Sprememba koncentracije reaktantov. Hitrost reakcije, njena odvisnost od različnih dejavnikov

Nekatere kemične reakcije se pojavijo skoraj v trenutku (eksplozija mešanice kisika in vodika, reakcije ionske izmenjave v vodni raztopini), druge - hitro (izgorevanje snovi, interakcija cinka s kislino), druge pa počasi (rjavenje železa, razpadanje organskih ostankov). Znane so tako počasne reakcije, da jih človek preprosto ne more opaziti. Na primer, pretvorba granita v pesek in glino se zgodi v tisočih letih.

Z drugimi besedami, kemične reakcije lahko potekajo na različne načine. hitrost.

Kaj pa je hitrostna reakcija? Kakšna je natančna definicija te količine in, kar je najpomembneje, njen matematični izraz?

Hitrost reakcije se imenuje sprememba količine snovi na enoto časa v eni prostorninski enoti. Matematično je ta izraz zapisan kot:

Kje n 1 in n 2 Je količina snovi (mol) v času t 1 oziroma t 2 v prostorninskem sistemu V.

Kateri znak plus ali minus (±) bo stal pred izrazom hitrosti, je odvisno od tega, ali gledamo na spremembo količine katere snovi, ki jo gledamo - izdelka ali reagenta.

Očitno je, da med reakcijo pride do porabe reagentov, to pomeni, da se njihova količina zmanjša, zato ima izraz (n 2 - n 1) za reagente vrednost vedno manjšo od nič. Ker hitrost ne more biti negativna, je v tem primeru pred izrazom treba postaviti znak minus.

Če pogledamo spremembo količine proizvoda in ne reagenta, potem pred izrazom za izračun hitrosti ni potreben znak minus, saj je izraz (n 2 - n 1) v tem primeru vedno pozitiven, Ker količina produkta zaradi reakcije se lahko samo poveča.

Razmerje med količino snovi n prostornini, v kateri se nahaja ta količina snovi, pravimo molska koncentracija OD:

Tako lahko z uporabo koncepta molske koncentracije in njenega matematičnega izraza napišete drugo različico določanja hitrosti reakcije:

Hitrost reakcije je sprememba molske koncentracije snovi zaradi kemijske reakcije v eni časovni enoti:

Dejavniki, ki vplivajo na hitrost reakcije

Pogosto je izredno pomembno vedeti, kaj določa hitrost določene reakcije in kako nanjo vplivati. Na primer, rafinerijska industrija dobesedno premaga vsakih dodatnih pol odstotka izdelka na enoto časa. Dejansko se ob ogromni količini prečiščene nafte celo pol odstotka steka v velik finančni letni dobiček. V nekaterih primerih je izjemno pomembno upočasniti kakršno koli reakcijo, zlasti korozijo kovin.

Kaj torej določa hitrost reakcije? Nenavadno je odvisno od številnih različnih parametrov.

Da bi razumeli to težavo, si najprej predstavljajmo, kaj se zgodi kot posledica kemične reakcije, na primer:

Zgornja enačba odraža postopek, v katerem molekuli snovi A in B med trkom tvorita molekuli snovi C in D.

To pomeni, da je za reakcijo nedvomno potreben vsaj trk molekul začetnih snovi. Očitno je, da če povečamo število molekul na enoto prostornine, se bo število trkov povečalo na enak način, kot se poveča pogostost vaših trkov s potniki v prenatrpanem avtobusu v primerjavi s polpraznim.

Z drugimi besedami, hitrost reakcije narašča s povečanjem koncentracije reaktantov.

V primeru, da je eden od reagentov ali več hkrati plin, se hitrost reakcije povečuje z naraščajočim tlakom, saj je tlak plina vedno neposredno sorazmeren s koncentracijo sestavnih molekul.

Kljub temu je trčenje delcev nujen, a sploh ne zadosten pogoj za reakcijo. Dejstvo je, da je po izračunih število trkov molekul reakcijskih snovi pri njihovi razumni koncentraciji tako veliko, da bi morale vse reakcije potekati v trenutku. Vendar se v praksi to ne zgodi. Kaj je narobe?

Bistvo je, da ne bo vsako trčenje molekul reagenta nujno učinkovito. Veliko trkov je elastičnih - molekule se med seboj odbijajo kot kroglice. Molekule morajo imeti dovolj kinetične energije za nadaljevanje reakcije. Minimalna energija, ki jo morajo imeti molekule reagirajočih snovi, da lahko reakcija mine, se imenuje aktivacijska energija in je označena z E a. V sistemu, sestavljenem iz velikega števila molekul, se molekule porazdelijo po energiji, nekatere imajo nizko energijo, nekatere visoko in srednjo energijo. Od vseh teh molekul ima le majhen del molekul energijo, ki presega aktivacijsko energijo.

Kot je znano iz tečaja fizike, je temperatura dejansko merilo kinetične energije delcev, ki tvorijo snov. Se pravi, hitreje kot se premikajo delci, ki tvorijo snov, višja je njena temperatura. Tako očitno s povečanjem temperature v bistvu povečamo kinetično energijo molekul, zaradi česar se delež molekul z energijo, ki presega E a, poveča in njihovo trčenje privede do kemične reakcije.

