Zmiana stężenia reagentów. Szybkość reakcji, jej zależność od różnych czynników

Niektóre reakcje chemiczne zachodzą niemal natychmiastowo (wybuch mieszaniny tlen-wodór, reakcje wymiany jonowej w roztworze wodnym), drugie - gwałtownie (spalanie substancji, oddziaływanie cynku z kwasem), a jeszcze inne - powoli (rdzewienie żelaza, rozpad pozostałości organicznych). Takie powolne reakcje są znane, że człowiek po prostu nie może ich zauważyć. Na przykład przemiana granitu w piasek i glinę zachodzi na przestrzeni tysięcy lat.

Innymi słowy, reakcje chemiczne mogą przebiegać na różne sposoby. prędkość.

Ale co to jest szybkość reakcji? Jaka jest dokładna definicja tej wielkości i, co najważniejsze, jej matematyczny wyraz?

Szybkość reakcji nazywana jest zmianą ilości substancji na jednostkę czasu w jednej jednostce objętości. Matematycznie wyrażenie to jest zapisane jako:

Gdzie n 1 in 2 Jest ilością substancji (mol) w czasie odpowiednio t 1 i t 2 w układzie objętości V.

To, który znak plus lub minus (±) pojawi się przed wyrażeniem szybkości, zależy od tego, czy patrzymy na zmianę ilości substancji, na którą patrzymy - produktu czy odczynnika.

Oczywiście podczas reakcji następuje zużycie odczynników, to znaczy ich ilość maleje, dlatego dla odczynników wyrażenie (n 2 - n 1) zawsze ma wartość mniejszą od zera. Ponieważ prędkość nie może być ujemna, w tym przypadku przed wyrażeniem należy umieścić znak minus.

Jeśli spojrzymy na zmianę ilości produktu, a nie odczynnika, to znak minus nie jest wymagany przed wyrażeniem do obliczenia prędkości, ponieważ wyrażenie (n 2 - n 1) w tym przypadku jest zawsze dodatnie, ponieważ ilość produktu w wyniku reakcji może tylko wzrosnąć.

Stosunek ilości substancji n objętość, w której znajduje się ta ilość substancji, nazywana jest stężeniem molowym Z:

Tak więc, korzystając z pojęcia stężenia molowego i jego wyrażenia matematycznego, można napisać inną wersję określania szybkości reakcji:

Szybkość reakcji to zmiana stężenia molowego substancji w wyniku reakcji chemicznej w jednej jednostce czasu:

Czynniki wpływające na szybkość reakcji

Często niezwykle ważne jest, aby wiedzieć, od czego zależy szybkość danej reakcji i jak na nią wpływać. Na przykład branża rafineryjna dosłownie bije o każde dodatkowe pół procent produktu na jednostkę czasu. Rzeczywiście, biorąc pod uwagę ogromną ilość rafinowanej ropy, nawet pół procenta przekłada się na duży roczny zysk finansowy. W niektórych przypadkach niezwykle ważne jest spowolnienie jakiejkolwiek reakcji, w szczególności korozji metali.

Więc od czego zależy szybkość reakcji? Co dziwne, zależy to od wielu różnych parametrów.

Aby zrozumieć tę kwestię, przede wszystkim wyobraźmy sobie, co dzieje się w wyniku reakcji chemicznej, na przykład:

Powyższe równanie odzwierciedla proces, w którym zderzając się ze sobą cząsteczki substancji A i B tworzą cząsteczki substancji C i D.

Oznacza to, że niewątpliwie, aby reakcja przebiegła, konieczne jest przynajmniej zderzenie cząsteczek substancji wyjściowych. Oczywiście, jeśli zwiększymy liczbę cząsteczek na jednostkę objętości, liczba zderzeń wzrośnie w ten sam sposób, w jaki zwiększa się częstotliwość twoich zderzeń z pasażerami zatłoczonego autobusu w porównaniu z w połowie pustym autobusem.

Innymi słowy, szybkość reakcji rośnie wraz ze wzrostem stężenia reagentów.

W przypadku, gdy jeden z reagentów lub kilka na raz jest gazami, szybkość reakcji rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia, ponieważ ciśnienie gazu jest zawsze wprost proporcjonalne do stężenia cząsteczek składowych.

Niemniej jednak zderzenie cząstek jest warunkiem koniecznym, ale wcale nie wystarczającym dla reakcji. Faktem jest, że według obliczeń liczba zderzeń cząsteczek reagujących substancji przy ich rozsądnym stężeniu jest tak duża, że \u200b\u200bwszystkie reakcje powinny zajść w jednej chwili. Jednak w praktyce tak się nie dzieje. O co chodzi?

Chodzi o to, że nie każde zderzenie cząsteczek reagentów będzie koniecznie skuteczne. Wiele zderzeń jest elastycznych - cząsteczki odbijają się od siebie jak piłki. Aby reakcja przebiegła, cząsteczki muszą mieć wystarczającą energię kinetyczną. Minimalna energia, jaką muszą posiadać cząsteczki reagujących substancji, aby reakcja przebiegła, nazywana jest energią aktywacji i jest oznaczana jako E a. W systemie składającym się z dużej liczby cząsteczek występuje rozkład energii cząsteczek, niektóre z nich mają niską energię, niektóre mają wysoką i średnią energię. Ze wszystkich tych cząsteczek tylko niewielka część ma energię przewyższającą energię aktywacji.

