перехідний стан, енергія якого є ще вищою.

Іншими словами, енергія активація – це найменша енергія, що потрібна для початку перебігу хімічного перетворення. Утворення перехідного стану ‒ енергетично набагато вигідніший процес, ніж повний розрив зв’язків у вихідних молекулах.

Існування такого енергетичного бар’єру пояснює, чому далеко не усі зіткнення у реакційному середовищі приводять до хімічної реакції. Зовсім невелику частку молекул, що мають енергію не меншу, ніж потрібна для утворення перехідного стану, можна назвати «активними». З підвищенням температури середня енергія молекул зростає не дуже швидко, але набагато швидше зростає частка «активних» молекул, згідно з правилом Вант-Гоффа – у 2-4 рази при підвищені температури на кожні 10 градусів.

4. Практикуємось

Дружня порада для вчителя

Тривалість: 15 хв.

Виконуємо вправи і завдання.

4.1. Якщо підвищити температуру на 20 °С, швидкість деякої реакції зростає у 4 рази. Визначте, як та у скільки разів зміниться швидкість цієї реакції, якщо

а) підвищити температуру на 10 К;
б) зменшити температури на 30 °С;
в) підвищити температуру на 25 °С.

4.2. Два реагенти змішали у стехіометричному співвідношенні. Через 10 хвилин після початку реакції, що відбувається за 120 °С, кожна з речовин прореагувала наполовину. Скільки знадобиться часу, щоб досягти такого ж самого ступеня перетворення за 80 °С та 170 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2,5?

4.3. Температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2,5. У скільки разів зменшиться швидкість реакції при зниженні температури на 25 °С? Як зміниться при цьому константа швидкості реакції?

4.4. Швидкість деякої реакції при 20 °С дорівнює 0,04 моль/(л∙с). Обчисліть та укажіть швидкість цієї реакції

Варіант 1: при 40 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3;
Варіант 2: при 10 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2;
Варіант 3: при 25 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2;
Варіант 4: при 15 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 4.

Варіант_______________

5. Рефлексія

Дружня порада для вчителя

Тривалість: до 3 хв.

Прийом має на меті повторити всі поняття і терміни, які вивчалися на уроці.

Вправа «Світлофор». Висловіться щодо степеня засвоєння матеріалу сьогоднішнього уроку:

— усе зрозуміло;
— частково;
— важко, потрібна допомога.

Закінчіть речення:

«Сьогодні я дізнався(-лася), що…»
«Найцікавішим було…»
«Я ще хочу дізнатися…»

У вільний від відпочинку час

Подумайте, чому при підвищенні температури збільшується швидкість як ендотермічної, так і екзотермічної реакції?
Швидкість деякої реакції при 20 °C дорівнює 0,5 моль/(л·с). Якою буде швидкість цієї реакції при 40 °C, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3?
Чому дорівнює температурний коефіцієнт швидкості деякої реакції, якщо при підвищенні температури на 30 °С константа швидкості реакції збільшується в 13,8 рази?
Складіть план, виконайте невелике дослідження та презентуйте його результати у формі постеру на тему «Роль температури у побутових хімічних реакціях»

Завантажити матеріал (PDF)

Урок 39. Поняття енергії активації. Залежність швидкості реакції від температури. Правило Вант-Гоффа

Робочий зошит учнівства

Очікувані результати

Мета уроку: ознайомити учнів із поняттям енергії активації, пояснити вплив температури на швидкість хімічних реакцій, розкрити суть і математичний вираз правила Вант-Гоффа

Очікувані результати для учнівства:

Я розумію та коментую вигляд енергетичної діаграми перебігу хімічної реакції.
Я пояснюю вплив температури на швидкість хімічної реакції.
Я умію розв’язувати розрахункові задачі на застосування правила Вант-Гоффа.

Ключові слова

енергія активація
координата реакції
правило Вант-Гоффа
температурний коефіцієнт швидкості реакції

План уроку

Мотивація (4хв.).
Вплив температури на швидкість хімічної реакції. Правило Вант-Гоффа (13 хв.).
Енергія активації (10 хв.).
Практикуємось (15 хв.).
Рефлексія (3 хв.).