Dejstvo pozitivnega vpliva temperature na hitrost reakcije je empirično ugotovil nizozemski kemik Van't Hoff v 19. stoletju. Na podlagi svojih raziskav je oblikoval pravilo, ki še vedno nosi njegovo ime in se sliši takole:

Hitrost katere koli kemične reakcije se poveča za 2-4 krat, ko se temperatura dvigne za 10 stopinj.

Matematični prikaz tega pravila je zapisan kot:

kje V 2 in V 1 Ali je hitrost pri temperaturi t 2 oziroma t 1 in γ temperaturni koeficient reakcija, katere vrednost je najpogosteje v območju od 2 do 4.

Pogosto lahko hitrost mnogih reakcij povečamo z uporabo katalizatorji.

Katalizatorji so snovi, ki pospešijo potek katere koli reakcije in se ne porabijo hkrati.

Kako pa katalizatorjem uspe povečati hitrost reakcije?

Spomnimo se aktivacijske energije E a. Molekule z energijo, nižjo od aktivacijske energije v odsotnosti katalizatorja, ne morejo medsebojno vplivati. Katalizatorji spremenijo pot, po kateri se reakcija nadaljuje, tako kot bo izkušen vodnik določil pot odprave ne neposredno skozi goro, temveč z uporabo obvoznih poti, zaradi česar se bodo lahko povzpeli tudi tisti sateliti, ki niso imeli dovolj energije za vzpon gora se lahko premakne na drugo njeno stran.

Kljub temu, da se katalizator med reakcijo ne porabi, pa vseeno traja aktivno sodelovanje, ki tvori vmesne spojine z reagenti, vendar se do konca reakcije vrne v prvotno stanje.

Če obstajajo vmesniki med reaktanti (heterogena reakcija), bo zgoraj navedeni dejavnik, ki vpliva na hitrost reakcije, odvisen tudi od kontaktne površine reaktantov. Na primer, predstavljajte si zrno kovinskega aluminija, vrženo v epruveto, ki vsebuje vodno raztopino klorovodikove kisline. Aluminij je aktivna kovina, ki lahko reagira s kislinami kot neoksidanti. Pri klorovodikovi kislini je reakcijska enačba naslednja:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

Aluminij je trdna snov, kar pomeni, da reakcija s klorovodikovo kislino poteka le na njegovi površini. Očitno je, da če površino povečamo tako, da aluminijaste granule najprej zvijemo v folijo, s tem dobimo večje število atomov aluminija, ki so na voljo za reakcijo s kislino. Posledično se bo hitrost reakcije povečala. Podobno lahko povečanje površine trdne snovi dosežemo z mletjem v prah.

Tudi na hitrost heterogene reakcije, pri kateri trdna snov reagira s plinasto ali tekočo snovjo, pogosto pozitivno vpliva na mešanje, kar je posledica dejstva, da se zaradi mešanja odstranijo kopične molekule reakcijskih produktov iz reakcijske cone in se "vnese" nov del molekul reagenta.

Slednji bi morali opozoriti tudi na velik vpliv na hitrost reakcije in naravo reagentov. Na primer, nižja je alkalna kovina v periodnem sistemu, hitreje reagira z vodo, fluor med vsemi halogeni najhitreje reagira s plinom vodikom itd.

Če povzamemo vse zgoraj, je hitrost reakcije odvisna od naslednjih dejavnikov:

1) koncentracija reagentov: večja je, večja je hitrost reakcije.

2) temperatura: z naraščanjem temperature se hitrost katere koli reakcije poveča.

3) kontaktna površina reaktantov: večja kot je kontaktna površina reaktantov, večja je hitrost reakcije.

4) mešanje, če pride do reakcije med trdno snovjo in tekočino ali plinom, jo \u200b\u200blahko mešanje pospeši.

Sistemi. Toda ta vrednost ne odraža resnične možnosti reakcije, njene hitrost in mehanizem.

Za polnopravno predstavitev kemijske reakcije je treba vedeti, kakšni časovni vzorci obstajajo med njeno izvedbo, tj. hitrost kemijske reakcije in njegov podroben mehanizem. Študije reakcijske hitrosti in mehanizma kemijska kinetika - znanost o kemijskem procesu.

Glede kemijske kinetike lahko reakcije razvrstimo v preprosto in zapleteno.

Preproste reakcije - procesi, ki potekajo brez tvorbe vmesnih spojin. Po številu delcev, ki v njem sodelujejo, jih delimo z monomolekularna, bimolekularna, trimolekularna. Trčenje več kot treh številk delcev je malo verjetno, zato so trimolekularne reakcije precej redke, štiromolekularne reakcije pa neznane. Kompleksne reakcije - procesi, sestavljeni iz več osnovnih reakcij.

Vsak postopek poteka s svojo inherentno hitrostjo, ki jo lahko določimo s spremembami, ki se pojavijo v določenem časovnem obdobju. Povprečno hitrost kemijske reakcijeizraženo s spremembo količine snovi n porabljene ali prejete snovi na enoto prostornine V na enoto časa t.