Jak wiadomo z fizyki, temperatura jest właściwie miarą energii kinetycznej cząstek, z których składa się substancja. Oznacza to, że im szybciej poruszają się cząsteczki tworzące substancję, tym wyższa jest jej temperatura. Stąd, oczywiście, podwyższając temperaturę, zasadniczo zwiększamy energię kinetyczną cząsteczek, w wyniku czego wzrasta udział cząsteczek o energii przekraczającej E a, a ich zderzenie doprowadzi do reakcji chemicznej.

Fakt pozytywnego wpływu temperatury na szybkość reakcji został empirycznie ustalony przez holenderskiego chemika Van't Hoffa w XIX wieku. Na podstawie swoich badań sformułował regułę, która nadal nosi jego imię i brzmi tak:

Szybkość każdej reakcji chemicznej wzrasta 2-4 razy, gdy temperatura wzrasta o 10 stopni.

Matematyczna reprezentacja tej reguły jest zapisana jako:

gdzie V 2 i V 1 Jest prędkością w temperaturze odpowiednio t 2 it 1, a γ jest współczynnik temperatury reakcja, której wartość najczęściej mieści się w przedziale od 2 do 4.

Często szybkość wielu reakcji można zwiększyć, używając katalizatory.

Katalizatory to substancje, które przyspieszają przebieg dowolnej reakcji i nie są jednocześnie zużywane.

Ale w jaki sposób katalizatory zwiększają szybkość reakcji?

Przypomnijmy sobie energię aktywacji E a. Cząsteczki o energii niższej niż energia aktywacji przy braku katalizatora nie mogą ze sobą oddziaływać. Katalizatory zmieniają ścieżkę, po której przebiega reakcja, tak jak doświadczony przewodnik opłaca trasę wyprawy nie bezpośrednio przez górę, ale za pomocą ścieżek obejściowych, w wyniku czego nawet te satelity, które nie miały dość energii na wejście na górę, mogą przenieść się na inne jej strona.

Pomimo tego, że katalizator nie jest zużywany podczas reakcji, bierze w niej aktywny udział, tworząc związki pośrednie z reagentami, ale pod koniec reakcji powraca do swojego pierwotnego stanu.

Oprócz powyższych czynników wpływających na szybkość reakcji, jeśli istnieje granica między reagentami (reakcja heterogeniczna), szybkość reakcji będzie również zależeć od powierzchni kontaktu reagentów. Na przykład wyobraź sobie granulkę metalicznego glinu wrzuconą do probówki zawierającej wodny roztwór kwasu solnego. Glin jest aktywnym metalem, który może reagować z kwasami jako nieutleniacze. W przypadku kwasu solnego równanie reakcji jest następujące:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

Glin jest ciałem stałym, co oznacza, że \u200b\u200breakcja z kwasem solnym zachodzi tylko na jego powierzchni. Oczywiście, jeśli zwiększymy powierzchnię, najpierw zwijając granulat aluminiowy w folię, w ten sposób dostarczamy większą liczbę atomów glinu dostępnych do reakcji z kwasem. W rezultacie szybkość reakcji wzrośnie. Podobnie, zwiększenie powierzchni ciała stałego można osiągnąć przez zmielenie go na proszek.

Również na szybkość heterogenicznej reakcji, w której ciało stałe reaguje z substancją gazową lub ciekłą, często wpływa pozytywnie mieszanie, co wynika z faktu, że w wyniku mieszania zbierające się cząsteczki produktów reakcji są usuwane ze strefy reakcji i „wprowadzana” jest nowa porcja cząsteczek odczynnika.

Ci ostatni powinni również zwrócić uwagę na ogromny wpływ na szybkość reakcji i charakter odczynników. Na przykład im niższy metal alkaliczny znajduje się w układzie okresowym, tym szybciej reaguje z wodą, fluor spośród wszystkich halogenów reaguje najszybciej z gazowym wodorem itp.

Podsumowując wszystkie powyższe, szybkość reakcji zależy od następujących czynników:

1) stężenie odczynników: im wyższe, tym większa szybkość reakcji.

2) temperatura: wraz ze wzrostem temperatury szybkość każdej reakcji wzrasta.

3) powierzchnia kontaktu reagentów: im większa powierzchnia kontaktu reagentów, tym wyższa szybkość reakcji.

4) mieszanie, jeśli reakcja zachodzi między ciałem stałym a cieczą lub gazem, mieszanie może ją przyspieszyć.

Systemy. Ale ta wartość nie odzwierciedla rzeczywistej możliwości reakcji, jej prędkość i mechanizm.

Aby uzyskać pełnoprawną reprezentację reakcji chemicznej, trzeba mieć wiedzę o tym, jakie wzorce czasowe istnieją podczas jej realizacji, tj. szybkość reakcji chemicznej i jego szczegółowy mechanizm. Badania szybkości i mechanizmu reakcji kinetyka chemiczna - nauka o procesie chemicznym.

Pod względem kinetyki chemicznej reakcje można sklasyfikować na proste i złożone.

Proste reakcje - procesy przebiegające bez tworzenia związków pośrednich. Według liczby uczestniczących w nim cząstek są one podzielone przez monomolekularny, dwucząsteczkowy, trójcząsteczkowy. Zderzenie więcej niż 3 liczb cząstek jest mało prawdopodobne, dlatego reakcje trójcząsteczkowe są dość rzadkie, a czterocząsteczkowe nieznane. Złożone reakcje - procesy składające się z kilku elementarnych reakcji.