1. Мотивація

Що робити, якщо в польових умовах потрібно швидко з’єднати металеві деталі? Чудовим рішенням стане термітне зварювання. Такий спосіб з’єднання металів застосовують для ремонту залізничних колій, кабелів зв’язку або електричних дротів. За допомогою горючої порошкоподібної суміші під назвою «терміт» залізничні рейки певних розмірів зварюють одна з одною. До складу термітної суміші для зварювання металевих рейокв входять порошки алюмінію та ферум(ІІІ) оксиду. Сама суміш є безпечною та стабільною, поки її не нагріти до температури вище 1300 °С, і може зберігатися дуже довго у відповідних умовах. Але при досягненні «критичної» температури та початку реакції температура реакційного середовища може досягнути 3000 °С, і зупинити таке «горіння» уже буде дуже непросто.

Складіть рівняння реакцїї між алюмінієм та ферум(ІІІ) оксидом, якщо одним з продуктів є металічне залізо:

Чи змінюється швидкість реакції при нагріванні термітної суміші? Коротко прокоментуйте як.
Реакція є екзотермічною чи ендотермічною? Складіть відповідне термохімічне рівняння, якщо при взаємодії 1 моль алюмінію виділяється 425,75 кДж теплоти.
Чому, на вашу думку, без попереднього нагрівання реакція не розпочинається?

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. Вплив температури на швидкість хімічної реакції. Правило Вант-Гоффа.

Швидкість хімічних реакцій найчастіше швидко зростає з підвищенням температури. Так, якщо за температури 20 °С реакція утворення води з водню та кисню завершилася б за сотні мільярдів років, за 500 °С – всього за кілька десятків хвилин, а за 700 °С вона відбувається миттєво і супроводжується вибухом. Для багатьох реакцій щодо залежності швидкості реакції від температури справедливим є правило Вант-Гоффа:

Відповідно до цього правила вплив температури на швидкість реакції можна схарактеризувати за допомогою температурного коефіцієнта γ, який показує у скільки разів зросте швидкість реакції у разі підвищення температури на десять градусів:

(17) $\begin{equation*} \gamma = \frac{v_{T+10}}{v_T}\end{equation*}$

де γ – температурний коефіцієнт Вант-Гоффа,

v_T, v_T+10 – швидкості реакцій за температури Т та Т+10 відповідно.

Значення температурного коефіцієнта γ відповідно до правила Вант-Гоффа найчастіше лежить в інтервалі 2‒4, хоча відомо багато реакцій, де цей коефіцієнт менший за 2 або більший за 4.

Приклад 1. Якщо підвищити температуру реактора на 10 одиниць (°С або К), швидкість деякої реакції в ньому зростає у 3 рази. Визначте, як та у скільки разів зміниться швидкість цієї реакції, якщо підвищити температуру а) на 30 К; б) на 100 °С.

Розв’язання:

Зміна швидкості реакції при підвищенні температури на 10 К відповідно до правила Вант-Гоффа дорівнює температурному коефіцієнту:

(18) $\begin{equation*} \gamma = \frac{v_{T+10}}{v_T}\end{equation*}$

(19) $\begin{equation*} \gamma = 3\end{equation*}$

Якщо підвищити температуру на 30 К, то швидкість реакції зростатиме у 3 рази під час підвищення температури реактора на кожні 10 К. Тобто, швидкість зросте у 3∙3∙3 рази, або у 3³ рази, або у 27 разів.
- Як результат, залежність швидкості реакції від температури відповідно до правила Вант-Гоффа можна виразити рівнянням зі степеневою залежністю:

(20) $\begin{equation*} \frac{v_{T_2}}{v_{T_1}} = \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}\end{equation*}$

Тобто,

а) підвищення температури на 30 К свідчить про те що, різниця температур ∆Т=Т₂‒Т₁ дорівнює 30, а значить швидкість реакції зросте у

б) підвищення температури на 100 °С* свідчить про те що, різниця температур ∆Т=Т₂‒Т₁ дорівнює 100, а значить швидкість реакції зросте у

*Градуси за абсолютною шкалою Кельвіна та відносною шкалою Цельсія мають однакові значення, але різну початкову точку, а тому зміна температури ∆Т, виражена за будь-якою з цих шкал є однаковою.

Відповідь: а) зросте у 27 разів; б) зросте у 59049 разів.

Завдання 1. Послуговуючись підказками, розв’яжіть задачу.

При підвищенні температури на 40 К швидкість реакції збільшилася у 25 разів. Обчисліть температурний коефіцієнт швидкості реакції та визначте, у скільки разів зменшиться швидкість реакції при зниженні температури на 15 К.