υ = ± dn/ dt· V

Če se snov zaužije, postavimo znak "-", če se kopiči - "+"

Pri stalni prostornini:

υ = ± enosmerni tok/ dt,

Merska enota za hitrost reakcije je mol / l s

Na splošno je υ konstantna vrednost in ni odvisna od snovi, ki sodeluje v reakciji, ki jo opazujemo.

Odvisnost koncentracije reagenta ali produkta od reakcijskega časa je predstavljena kot kinetična krivuljaki je videti tako:

Primerneje je izračunati υ iz eksperimentalnih podatkov, če se zgornji izrazi pretvorijo v naslednji izraz:

Zakon množic. Konstanta reda in hitrosti reakcije

Eno od besed zakon o množičnem ukrepanju zveni takole: Hitrost elementarne homogene kemijske reakcije je neposredno sorazmerna z zmnožkom koncentracij reagenta.

Če je obravnavani postopek predstavljen v obliki:

a A + b B \u003d izdelki

potem lahko izrazimo hitrost kemijske reakcije kinetična enačba:

υ \u003d k · [A] a · [B] b ali

υ \u003d k C a A C b B

Tukaj [ A] in [B] (C A inC B) koncentracija reagentov,

in inb - stehiometrični koeficienti preproste reakcije,

k Ali je hitrost reakcije konstantna.

Kemični pomen količine k - to hitrostna reakcija v posameznih koncentracijah. Se pravi, če so koncentracije snovi A in B enake 1, potem υ = k.

Upoštevati je treba, da v zapletenih kemijskih procesih koeficienti in inb ne sovpadajo s stehiometričnimi.

Zakon o množičnih akcijah je izpolnjen pod številnimi pogoji:

• Reakcija je termično aktivirana, t.j. energija toplotnega gibanja.
• Koncentracija reagentov je enakomerno porazdeljena.
• Lastnosti in pogoji okolja se med postopkom ne spreminjajo.
• Lastnosti okolja ne bi smele vplivati k.

Za zapletene procese zakon množičnega delovanja ni mogoče uporabiti. To je mogoče razložiti z dejstvom, da je zapleten postopek sestavljen iz več osnovnih stopenj, njegova hitrost pa ne bo določena s skupno hitrostjo vseh stopenj, temveč z eno najpočasnejšo stopnjo, ki se imenuje omejujoča.

Vsaka reakcija ima svojo naročilo... Določite zasebno (delno) naročilo z reagentom in splošni (popolni) vrstni red... Na primer pri izražanju hitrosti kemijske reakcije procesa

a A + b B \u003d izdelki

υ = k·[ A] a·[ B] b

a - naročilo po reagentu A

b — naročilo reagenta IN

Splošni red a + b = n

Za preprosti postopki vrstni red reakcije označuje število reagirajočih delcev (sovpada s stehiometričnimi koeficienti) in ima celoštevilčne vrednosti. Za zapletenih procesov vrstni red reakcije ne sovpada s stehiometričnimi koeficienti in je lahko poljuben.

Določimo dejavnike, ki vplivajo na hitrost kemijske reakcije υ.

1. Odvisnost hitrosti reakcije od koncentracije reaktantov

   določa zakon množičnega ukrepanja: υ = k[ A] a·[ B] b

Očitno se s povečanjem koncentracije reaktantov υ poveča, ker povečuje se število trkov med snovmi, ki sodelujejo v kemičnem procesu. Poleg tega je pomembno upoštevati vrstni red reakcije: če je n \u003d 1 pri nekaterih reagentih je njegova hitrost neposredno sorazmerna s koncentracijo te snovi. Če za kateri koli reagent n \u003d 2, potem bo podvojitev njegove koncentracije privedla do povečanja hitrosti reakcije za 2 2 \u003d 4-krat, povečanje koncentracije za 3-krat pa bo reakcijo pospešilo za 3 2 \u003d 9-krat.

V življenju se srečujemo z različnimi kemičnimi reakcijami. Nekateri med njimi, na primer rjavenje železa, lahko trajajo tudi več let. Drugi, na primer fermentacija sladkorja v alkohol, traja nekaj tednov. Drva v peči izgorijo v nekaj urah, bencin v motorju pa v delih sekunde.

Da bi zmanjšali stroške opreme, kemične tovarne povečajo hitrost reakcij. In nekateri procesi, na primer, škodijo živilski proizvodi, korozija kovin - upočasniti morate.

Hitrost kemijske reakcije lahko izrazimo kot sprememba količine snovi (n, modulo) na časovno enoto (t) - primerjajte hitrost gibljivega telesa v fiziki kot spremembo koordinat na časovno enoto: υ \u003d Δx / Δt. Tako da hitrost ni odvisna od prostornine posode, v kateri poteka reakcija, izraz delimo s prostornino reakcijskih snovi (v), tj. Dobimosprememba količine snovi na enoto časa na enoto prostornine, ali sprememba koncentracije ene od snovi v enoti časa:

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

kjer je c \u003d n / v koncentracija snovi,

Δ (beri "delta") je splošno sprejeta oznaka za spremembo vrednosti.