Każdy proces przebiega z właściwą sobie szybkością, która może być określona przez zmiany zachodzące w pewnym okresie czasu. Średni szybkość reakcji chemicznejwyrażona zmianą ilości substancji n zużyta lub otrzymana substancja w jednostce objętości V na jednostkę czasu t.

υ = ± dn/ dt· V

Jeśli substancja jest zużyta, to stawiamy znak „-”, jeśli gromadzi się - „+”

Przy stałej objętości:

υ = ± dC/ dt,

Jednostką miary szybkości reakcji jest mol / ls

Ogólnie υ jest wartością stałą i nie zależy od tego, jaka substancja bierze udział w obserwowanej reakcji.

Zależność stężenia odczynnika lub produktu od czasu reakcji przedstawiono jako krzywa kinetycznaktóry wygląda następująco:

Wygodniej jest obliczyć υ na podstawie danych eksperymentalnych, jeśli powyższe wyrażenia zostaną przekształcone w następujące wyrażenie:

Prawo działających mas. Kolejność i stała szybkości reakcji

Jedno ze sformułowań prawo akcji masowej brzmi tak: Szybkość elementarnej jednorodnej reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń odczynników.

Jeżeli badany proces ma postać:

a A + b B \u003d produkty

wtedy można wyrazić szybkość reakcji chemicznej równanie kinetyczne:

υ \u003d k · [A] a · [B] b lub

υ \u003d k C a A C b B

Tutaj [ ZA] i [b] (C A iC B) to stężenie odczynników,

i ib - współczynniki stechiometryczne prostej reakcji,

k Czy szybkość reakcji jest stała.

Znaczenie chemiczne ilości k - to jest szybkość reakcji w pojedynczych stężeniach. Oznacza to, że jeśli stężenia substancji A i B są równe 1, to υ = k.

Należy pamiętać, że w złożonych procesach chemicznych współczynniki i ib nie pokrywają się ze stechiometrycznymi.

Prawo dotyczące działań zbiorowych jest spełnione pod kilkoma warunkami:

• Reakcja jest aktywowana termicznie, tj. energia ruchu termicznego.
• Stężenie odczynników jest równomiernie rozłożone.
• Właściwości i warunki otoczenia nie zmieniają się podczas procesu.
• Właściwości środowiska nie powinny wpływać k.

Do złożonych procesów prawo akcji masowej nie można zastosować. Można to wytłumaczyć faktem, że złożony proces składa się z kilku elementarnych etapów, a jego szybkość nie będzie określona przez całkowitą prędkość wszystkich etapów, tylko przez jeden najwolniejszy etap, który nazywa się ograniczające.

Każda reakcja ma swoją własną zamówienie... Definiować zamówienie prywatne (częściowe) przez odczynnik i zamówienie ogólne (kompletne)... Na przykład, wyrażając szybkość reakcji chemicznej w procesie

a A + b B \u003d produkty

υ = k·[ ZA] za·[ b] b

za - zamówienie według odczynnika I

b — kolejność odczynników W

Porządek ogólny za + b = n

Dla proste procesy kolejność reakcji wskazuje liczbę reagujących cząstek (pokrywa się ze współczynnikami stechiometrycznymi) i przyjmuje wartości całkowite. Dla złożone procesy kolejność reakcji nie pokrywa się ze współczynnikami stechiometrycznymi i może być dowolna.

Zdefiniujmy czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej υ.

1. Zależność szybkości reakcji od stężenia reagentów

   określa prawo akcji masowej: υ = k[ ZA] za·[ b] b

Oczywiście wraz ze wzrostem stężenia reagentów υ wzrasta, ponieważ liczba zderzeń między substancjami biorącymi udział w procesie chemicznym wzrasta. Ponadto ważne jest, aby wziąć pod uwagę kolejność reakcji: jeśli tak jest n \u003d 1 dla jakiegoś odczynnika jego prędkość jest wprost proporcjonalna do stężenia tej substancji. Jeśli dla dowolnego odczynnika n \u003d 2, wówczas podwojenie jego stężenia doprowadzi do wzrostu szybkości reakcji 2 2 \u003d 4 razy, a 3-krotne zwiększenie stężenia przyspieszy reakcję 3 2 \u003d 9 razy.

W życiu mamy do czynienia z różnymi reakcjami chemicznymi. Niektóre z nich, jak rdzewienie żelaza, mogą trwać kilka lat. Inne, takie jak fermentacja cukru w \u200b\u200balkohol, trwa kilka tygodni. Drewno w piecu wypala się w ciągu kilku godzin, a benzyna w silniku w ułamku sekundy.

Aby obniżyć koszty wyposażenia, zakłady chemiczne zwiększają szybkość reakcji. A niektóre procesy, na przykład uszkodzenia produkty żywieniowe, korozja metali - trzeba zwolnić.

Szybkość reakcji chemicznej można wyrazić jako zmiana ilości substancji (n, modulo) w jednostce czasu (t) - porównaj prędkość poruszającego się ciała w fizyce jako zmianę współrzędnych na jednostkę czasu: υ \u003d Δx / Δt. Aby prędkość nie była zależna od objętości naczynia, w którym zachodzi reakcja, dzielimy wyrażenie przez objętość reagujących substancji (v), czyli otrzymujemyzmiana ilości substancji w jednostce czasu na jednostkę objętości lub zmiana stężenia jednej z substancji w jednostce czasu:

n 2 - n 1 Δn
υ = –––––––––– = –––––––– \u003d Δс / Δt (1)
(t 2 - t 1) v Δt v

gdzie c \u003d n / v jest stężeniem substancji,

Δ (czytaj „delta”) jest ogólnie przyjętym oznaczeniem zmiany wartości.