Розв’язання:

Визначаємо температурний коефіцієнт швидкості реакції:

(21) $\begin{equation*} \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}} = \frac{v_{T_2}}{v_{T_1}}\end{equation*}$

(22) $\begin{equation*} \gamma^{\frac{40}{10}} = 25\end{equation*}$

(23) $\begin{equation*} \gamma^4 = 25\end{equation*}$

γ=__________________________

При зниженні температури на 15 К швидкість реакції зменшиться у¹⁰= _________________________рази

Відповідь: .

Завдання 2. Послуговуючись підказками, розв’яжіть задачу.

При 508 °С константа швидкості реакції водню з парою йоду дорівнює 0,16 (л∙с)/моль. Вихідна концентрація водню та йоду відповідно становили 0,05 М та 0,06 М. Чому дорівнювала швидкість реакції

а) на її початку;
б) у момент, коли концентрація йоду зменшиться удвічі;
в) на початку, якщо реакційне середовище охолодити до 488 °С (температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2).

Розв’язання:

Складаємо хімічне рівняння взаємодії водню з йодом_______________________________________________________
Якщо вважати, що реакція є простою, то за законом діючих мас швидкість реакції на початку становила:

(24) $\begin{equation*} v_0 = k \cdot c_0(H_2) \cdot c_0(I_2)\end{equation*}$

v₀= __________________________________моль/л∙с

У момент, коли концентрація йоду зменшиться удвічі, вона становитиме:

(25) $\begin{equation*} c_1(I_2) = \frac{c_0(I_2)}{2}\end{equation*}$

Відповідно до стехіометричних коефіцієнтів зміна концентрації водню дорівнює зміні концентрації йоду:

(26) $\begin{equation*} \Delta c(H_2) = \Delta c(I_2) =\end{equation*}$

А тому, нова концентрація водню дорівнює

(27) $\begin{equation*} c_1(H_2) = c_0(H_2) - \Delta c(H_2) =\end{equation*}$

За законом діючих мас швидкість реакції становитиме:

(28) $\begin{equation*} v_1 = k \cdot c_1(H_2) \cdot c_1(I_2)\end{equation*}$

v₁= __________________________________моль/л∙с

Якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції не змінюється зі зміною температури, то відповідно до правила Вант-Гоффа нова швидкість реакції може бути обчислена за рівнянням:

(29) $\begin{equation*} \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}} = \frac{v_{T_2}}{v_{T_1}}\end{equation*}$

(30) $\begin{equation*} v_{T_2} = v_{T_1} \cdot \gamma^{\frac{T_2 - T_1}{10}}\end{equation*}$

(31) $\begin{equation*} v_2 = v_0 \cdot 2^{\frac{488 - 508}{10}} =\end{equation*}$

З іншої сторони, зменшення температури обумовлює зменшення швидкості реакції у 2^(508-488)/10 рази, або 2² рази, або 4 рази. Тобто нова швидкість реакції дорівнює

(32) $\begin{equation*} v_2 = \frac{v_0}{4} =\end{equation*}$

Відповідь:

Слід зазначити, що правило Вант-Гоффа є наближеним, температурний коефіцієнт γ можна вважати більш-менш сталим тільки у вузькому інтервалі температури, а наведені вище розрахунки мають ілюстративний характер. Точніше залежність швидкості реакції від температури виражають за допомогою рівняння Ареніуса, з яким ми познайомимося далі.

3. Енергія активації

Які причини збільшення швидкості реакції з підвищенням температури?

На перший погляд значний вплив температури на швидкість реакцій можна пов’язати зі збільшенням числа зіткнень реагуючих частинок за одиницю часу внаслідок того, що зростає їхня середня швидкість. Однак, відповідно до молекулярно-кінетичної теорії швидкість руху частинки (молекули, атому або іону) пропорційна

Т, тобто під час нагрівання на 10 К (наприклад, від 273 К до 283 К) зростає лише в 1,02 рази, а на 100 К (наприклад, від 273 К до 373 К) – в 1,17 рази, що набагато менше за зміну швидкості реакції.

Більш того, відомо, що в газових або рідких системах уже за стандартних умов кожна молекула зазнає сотні мільйонів зіткнень за секунду. Так, у газовій суміші водню Н₂ та йоду І₂ за кімнатної температури відбувається неменше 10¹⁰ зіткнень за секунду. Якби кожне з цих зіткнень приводило до хімічної реакції, то реакція закінчувалася б менше аніж за секунду. Але за кімнатної температури вона відбувається дуже повільно. Тобто, .далеко не кожне зіткнення завершується хімічним перетворенням. Виявляється, що лише одне з 10¹³ зіткнень молекул водню Н₂ та йоду І₂ є ефективним.