Če imajo snovi enačbe v enačbi različne koeficiente, bo reakcijska hitrost za vsako od njih, izračunana po tej formuli, drugačna. Na primer, 2 mola žveplovega dioksida v 10 sekundah v 1 litru popolnoma reagirata z 1 molom kisika:

2SO 2 + O 2 \u003d 2SO 3

Stopnja kisika bo: υ \u003d 1: (10 1) \u003d 0,1 mol / l s

Hitrost žveplovega plina: υ \u003d 2: (10 1) \u003d 0,2 mol / l · s - tega si ni treba zapomniti in povedati na izpitu, podan je primer, da se ne bi zmedli, če se pojavi to vprašanje.

Hitrost heterogenih reakcij (s trdnimi snovmi) je pogosto izražena na enoto površine stičnih površin:

Δn
υ \u003d –––––– (2)
Δt S

Reakcije se imenujejo heterogene, kadar so reakcijske snovi v različnih fazah:

• trdna snov z drugo trdno snovjo, tekočino ali plinom,
• dve tekočini, ki se ne mešata,
• tekočina s plinom.

Homogene reakcije se pojavijo med snovmi v eni fazi:

• med tekočinami, ki se dobro mešajo,
• plini
• snovi v raztopinah.

Pogoji, ki vplivajo na hitrost kemijskih reakcij

1) Hitrost reakcije je odvisna od narava reaktantov... Preprosto povedano, različne snovi reagirajo različno hitro. Na primer, cink burno reagira s klorovodikovo kislino in železo precej počasi.

2) Višja je reakcijska hitrost, večja je koncentracija snovi. Z močno razredčeno kislino bo cink reagiral veliko dlje.

3) Hitrost reakcije se z naraščanjem znatno poveča temperatura... Na primer, da gorivo gori, ga je treba vžgati, to je povečati temperaturo. Pri mnogih reakcijah povišanje temperature za 10 ° C spremlja 2–4-kratno povečanje hitrosti.

4) Hitrost heterogena reakcije naraščajo z naraščanjem površine reaktantov... Za to so navadno tla. Na primer, da lahko prah železa in žvepla reagira pri segrevanju, mora biti železo v obliki drobne žagovine.

Upoštevajte, da je v tem primeru predvidena formula (1)! Formula (2) izraža hitrost na enoto površine, zato ni odvisna od površine.

5) Hitrost reakcije je odvisna od prisotnosti katalizatorjev ali inhibitorjev.

Katalizatorji - snovi, ki pospešujejo kemične reakcije, vendar se ne porabijo same. Primer je silovita razgradnja vodikovega peroksida z dodatkom katalizatorja - manganovega (IV) oksida:

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

Manganov (IV) oksid ostane na dnu in ga je mogoče ponovno uporabiti.

Inhibitorji - snovi, ki upočasnijo reakcijo. Na primer, v ogrevalni sistem tople vode se dodajo zaviralci korozije, da se podaljša življenjska doba cevi in \u200b\u200bradiatorjev. V avtomobilih se zaviranju, hladilni tekočini dodajo zaviralci korozije.

Še nekaj primerov.

Preučeni osnovni koncepti:

Hitrost kemijske reakcije

Molska koncentracija

Kinetika

Homogene in heterogene reakcije

Dejavniki, ki vplivajo na hitrost kemijskih reakcij

Katalizator, zaviralec

Kataliza

Reverzibilne in ireverzibilne reakcije

Kemijsko ravnovesje

Kemijske reakcije so reakcije, pri katerih iz nekaterih snovi nastanejo druge (iz prvotnih snovi nastanejo nove snovi). Nekatere kemične reakcije potekajo v delih sekunde (eksplozija), druge pa v minutah, dneh, letih, desetletjih itd.

Na primer: takoj ob vžigu in eksploziji pride do reakcije izgorevanja smodnika in reakcija zatemnitve srebra ali rjavenja železa (korozija) poteka tako počasi, da je njegov rezultat mogoče izslediti šele po daljšem času.

Za označevanje hitrosti kemijske reakcije se uporablja koncept hitrosti kemijske reakcije - υ.

Hitrost kemijske reakcije Ali je sprememba koncentracije ene od reakcijskih snovi v reakciji na enoto časa.

Formula za izračun hitrosti kemijske reakcije:

υ =	od 2 - od 1	=	∆ s
t 2 - t 1	∆ t

с 1 - molska koncentracija snovi v začetnem trenutku t 1

с 2 - molska koncentracija snovi v začetnem trenutku t 2

ker je za hitrost kemične reakcije značilna sprememba molske koncentracije reakcijskih snovi (vhodnih snovi), potem je t 2\u003e t 1 in c 2\u003e c 1 (koncentracija vhodnih snovi se z nadaljevanjem reakcije zmanjšuje ).

Molska koncentracija Je količina snovi na enoto prostornine. Merska enota za molsko koncentracijo je [mol / l].