Jeśli substancje mają różne współczynniki w równaniu, szybkość reakcji dla każdej z nich, obliczona za pomocą tego wzoru, będzie inna. Na przykład 2 mole dwutlenku siarki przereagowały całkowicie z 1 molem tlenu w ciągu 10 sekund w 1 litrze:

2SO 2 + O 2 \u003d 2SO 3

Stawka tlenu będzie wynosić: υ \u003d 1: (10 1) \u003d 0,1 mol / l s

Prędkość gazu siarkowego: υ \u003d 2: (10 1) \u003d 0,2 mol / l s - tego nie trzeba zapamiętywać i mówić na egzaminie, podano przykład, aby nie pomylić się, jeśli pojawi się to pytanie.

Szybkość reakcji heterogenicznych (z udziałem ciał stałych) jest często wyrażana na jednostkę powierzchni stykających się powierzchni:

Δn
υ \u003d –––––– (2)
Δt S

Reakcje nazywane są heterogenicznymi, gdy substancje reagujące znajdują się w różnych fazach:

• ciało stałe z innym ciałem stałym, cieczą lub gazem,
• dwie niemieszalne ciecze,
• ciecz z gazem.

Jednorodne reakcje zachodzą między substancjami w jednej fazie:

• między dobrze mieszającymi się cieczami,
• gazy
• substancje w roztworach.

Warunki wpływające na szybkość reakcji chemicznych

1) Szybkość reakcji zależy od charakter reagentów... Mówiąc najprościej, różne substancje reagują z różną szybkością. Na przykład cynk reaguje gwałtownie z kwasem solnym i żelazem dość wolno.

2) Szybkość reakcji jest tym większa, im wyższa stężenie Substancje. W przypadku silnie rozcieńczonego kwasu cynk będzie reagował znacznie dłużej.

3) Szybkość reakcji znacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatura... Na przykład, aby spalić paliwo, należy je zapalić, czyli podnieść temperaturę. W przypadku wielu reakcji wzrostowi temperatury o 10 ° C towarzyszy 2-4-krotny wzrost szybkości.

4) Prędkość heterogeniczny reakcje nasilają się wraz ze wzrostem powierzchnie reagentów... W tym celu zwykle mielone są ciała stałe. Na przykład, aby proszki żelaza i siarki reagowały po podgrzaniu, żelazo musi mieć postać drobnych trocin.

Należy pamiętać, że w tym przypadku zakłada się wzór (1)! Wzór (2) wyraża prędkość na jednostkę powierzchni, dlatego nie może zależeć od powierzchni.

5) Szybkość reakcji zależy od obecności katalizatorów lub inhibitorów.

Katalizatory - substancje, które przyspieszają reakcje chemiczne, ale same się nie zużywają. Przykładem jest gwałtowny rozkład nadtlenku wodoru z dodatkiem katalizatora - tlenku manganu (IV):

2H 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2

Tlenek manganu (IV) pozostaje na dnie i może być ponownie użyty.

Inhibitory - substancje spowalniające reakcję. Na przykład inhibitory korozji są dodawane do systemu ogrzewania ciepłej wody, aby przedłużyć żywotność rur i grzejników. W samochodach inhibitory korozji są dodawane do hamulców i płynu chłodzącego.

Jeszcze kilka przykładów.

Badane podstawowe pojęcia:

Prędkość reakcje chemiczne

Stężenie molowe

Kinetyka

Reakcje jednorodne i niejednorodne

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych

Katalizator, inhibitor

Kataliza

Reakcje odwracalne i nieodwracalne

Równowaga chemiczna

Reakcje chemiczne to reakcje, w wyniku których niektóre substancje powodują powstanie innych (nowe substancje powstają z substancji oryginalnych). Niektóre reakcje chemiczne zachodzą w ułamku sekundy (eksplozja), inne - w minutach, dniach, latach, dekadach itp.

Na przykład: natychmiast z zapłonem i eksplozją następuje reakcja spalania prochu, a reakcja ciemnienia srebra lub rdzewienia żelaza (korozja) przebiega tak wolno, że jej skutki można prześledzić dopiero po długim czasie.

Aby scharakteryzować szybkość reakcji chemicznej, stosuje się pojęcie szybkości reakcji chemicznej - υ.

Szybkość reakcji chemicznej Jest to zmiana stężenia jednej z reagujących substancji w reakcji w jednostce czasu.

Wzór na obliczenie szybkości reakcji chemicznej:

υ =	od 2 - od 1	=	∆ z
t 2 - t 1	∆ t

с 1 - stężenie molowe substancji w początkowym momencie t 1

с 2 - stężenie molowe substancji w początkowym momencie czasu t 2

ponieważ szybkość reakcji chemicznej charakteryzuje się zmianą stężenia molowego reagujących substancji (materiałów wyjściowych), a następnie t 2\u003e t 1, ic 2\u003e c 1 (stężenie substancji wyjściowych zmniejsza się wraz z postępem reakcji).