Причиною того, що більшість молекул під час зіткнень не зазнає хімічних перетворень, є те, що будь-яка хімічна реакція – це процес перебудови хімічних зв’язків: одні зв’язки руйнуються, а інші утворюються. Перш ніж почнуть утворюватися нові хімічні зв’язки, мають бути ослаблені «старі» – зв’язки між атомами у складі вихідних молекул. А для цього потрібно затратити енергію. Так, у реакції водню Н₂ з йодом І₂

Н₂ + І₂ = 2НІ

під час ефективного зіткнення молекули починають подовжувати зв’язки Н‒Н та І‒І. Ці зв’язки послаблюються, а одночасно починають утворюватися нові зв’язки Н‒І:

У результаті виникає угруповання, яке називають перехідним станом. Після його утворення відбувається процес подальшої перебудови зв’язків: «старі» зв’язки у складі молекул вихідних речовин остаточно руйнуються, а «нові» зв’язки у складі продуктів – утворюються. Зміну енергії реагуючих частинок під час хімічного перетворення відображають на енергетичній діаграмі, абсцису якої називають координатою реакції:

Як ви пам’ятаєте, для екзотермічної реакції енергія продуктів реакції є меншою за енергію вихідних речовин, а для ендотермічної – навпаки, енергія продуктів реакції є більшою за енергію вихідних речовин. Однак, в обох випадках на шляху між вихідними речовинами та продуктами реакції утворюється перехідний стан, енергія якого є ще вищою.

Іншими словами, енергія активація – це найменша енергія, що потрібна для початку перебігу хімічного перетворення. Утворення перехідного стану ‒ енергетично набагато вигідніший процес, ніж повний розрив зв’язків у вихідних молекулах.

Існування такого енергетичного бар’єру пояснює, чому далеко не усі зіткнення у реакційному середовищі приводять до хімічної реакції. Зовсім невелику частку молекул, що мають енергію не меншу, ніж потрібна для утворення перехідного стану, можна назвати «активними». З підвищенням температури середня енергія молекул зростає не дуже швидко, але набагато швидше зростає частка «активних» молекул, згідно з правилом Вант-Гоффа – у 2-4 рази при підвищені температури на кожні 10 градусів.

4. Практикуємось

4.1. Якщо підвищити температуру на 20 °С, швидкість деякої реакції зростає у 4 рази. Визначте, як та у скільки разів зміниться швидкість цієї реакції, якщо

а) підвищити температуру на 10 К;
б) зменшити температури на 30 °С;
в) підвищити температуру на 25 °С.

4.2. Два реагенти змішали у стехіометричному співвідношенні. Через 10 хвилин після початку реакції, що відбувається за 120 °С, кожна з речовин прореагувала наполовину. Скільки знадобиться часу, щоб досягти такого ж самого ступеня перетворення за 80 °С та 170 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2,5?

4.3. Температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2,5. У скільки разів зменшиться швидкість реакції при зниженні температури на 25 °С? Як зміниться при цьому константа швидкості реакції?

4.4. Швидкість деякої реакції при 20 °С дорівнює 0,04 моль/(л∙с). Обчисліть та укажіть швидкість цієї реакції

Варіант 1: при 40 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3;
Варіант 2: при 10 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2;
Варіант 3: при 25 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2;
Варіант 4: при 15 °С, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 4.

Варіант_______________

5. Рефлексія

Вправа «Світлофор». Висловіться щодо степеня засвоєння матеріалу сьогоднішнього уроку:

— усе зрозуміло;
— частково;
— важко, потрібна допомога.

Закінчіть речення:

«Сьогодні я дізнався(-лася), що…»
«Найцікавішим було…»
«Я ще хочу дізнатися…»

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

У вільний від відпочинку час

Подумайте, чому при підвищенні температури збільшується швидкість як ендотермічної, так і екзотермічної реакції?
Швидкість деякої реакції при 20 °C дорівнює 0,5 моль/(л·с). Якою буде швидкість цієї реакції при 40 °C, якщо температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3?
Чому дорівнює температурний коефіцієнт швидкості деякої реакції, якщо при підвищенні температури на 30 °С константа швидкості реакції збільшується в 13,8 рази?
Складіть план, виконайте невелике дослідження та презентуйте його результати у формі постеру на тему «Роль температури у побутових хімічних реакціях»

Завантажити матеріал (PDF)

Ділись та обговорюй важливе