Imenuje se kemijska veja, ki preučuje hitrost kemijskih reakcij kemijska kinetika... Če poznamo njene zakone, lahko oseba nadzoruje kemični procesi, nastavite jim določeno hitrost.

Pri izračunu hitrosti kemijske reakcije je treba upoštevati, da se reakcije delijo na homogene in heterogene.

Homogene reakcije- reakcije, ki potekajo v istem okolju (tj. reaktanti so v enakem agregatnem stanju; na primer: plin + plin, tekočina + tekočina).

Heterogene reakcije - to so reakcije, ki potekajo med snovmi v nehomogenem mediju (obstaja vmesnik med fazami, tj. reakcijske snovi so v drugem agregatnem stanju; na primer: plin + tekočina, tekočina + trdna snov).

Zgornja formula za izračun hitrosti kemijske reakcije velja samo za homogene reakcije. Če je reakcija heterogena, lahko gre samo na površino odseka reaktantov.

Za heterogeno reakcijo se hitrost izračuna po formuli:

∆ν - sprememba količine snovi

S - območje vmesnika

Is t je časovni interval, v katerem je potekala reakcija

Hitrost kemičnih reakcij je odvisna od različnih dejavnikov: narave reakcijskih snovi, koncentracije snovi, temperature, katalizatorjev ali zaviralcev.

Odvisnost hitrosti reakcije od narave reakcijskih snovi.

Analizirajmo to odvisnost hitrosti reakcije na primer: vstavite v dve epruveti, v kateri je enaka količina raztopine klorovodikove kisline (HCl), kovinske granule iste površine: v prvi epruveti železove granule (Fe), v drugi pa magnezijeve granule (Mg). Kot rezultat opazovanj lahko glede na hitrost sproščanja vodika (Н 2) opazimo, da magnezij reagira s klorovodikovo kislino z najvišjo hitrostjo kot železo... Na hitrost dane kemijske reakcije vpliva narava kovine (tj. Magnezij je bolj reaktivna kovina kot železo in zato močneje reagira s kislino).

Odvisnost hitrosti kemičnih reakcij od koncentracije reakcijskih snovi.

Večja kot je koncentracija reakcijske (začetne) snovi, hitreje reakcija poteka. Nasprotno, nižja kot je koncentracija reaktanta, počasnejša je reakcija.

Na primer: v eno epruveto vlijemo koncentrirano raztopino klorovodikove kisline (HCl), v drugo pa razredčeno raztopino klorovodikove kisline. V obe epruveti damo zrnca cinka (Zn). Opazimo glede na hitrost evolucije vodika, da bo reakcija v prvi epruveti potekala hitreje, ker koncentracija klorovodikove kisline v njej je večja kot v drugi epruveti.

Za določitev odvisnosti od hitrosti kemične reakcije uporabite zakon delovanja (delujočih) množic : hitrost kemične reakcije je neposredno sorazmerna z zmnožkom koncentracij reaktantov, pri čemer je moč enaka njihovim koeficientom.

Na primer, za reakcijo, ki poteka po shemi: nA + mB → D, hitrost kemijske reakcije se določi s formulo:

υ ch.r. \u003d k C (A) n C (B) m, kje

υ x.p - hitrost kemijske reakcije

C (A) - A

C (B) - molska koncentracija snovi IN

n in m - njihovi koeficienti

k - konstanta hitrosti kemijske reakcije (referenčna vrednost).

Zakon o delovanju mas ne velja za snovi v trdnem stanju, ker njihova koncentracija je stalna (zaradi tega, ker reagirajo le na površini, ki ostane nespremenjena).

Na primer: za reakcijo 2 Cu + O2 \u003d 2CuO hitrost reakcije se določi po formuli:

υ ch.r. \u003d k C (O 2)

TEŽAVA: Konstanta reakcijske hitrosti 2A + B \u003d D je 0,005. izračunamo hitrost reakcije pri molski koncentraciji snovi A \u003d 0,6 mol / l, snovi B \u003d 0,8 mol / l.

Odvisnost hitrosti kemijske reakcije od temperature.

Ta odvisnost je določena pravilo Van't - Hoff (1884): s povečanjem temperature za vsakih 10 ° C se hitrost kemijske reakcije v povprečju poveča za 2 - 4-krat.

Torej, interakcija vodika (Н 2) in kisika (О 2) pri sobni temperaturi skoraj ne pride, zato je hitrost te kemične reakcije nizka. Toda pri temperaturi 500 C približno ta reakcija poteka v 50 minutah in pri temperaturi 700 C približno - skoraj v trenutku.

Formula za izračun hitrosti kemijske reakcije po Van't Hoffovem pravilu:

kjer sta: υ t 1 in υ t 2 hitrosti kemijskih reakcij pri t 2 in t 1

γ je temperaturni koeficient, ki prikazuje, kolikokrat se hitrost reakcije poveča s povišanjem temperature za 10 ° C.

Sprememba hitrosti reakcije:

2. Podatke iz stavka problema nadomestite v formulo:

Odvisnost hitrosti reakcije od posebnih snovi - katalizatorjev in inhibitorjev.