Stężenie (a) molowe To ilość substancji na jednostkę objętości. Jednostką miary stężenia molowego jest [mol / l].

Nazywa się gałąź chemii, która bada szybkość reakcji chemicznych kinetyka chemiczna... Znając jego prawa, człowiek może kontrolować procesy chemiczne, ustaw im określoną prędkość.

Przy obliczaniu szybkości reakcji chemicznej należy pamiętać, że reakcje dzieli się na jednorodne i niejednorodne.

Reakcje jednorodne- reakcje, które zachodzą w tym samym środowisku (tj. reagenty są w tym samym stanie agregacji; na przykład: gaz + gaz, ciecz + ciecz).

Reakcje heterogeniczne - są to reakcje, które zachodzą między substancjami w niejednorodnym ośrodku (istnieje interfejs między fazami, czyli reagujące substancje są w innym stanie skupienia; na przykład: gaz + ciecz, ciecz + ciało stałe).

Powyższy wzór na obliczenie szybkości reakcji chemicznej obowiązuje tylko dla reakcji jednorodnych. Jeśli reakcja jest niejednorodna, może przebiegać tylko na powierzchni sekcji reagentów.

W przypadku reakcji heterogenicznej szybkość oblicza się według wzoru:

∆ν - zmiana ilości substancji

S - obszar interfejsu

∆ t to przedział czasu, w którym zachodziła reakcja

Szybkość reakcji chemicznych zależy od różnych czynników: charakteru reagujących substancji, stężenia substancji, temperatury, katalizatorów lub inhibitorów.

Zależność szybkości reakcji od rodzaju reagujących substancji.

Przeanalizujmy tę zależność szybkości reakcji na przykład: do dwóch probówek, w których znajduje się taka sama ilość roztworu kwasu solnego (HCl), włożyć granulki metalu o tej samej powierzchni: w pierwszej probówce granulat żelaza (Fe), aw drugiej granulat magnezu (Mg). W wyniku obserwacji, zgodnie z szybkością uwalniania wodoru (Н 2), można zauważyć, że magnez reaguje z największą szybkością z kwasem solnym niż żelazo... Na szybkość danej reakcji chemicznej ma wpływ rodzaj metalu (tj. Magnez jest metalem bardziej reaktywnym niż żelazo i dlatego silniej reaguje z kwasem).

Zależność szybkości reakcji chemicznych od stężenia reagujących substancji.

Im wyższe stężenie reagującej (wyjściowej) substancji, tym szybciej przebiega reakcja. I odwrotnie, im niższe stężenie reagenta, tym wolniejsza reakcja.

Na przykład: do jednej probówki wlej stężony roztwór kwasu solnego (HCl), a do drugiej rozcieńczony roztwór kwasu solnego. Umieść granulat cynku (Zn) w obu probówkach. Zauważmy, zgodnie z szybkością wydzielania się wodoru, że w pierwszej probówce reakcja będzie przebiegać szybciej, ponieważ stężenie w nim kwasu solnego jest wyższe niż w drugiej probówce.

Aby określić zależność od szybkości reakcji chemicznej, użyj prawo działania mas (działających) : szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów, przyjmowanych w potęgach równych ich współczynnikom.

Np. Dla reakcji przebiegającej zgodnie ze schematem: nA + mB → D, szybkość reakcji chemicznej określa wzór:

υ ch.r. \u003d k C (A) n C (B) m, gdzie

υ x.p - szybkość reakcji chemicznej

C (A) - I

C (B) - stężenie molowe substancji W

n i m - ich współczynniki

k - stała szybkości reakcji chemicznej (wartość odniesienia).

Prawo działania mas nie dotyczy substancji w stanie stałym, ponieważ ich stężenie jest stałe (ze względu na to, że reagują tylko na powierzchni, która pozostaje niezmieniona).

Na przykład: do reakcji 2 Cu + O 2 \u003d 2CuO szybkość reakcji określa wzór:

υ ch.r. \u003d k C (O 2)

PROBLEM: Stała szybkości reakcji 2A + B \u003d D wynosi 0,005. obliczyć szybkość reakcji przy stężeniu molowym substancji A \u003d 0,6 mol / l, substancji B \u003d 0,8 mol / l.

Zależność szybkości reakcji chemicznej od temperatury.

Ta zależność jest określona zasada Van't-Hoffa (1884): wraz ze wzrostem temperatury o każde 10 ° C szybkość reakcji chemicznej wzrasta średnio 2 - 4 razy.

Tak więc oddziaływanie wodoru (Н 2) i tlenu (О 2) w temperaturze pokojowej prawie nie występuje, więc szybkość tej reakcji chemicznej jest niska. Ale w temperaturze 500 C ta reakcja zachodzi w 50 minut, aw temperaturze 700 C - prawie natychmiast.

Wzór na obliczenie szybkości reakcji chemicznej według reguły Van't Hoffa:

gdzie: υ t 1 i υ t 2 to szybkości reakcji chemicznych w czasie t 2 it 1

γ to współczynnik temperaturowy, który pokazuje, ile razy szybkość reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury o 10 ° C.

Zmiana szybkości reakcji:

2. Zamień dane ze stwierdzenia problemu na wzór:

Zależność szybkości reakcji od specjalnych substancji - katalizatorów i inhibitorów.

Katalizator - substancja zwiększająca szybkość reakcji chemicznej, ale sama w niej nie uczestniczy.

Inhibitor - substancja, która spowalnia reakcję chemiczną, ale sama w niej nie uczestniczy.

Przykład: do probówki z 3% roztworem nadtlenku wodoru (Н 2 О 2), która została podgrzana, dodaj tlącą się pochodnię - nie zapali się, ponieważ szybkość reakcji rozkładu nadtlenku wodoru na wodę (Н 2 О) i tlen (О 2) jest bardzo niska, a powstały tlen nie wystarcza do przeprowadzenia odpowiedź jakościowa dla tlenu (utrzymanie spalania). Teraz dodamy do probówki trochę czarnego proszku tlenku manganu (IV) (MnO 2) i zobaczymy, że rozpoczęło się gwałtowne wydzielanie pęcherzyków gazu (tlenu), a tląca się pochodnia wprowadzona do probówki jasno miga. MnO 2 jest katalizatorem tej reakcji, przyspieszył szybkość reakcji, ale nie brał w niej udziału (można to udowodnić ważąc katalizator przed i po reakcji - jego masa nie ulegnie zmianie).

Reakcje chemiczne przebiegają z różną szybkością: z małą szybkością - podczas tworzenia się stalaktytów i stalagmitów, ze średnią - podczas gotowania, natychmiast - podczas wybuchu. Reakcje w roztworach wodnych przebiegają bardzo szybko.

Określenie szybkości reakcji chemicznej, a także wyjaśnienie jej zależności od warunków procesu, jest zadaniem kinetyki chemicznej - nauki o prawach rządzących przebiegiem reakcji chemicznych w czasie.

Jeśli reakcje chemiczne zachodzą w jednorodnym ośrodku, na przykład w roztworze lub w fazie gazowej, wówczas interakcja reagujących substancji zachodzi w całej objętości. Takie reakcje nazywane są jednorodny.

(v jednorodność) definiuje się jako zmianę ilości substancji w jednostce czasu na jednostkę objętości:

gdzie Δn jest zmianą liczby moli jednej substancji (najczęściej początkowej, ale może być też produkt reakcji); Δt - przedział czasu (s, min); V to objętość gazu lub roztworu (l).

Ponieważ stosunek ilości substancji do objętości jest stężeniem molowym C.

Zatem szybkość jednorodnej reakcji definiuje się jako zmianę stężenia jednej z substancji w jednostce czasu:

jeśli głośność systemu się nie zmienia.

Jeżeli reakcja zachodzi między substancjami w różnych stanach skupienia (na przykład między ciałem stałym a gazem lub cieczą) lub między substancjami, które nie są w stanie utworzyć jednorodnego ośrodka (na przykład między niemieszającymi się cieczami), to zachodzi tylko na powierzchni styku tych substancji. Takie reakcje nazywane są heterogeniczny.

Definiuje się go jako zmianę ilości substancji w jednostce czasu na jednostkę powierzchni.

gdzie S jest powierzchnią kontaktu substancji (m 2, cm 2).

Zmiana ilości substancji, za pomocą której określa się szybkość reakcji, jest zewnętrznym czynnikiem obserwowanym przez badacza. W rzeczywistości wszystkie procesy odbywają się na poziomie mikro. Oczywiście, aby niektóre cząstki zareagowały, muszą przede wszystkim zderzyć się i zderzyć skutecznie: nie rozpraszać się jak kule w różnych kierunkach, ale tak, aby „stare wiązania” w cząstkach zostały zniszczone lub osłabione i „nowe », A do tego cząstki muszą mieć wystarczającą energię.

Obliczone dane pokazują, że na przykład w gazach zderzenia cząsteczek pod ciśnieniem atmosferycznym są liczone w miliardach na sekundę, to znaczy wszystkie reakcje powinny były zachodzić natychmiast. Ale tak nie jest. Okazuje się, że tylko bardzo mała część cząsteczek ma energię niezbędną do skutecznego zderzenia.

Minimalna nadwyżka energii, jaką musi mieć cząstka (lub para cząstek), aby nastąpiło efektywne zderzenie, nazywa się energia aktywacjiE a.

Tak więc na drodze wszystkich cząstek wchodzących w reakcję istnieje bariera energetyczna równa energii aktywacji E a. Kiedy jest mały, wiele cząstek może go pokonać, a szybkość reakcji jest wysoka. W przeciwnym razie wymagane jest „wypchnięcie”. Kiedy wywołujesz zapałkę, aby zapalić lampę spirytusową, przekazujesz dodatkową energię E potrzebną cząsteczkom alkoholu, aby skutecznie zderzały się z cząsteczkami tlenu (przekraczając barierę).

Szybkość reakcji chemicznej zależy od wielu czynników. Najważniejsze z nich to: rodzaj i stężenie reagentów, ciśnienie (w reakcjach z udziałem gazów), temperatura, wpływ katalizatorów oraz powierzchnia reagentów w przypadku reakcji heterogenicznych.

Temperatura

Wraz ze wzrostem temperatury w większości przypadków szybkość reakcji chemicznej znacznie wzrasta. W XIX wieku. Holenderski chemik J. X. Van't Hoff sformułował zasadę:

Wzrost temperatury o każde 10 ° С prowadzi do wzrostuszybkość reakcji 2-4 razy(ta wartość nazywana jest współczynnikiem temperaturowym reakcji).