Katalizator - snov, ki poveča hitrost kemične reakcije, vendar sama pri njej ne sodeluje.

Inhibitor - snov, ki upočasni kemično reakcijo, vendar sama pri njej ne sodeluje.

Primer: v epruveto z raztopino 3% vodikovega peroksida (H 2 O 2), ki smo jo segreli, dodajte tlečo baklo - ne bo se vžgala, ker hitrost razgradnje vodikovega peroksida v vodo (Н 2 О) in kisik (О 2) je zelo nizka in nastali kisik ni dovolj za izvedbo kvalitativni odziv kisik (podpora zgorevanju). Zdaj bomo v epruveto dodali malo črnega prahu manganovega (IV) oksida (MnO 2) in videli bomo, da se je začel silovit razvoj plinastih (kisikovih) mehurčkov in tleča bakla, vstavljena v epruveto, močno utripa. MnO 2 je katalizator te reakcije, pospešil je hitrost reakcije, vendar v njej ni sodeloval (to lahko dokažemo s tehtanjem katalizatorja pred in po reakciji - njegova masa se ne bo spremenila).

Kemične reakcije potekajo z različno hitrostjo: z nizko hitrostjo - med nastajanjem kapnikov in stalagmitov, s povprečno hitrostjo - med kuhanjem, takoj - med eksplozijo. Reakcije v vodnih raztopinah potekajo zelo hitro.

Določanje hitrosti kemijske reakcije in pojasnitev njene odvisnosti od pogojev procesa je naloga kemijske kinetike - vede o zakonih, ki urejajo potek kemijskih reakcij v času.

Če pride do kemičnih reakcij v homogenem mediju, na primer v raztopini ali v plinski fazi, potem interakcija reagirajočih snovi poteka po celotni prostornini. Takšne reakcije se imenujejo homogena.

(v homogue) je opredeljena kot sprememba količine snovi na enoto časa na enoto prostornine:

kjer je Δn sprememba števila molov ene snovi (najpogosteje začetne, lahko pa je tudi produkt reakcije); Δt - časovni interval (s, min); V je prostornina plina ali raztopine (l).

Ker je razmerje med količino snovi in \u200b\u200bprostornino molska koncentracija C, potem

Tako je hitrost homogene reakcije opredeljena kot sprememba koncentracije ene od snovi na enoto časa:

če se glasnost sistema ne spremeni.

Če reakcija poteka med snovmi v različnih agregacijskih stanjih (na primer med trdno snovjo in plinom ali tekočino) ali med snovmi, ki ne morejo tvoriti homogenega medija (na primer med tekočinami, ki se ne mešajo), potem poteka samo na kontaktni površini snovi. Takšne reakcije se imenujejo heterogena.

Opredeljen je kot sprememba količine snovi na enoto časa na enoto površine.

kjer je S površina stika snovi (m 2, cm 2).

Sprememba količine snovi, s katero se določi hitrost reakcije, je zunanji dejavnik, ki ga opazi raziskovalec. Pravzaprav se vsi procesi izvajajo na mikro ravni. Očitno je, da morajo nekateri delci najprej reagirati in najprej trčiti in trčiti učinkovito: ne razpršiti se kot kroglice v različne smeri, ampak tako, da se "stare vezi" v delcih uničijo ali oslabijo in "nove", in za to morajo imeti delci dovolj energije.

Izračunani podatki kažejo, da se na primer v plinih trki molekul pri atmosferskem tlaku štejejo v milijardah na sekundo, to pomeni, da bi morale vse reakcije potekati takoj. A temu ni tako. Izkazalo se je, da ima le zelo majhen del molekul potrebno energijo za učinkovito trčenje.

Najmanjša odvečna energija, ki jo mora imeti delec (ali par delcev), da lahko pride do učinkovitega trčenja, se imenuje aktivacijska energijaE a.

Tako na poti vseh delcev, ki vstopajo v reakcijo, obstaja energijska pregrada, enaka aktivacijski energiji E a. Ko je majhen, ga lahko premaga veliko delcev in hitrost reakcije je velika. V nasprotnem primeru je potreben "push". Ko vzamete vžigalico za prižiganje alkoholne svetilke, oddate dodatno energijo E, ki je potrebna, da molekule alkohola učinkovito trčijo z molekulami kisika (prečkajo mejo).

Hitrost kemične reakcije je odvisna od številnih dejavnikov. Glavne so: narava in koncentracija reaktantov, tlak (pri reakcijah s plini), temperatura, učinek katalizatorjev in površina reaktantov v primeru heterogenih reakcij.

Temperatura

Ko se temperatura dvigne, se v večini primerov hitrost kemijske reakcije znatno poveča. V XIX stoletju. Nizozemski kemik J. X. Van't Hoff je oblikoval pravilo:

Povišanje temperature za vsakih 10 ° С vodi do povečanjahitrost reakcije 2-4 krat(ta vrednost se imenuje temperaturni koeficient reakcije).