Wraz ze wzrostem temperatury średnia prędkość cząsteczek, ich energia i liczba zderzeń nieznacznie wzrastają, ale udział cząsteczek „aktywnych” w efektywnych zderzeniach, które pokonują barierę energetyczną reakcji, gwałtownie rośnie. Matematycznie zależność tę wyraża stosunek:

gdzie v t 1 i v t 2 są szybkościami reakcji odpowiednio w końcowych temperaturach t 2 i początkowych t 1, a γ jest współczynnikiem temperaturowym szybkości reakcji, który pokazuje, ile razy szybkość reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury na każde 10 ° C.

Jednak aby zwiększyć szybkość reakcji, nie zawsze można zastosować wzrost temperatury, ponieważ materiały wyjściowe mogą zacząć się rozkładać, rozpuszczalniki lub same substancje mogą odparować itp.

Reakcje endotermiczne i egzotermiczne

Wiadomo, że reakcji metanu z tlenem atmosferycznym towarzyszy wydzielanie dużej ilości ciepła. Dlatego jest używany w życiu codziennym do gotowania, podgrzewania wody i ogrzewania. Gaz ziemny dostarczany do domów rurociągami to w 98% metan. Reakcji tlenku wapnia (CaO) z wodą towarzyszy również wydzielanie dużej ilości ciepła.

Na co mogą wskazywać te fakty? Kiedy nowy wiązania chemiczne w produktach reakcji, więcejenergia niż jest wymagana do zerwania wiązań chemicznych w odczynnikach. Nadmiar energii jest uwalniany w postaci ciepła, a czasem światła.

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + Q (energia (światło, ciepło));

CaO + H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + Q (energia (ciepło)).

Takie reakcje powinny przebiegać łatwo (jak łatwo kamień stacza się w dół).

Nazywane są reakcjami, w których uwalniana jest energia EGZOTERMICZNY(od łacińskiego „exo” - na zewnątrz).

Na przykład wiele reakcji redoks jest egzotermicznych. Jedną z tych pięknych reakcji jest wewnątrzcząsteczkowe utlenianie-redukcja, która zachodzi wewnątrz tej samej soli - dichromianu amonu (NH 4) 2 Cr 2 O 7:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 \u003d N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O + Q (energia).

Odwrotne reakcje to inna sprawa. Są analogiczne do toczenia kamienia pod górę. Nie było jeszcze możliwe otrzymanie metanu z CO 2 i wody, a do uzyskania wapna palonego CaO z wodorotlenku wapnia Ca (OH) 2 wymagane jest mocne ogrzewanie. Taka reakcja zachodzi tylko przy stałym przepływie energii z zewnątrz:

Ca (OH) 2 \u003d CaO + H 2 O - Q (energia (ciepło))

Sugeruje to, że zerwanie wiązań chemicznych w Ca (OH) 2 wymaga więcej energii, niż można uwolnić podczas tworzenia nowych wiązań chemicznych w cząsteczkach CaO i H 2 O.

Nazywa się to reakcjami, w których energia jest pochłaniana ENDOTERMALNY(od „endo” - do wewnątrz).

Stężenie reagentów

Zmiana ciśnienia, gdy w reakcji uczestniczą substancje gazowe, prowadzi również do zmiany stężenia tych substancji.

Aby doszło do interakcji chemicznej między cząstkami, muszą one skutecznie zderzać się. Im wyższe stężenie reagentów, tym więcej zderzeń i odpowiednio wyższa szybkość reakcji. Na przykład w czystym tlenie acetylen spala się bardzo szybko. Powoduje to wytworzenie temperatury wystarczającej do stopienia metalu. Na podstawie dużego materiału doświadczalnego w 1867 r. Norwegów K. Guldenberga i P. Vaage oraz niezależnie od nich w 1865 r. Rosyjskiego naukowca N.I. Beketowa sformułowano podstawowe prawo kinetyki chemicznej, ustalające zależność szybkości reakcji od stężenia reagentów.

Szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów przyjętych w potęgach równych ich współczynnikom w równaniu reakcji.

To prawo jest również nazywane prawo mas w akcji.

Dla reakcji A + B \u003d D prawo to będzie wyrażone w następujący sposób:

Dla reakcji 2A + B \u003d D to prawo będzie wyrażone w następujący sposób:

Tutaj C A, C B to stężenia substancji A i B (mol / l); k 1 i k 2 to współczynniki proporcjonalności, zwane stałymi szybkości reakcji.

Fizyczne znaczenie stałej szybkości reakcji jest łatwe do ustalenia - jest ona liczbowo równa szybkości reakcji, przy której stężenia reagentów są równe 1 mol / l lub ich iloczyn równy jest jedności. W tym przypadku jest jasne, że stała szybkości reakcji zależy tylko od temperatury i nie zależy od stężenia substancji.

Prawo akcji masowej nie uwzględnia stężenia reagentów w stanie stałymponieważ reagują na powierzchniach, a ich stężenia są zwykle stałe.

Na przykład dla reakcji spalania węgla wyrażenie na szybkość reakcji należy zapisać w następujący sposób:

to znaczy, szybkość reakcji jest proporcjonalna tylko do stężenia tlenu.

Jeżeli równanie reakcji opisuje tylko całkowitą reakcję chemiczną, która przebiega w kilku etapach, to szybkość takiej reakcji może w złożony sposób zależeć od stężeń substancji wyjściowych. Zależność ta jest określana eksperymentalnie lub teoretycznie na podstawie proponowanego mechanizmu reakcji.