Ko temperatura narašča, se povprečna hitrost molekul, njihova energija in število trkov nepomembno povečajo, vendar se delež "aktivnih" molekul, ki sodelujejo v učinkovitih trkih, ki premagajo energijsko pregrado reakcije, močno poveča. Matematično je ta odvisnost izražena z razmerjem:

kjer sta vt 1 in vt 2 reakcijski hitrosti pri končni temperaturi t 2 oziroma začetni temperaturi t 1, γ pa temperaturni koeficient hitrosti reakcije, ki kaže, kolikokrat se hitrost reakcije poveča z naraščanjem temperature za vsakih 10 ° C.

Za povečanje hitrosti reakcije pa zvišanje temperature ni vedno uporabno, saj se lahko vhodne snovi začnejo razgrajevati, topila ali same snovi lahko izhlapijo itd.

Endotermne in eksotermne reakcije

Znano je, da reakcijo metana z atmosferskim kisikom spremlja sproščanje velike količine toplote. Zato se v vsakdanjem življenju uporablja za kuhanje, ogrevanje vode in ogrevanje. Zemeljski plin, ki se v hiše dovaja po ceveh, je 98% metana. Reakcijo kalcijevega oksida (CaO) z vodo spremlja tudi sproščanje velike količine toplote.

Na kaj lahko kažejo ta dejstva? Ko novo kemijske vezi v reakcijskih produktih, večenergije, ki je potrebna za prekinitev kemičnih vezi v reagentih. Presežek energije se sprosti v obliki toplote in včasih svetlobe.

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + Q (energija (svetloba, toplota));

CaO + H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + Q (energija (toplota)).

Takšne reakcije naj potekajo enostavno (kako enostavno se kamen kotali navzdol).

Imenujejo se reakcije, pri katerih se sprošča energija EXOTHERMAL(iz latinskega "exo" - navzven).

Mnoge redoks reakcije so na primer eksotermne. Ena od teh čudovitih reakcij je intramolekularna redukcija oksidacije, ki poteka znotraj iste soli - amonijevega dikromata (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 (energija).

Druga stvar so obratne reakcije. So analogni valjanju kamna navkreber. Metana iz CO 2 in vode še ni bilo mogoče dobiti, za pridobitev živega apna CaO iz kalcijevega hidroksida Ca (OH) 2 pa je potrebno močno segrevanje. Takšna reakcija se pojavi le pri stalnem pretoku energije od zunaj:

Ca (OH) 2 \u003d CaO + H 2 O - Q (energija (toplota))

To kaže na to, da pretrganje kemičnih vezi v Ca (OH) 2 zahteva več energije, kot se lahko sprosti med tvorbo novih kemičnih vezi v molekulah CaO in H2O.

Imenujejo se reakcije, pri katerih se energija absorbira ENDOTERMALNA(od "endo" - navznoter).

Koncentracija reaktantov

Sprememba tlaka, ko plinaste snovi sodelujejo v reakciji, vodi tudi do spremembe koncentracije teh snovi.

Da bi lahko prišlo do kemične interakcije med delci, morajo učinkovito trčiti. Večja kot je koncentracija reaktantov, več trkov in s tem večja hitrost reakcije. Na primer, v čistem kisiku acetilen zelo hitro izgori. To razvije temperaturo, ki zadošča za taljenje kovine. Na podlagi velikega eksperimentalnega gradiva Norvežanov K. Guldenberga in P. Vaagea leta 1867 in neodvisno od njih leta 1865 ruskega znanstvenika NIBeketova je bil oblikovan osnovni zakon kemijske kinetike, ki določa odvisnost hitrosti reakcije od koncentracija reaktantov.

Hitrost kemijske reakcije je sorazmerna zmnožku koncentracij reaktantov, prevzetih z močmi, enakimi njihovim koeficientom v reakcijski enačbi.

Tudi ta zakon se imenuje zakon množic v akciji.

Za reakcijo A + B \u003d D bo ta zakon izražen na naslednji način:

Za reakcijo 2A + B \u003d D bo ta zakon izražen na naslednji način:

Tu so C A, C B koncentracije snovi A in B (mol / l); k 1 in k 2 sta koeficienta sorazmernosti, imenovani konstanti hitrosti reakcije.

Fizični pomen konstante hitrosti reakcije je enostavno določiti - številčno je enak reakcijski hitrosti, pri kateri so koncentracije reaktantov enake 1 mol / l ali njihov produkt enak enoti. V tem primeru je jasno, da je konstanta hitrosti reakcije odvisna samo od temperature in ni odvisna od koncentracije snovi.

Zakon o množičnih akcijah ne upošteva koncentracije reagentov v trdnem stanjusaj reagirajo na površinah in so njihove koncentracije običajno stalne.

Na primer, za reakcijo gorenja premoga je treba izraz za hitrost reakcije zapisati tako:

to pomeni, da je hitrost reakcije sorazmerna samo koncentraciji kisika.

Če enačba reakcije opisuje le celotno kemijsko reakcijo, ki poteka v več stopnjah, je lahko hitrost takšne reakcije na kompleksen način odvisna od koncentracije izhodnih snovi. To razmerje se določi eksperimentalno ali teoretično na podlagi predlaganega reakcijskega mehanizma.