Działanie katalizatorów

Możliwe jest zwiększenie szybkości reakcji poprzez zastosowanie specjalnych substancji, które zmieniają mechanizm reakcji i kierują go na bardziej korzystną energetycznie ścieżkę z mniejszą energią aktywacji. Nazywa się je katalizatorami (od łac. Katalysis - zniszczenie).

Katalizator działa jak doświadczony przewodnik, kierując grupę turystów nie przez wysoką przełęcz w górach (pokonanie jej wymaga dużo wysiłku i czasu i nie jest dostępna dla każdego), ale po znanych mu rondach, którymi można pokonać górę znacznie łatwiej i szybciej.

To prawda, okrężną trasą nie do końca można dojść tam, gdzie prowadzi główna przełęcz. Ale czasami jest to dokładnie to, czego potrzeba! Tak działają katalizatory, które nazywane są selektywnymi. Oczywiste jest, że nie ma potrzeby spalania amoniaku i azotu, ale do produkcji kwasu azotowego wykorzystuje się tlenek azotu (II).

Katalizatory - są to substancje, które biorą udział w reakcji chemicznej i zmieniają jej prędkość lub kierunek, ale po zakończeniu reakcji pozostają niezmienione ilościowo i jakościowo.

Zmiana szybkości reakcji chemicznej lub jej kierunku za pomocą katalizatora nazywana jest katalizą. Katalizatory są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu i transporcie (katalizatory, które przekształcają tlenki azotu ze spalin samochodowych w nieszkodliwy azot).

Istnieją dwa rodzaje katalizy.

Kataliza homogeniczna, w którym zarówno katalizator, jak i reagenty są w tym samym stanie skupienia (faza).

Kataliza heterogenicznaw którym katalizator i reagenty są w różnych fazach. Na przykład rozkład nadtlenku wodoru w obecności stałego katalizatora tlenku manganu (IV):

Sam katalizator nie ulega zużyciu w wyniku reakcji, ale jeśli na jego powierzchni zostaną zaadsorbowane inne substancje (nazywane są truciznami katalitycznymi), wówczas powierzchnia przestaje działać i katalizator należy zregenerować. Dlatego przed przeprowadzeniem reakcji katalitycznej materiały wyjściowe są dokładnie oczyszczane.

Przykładowo przy produkcji kwasu siarkowego metodą kontaktową stosuje się katalizator stały - tlenek wanadu (V) V 2 O 5:

W produkcji metanolu stosuje się stały katalizator „cynkowo-chromowy” (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

Biologiczne katalizatory - enzymy działają bardzo skutecznie. Z natury chemicznej są to białka. Dzięki nim złożone reakcje chemiczne zachodzą z dużą prędkością w organizmach żywych w niskich temperaturach.

Znane są inne interesujące substancje - inhibitory (od łac. Inhibere - opóźniać). Reagują z dużą szybkością z cząstkami aktywnymi, tworząc związki o niskiej aktywności. W rezultacie reakcja dramatycznie zwalnia, a następnie ustaje. Inhibitory są często dodawane do różnych substancji, aby zapobiec niepożądanym procesom.

Na przykład roztwory nadtlenku wodoru są stabilizowane za pomocą inhibitorów.

Charakter reagujących substancji (ich skład, struktura)

Wartość energia aktywacjijest czynnikiem, przez który wpływa się charakter reagujących substancji na szybkość reakcji.

Jeśli energia aktywacji jest mała (< 40 кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкнове­ний между частицами реагирующих веществ при­водит к их взаимодействию, и скорость такой ре­акции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих ре­акциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.

Jeśli energia aktywacji jest wysoka (\u003e 120 kJ / mol), oznacza to, że tylko niewielki ułamek zderzeń między oddziałującymi cząstkami prowadzi do reakcji. Szybkość tej reakcji jest zatem bardzo mała. Na przykład, postęp reakcji syntezy amoniaku w zwykłych temperaturach jest prawie niemożliwy do zauważenia.

Jeżeli energie aktywacji reakcji chemicznych mają wartości pośrednie (40120 kJ / mol), to szybkości takich reakcji będą średnie. Reakcje te obejmują interakcję sodu z wodą lub alkoholem etylowym, odbarwienie wody bromowej etylenem, oddziaływanie cynku z kwasem solnym itp.

Powierzchnia kontaktu reagentów

Szybkość reakcji zachodzących na powierzchni substancji, a więc niejednorodnych, zależy, przy czym inne czynniki są jednakowe, od właściwości tej powierzchni. Wiadomo, że kreda zmielona na proszek rozpuszcza się znacznie szybciej w kwasie solnym niż kawałek kredy o takiej samej wadze.

Wzrost szybkości reakcji wynika przede wszystkim z zwiększenie powierzchni styku materiałów wyjściowych, a także szereg innych przyczyn, na przykład naruszenie struktury „prawidłowego” sieci krystalicznej... Prowadzi to do tego, że cząstki na powierzchni powstających mikrokryształów są znacznie bardziej reaktywne niż te same cząstki na „gładkiej” powierzchni.

W przemyśle do przeprowadzania reakcji heterogenicznych stosuje się „złoże fluidalne” w celu zwiększenia powierzchni styku reagentów, dostarczania materiałów wyjściowych i usuwania produktów. Na przykład przy produkcji kwasu siarkowego piryt jest prażony w „złożu fluidalnym”.

Materiał odniesienia do zdania testu:

okresowy

Tabela rozpuszczalności