Delovanje katalizatorjev

Hitrost reakcije je mogoče povečati z uporabo posebnih snovi, ki spreminjajo reakcijski mehanizem in ga usmerjajo po energijsko ugodnejši poti z nižjo aktivacijsko energijo. Imenujejo se katalizatorji (iz lat. Katalysis - uničenje).

Katalizator deluje kot izkušen vodnik, ki skupino turistov ne usmerja skozi visoki prelaz v gorah (premagovanje zahteva veliko truda in časa in ni na voljo vsem), temveč po njemu znanih krožnih poteh, po katerih goro lahko premagamo veliko lažje in hitreje.

Res je, da po krožni poti pridete ne ravno tja, kjer vodi glavni prelaz. Včasih pa se zahteva točno to! Tako delujejo katalizatorji, ki jih imenujemo selektivni. Jasno je, da amoniaka in dušika ni treba kuriti, vendar se dušikov oksid (II) uporablja pri proizvodnji dušikove kisline.

Katalizatorji - to so snovi, ki sodelujejo v kemični reakciji in spreminjajo njeno hitrost ali smer, po koncu reakcije pa ostanejo količinsko in kakovostno nespremenjene.

Spreminjanje hitrosti kemijske reakcije ali njene smeri s pomočjo katalizatorja se imenuje kataliza. Katalizatorji se pogosto uporabljajo v različnih panogah in v prometu (katalizatorji, ki pretvarjajo dušikove okside iz izpušnih plinov avtomobilov v neškodljiv dušik).

Obstajata dve vrsti katalize.

Homogena kataliza, pri katerem sta katalizator in reaktanti v enakem agregatnem stanju (faza).

Heterogena katalizav kateri sta katalizator in reaktanti v različnih fazah. Na primer, razgradnja vodikovega peroksida v prisotnosti trdnega katalizatorja manganovega (IV) oksida:

Sam katalizator se zaradi reakcije ne porabi, če pa se na njegovi površini adsorbirajo druge snovi (imenujejo jih katalitični strupi), potem površina ne deluje in katalizator je treba regenerirati. Zato pred začetkom katalitične reakcije vhodne snovi temeljito očistimo.

Na primer, pri proizvodnji žveplove kisline s kontaktno metodo se uporablja trdni katalizator - vanadij (V) oksid V 2 O 5:

Pri proizvodnji metanola se uporablja trden "cink-kromov" katalizator (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

Biološki katalizatorji - encimi delujejo zelo učinkovito. Po kemijski naravi so to beljakovine. Zahvaljujoč njih se v živih organizmih pri nizkih temperaturah z veliko hitrostjo odvijajo zapletene kemične reakcije.

Znane so tudi druge zanimive snovi - zaviralci (iz latinskega inhibere - zamujati). Hitro reagirajo z aktivnimi delci in tvorijo nizko aktivne spojine. Posledično se reakcija močno upočasni in nato ustavi. Inhibitorji so pogosto posebej dodani različnim snovem, da preprečijo neželene procese.

Na primer, raztopine vodikovega peroksida stabiliziramo z uporabo zaviralcev.

Narava reagirajočih snovi (njihova sestava, struktura)

Vrednost aktivacijska energijaje dejavnik, prek katerega vpliva vpliv narave reakcijskih snovi na hitrost reakcije.

Če je aktivacijska energija majhna (< 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.

Če je aktivacijska energija velika (\u003e 120 kJ / mol), to pomeni, da le majhen del trkov med delci, ki delujejo, vodi v reakcijo. Hitrost te reakcije je torej zelo nizka. Na primer, napredovanja reakcije sinteze amoniaka pri običajnih temperaturah je skoraj nemogoče opaziti.

Če imajo aktivacijske energije kemijskih reakcij vmesne vrednosti (40120 kJ / mol), bodo stopnje takih reakcij povprečne. Te reakcije vključujejo interakcijo natrija z vodo ali etilnim alkoholom, razbarvanje bromane vode z etilenom, interakcijo cinka s klorovodikovo kislino itd.

Kontaktna površina reaktantov

Hitrost reakcij, ki se pojavijo na površini snovi, tj. Heterogenih, je, pod enakimi pogoji, odvisna od lastnosti te površine. Znano je, da se kreda, mleta v prah, veliko hitreje raztopi v klorovodikovi kislini kot kos krede z enako težo.

Povečanje hitrosti reakcije je predvsem posledica povečanje kontaktne površine vhodnih materialov, pa tudi številne druge razloge, na primer kršitev strukture "pravilnega" kristalna rešetka... To vodi k dejstvu, da so delci na površini tvorjenih mikrokristalov veliko bolj reaktivni kot isti delci na "gladki" površini.

V industriji se za izvajanje heterogenih reakcij uporablja "fluidizirano plast" za povečanje kontaktne površine reaktantov, dovajanje vhodnih materialov in odstranjevanje produktov. Na primer, pri proizvodnji žveplove kisline z uporabo "fluidiziranega sloja" se pirit praži.

Referenčni material za testiranje:

periodni sistem

Tabela topnosti