Изследването на скоростта на химичната реакция и условията, влияещи върху нейната промяна, е една от областите на физическата химия - химичната кинетика. Тя също така разглежда механизмите на тези реакции и тяхната термодинамична валидност. Тези изследвания са важни не само за научни цели, но и за контролиране на взаимодействието на компонентите в реакторите при производството на всякакви вещества.

Концепцията за скорост в химията

Скоростта на реакцията е обичайно да се нарича определена промяна в концентрациите на съединенията, които са влезли в реакцията (ΔС) за единица време (Δt). Математическата формула за скоростта на химичната реакция е следната:

ᴠ = ±∆C/∆t.

Скоростта на реакцията се измерва в mol / l s, ако протича в целия обем (т.е. реакцията е хомогенна) и в mol / m 2 s, ако взаимодействието се извършва на повърхността, разделяща фазите (т.е. реакцията е разнородни). Знакът "-" във формулата се отнася до промяната в стойностите на концентрациите на изходните реагенти, а знакът "+" - до променящите се стойности на концентрациите на продуктите от същата реакция.

Примери за реакции с различни скорости

Химичните взаимодействия могат да протичат с различна скорост. По този начин скоростта на растеж на сталактитите, тоест образуването на калциев карбонат, е само 0,5 mm на 100 години. Някои биохимични реакции са бавни, като фотосинтезата и протеиновия синтез. Корозията на металите протича с доста ниска скорост.

Средната скорост може да се характеризира с реакции, изискващи от един до няколко часа. Такъв пример е готвенето, което е съпроводено с разлагане и трансформация на съдържащите се в продуктите съединения. Синтезът на отделни полимери изисква нагряване на реакционната смес за определено време.

Пример за химични реакции, чиято скорост е доста висока, могат да служат като реакции на неутрализация, взаимодействието на натриев бикарбонат с разтвор на оцетна киселина, придружено от отделяне на въглероден диоксид. Можем да споменем и взаимодействието на бариев нитрат с натриев сулфат, при което се наблюдава утаяване на неразтворим бариев сулфат.

Голям брой реакции могат да протичат със светкавична скорост и да бъдат придружени от експлозия. Класически пример е взаимодействието на калий с вода.

Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция

Струва си да се отбележи, че едни и същи вещества могат да реагират помежду си с различна скорост. Така например смес от газообразен кислород и водород може да не показва признаци на взаимодействие за доста дълго време, но когато контейнерът се разклати или удари, реакцията става експлозивна. Следователно химическата кинетика е идентифицирала определени фактори, които имат способността да влияят на скоростта на химичната реакция. Те включват:

• естеството на взаимодействащите вещества;
• концентрация на реагенти;
• промяна на температурата;
• наличието на катализатор;
• промяна в налягането (за газообразни вещества);
• зоната на контакт на веществата (ако говорим за хетерогенни реакции).

Влияние на природата на материята

Такава значителна разлика в скоростите на химичните реакции се обяснява с различни стойности на енергията на активиране (E a). Разбира се като определено излишно количество енергия в сравнение със средната й стойност, необходима на молекула по време на сблъсък, за да настъпи реакция. Измерва се в kJ / mol и стойностите обикновено са в диапазона 50-250.

Общоприето е, че ако E a \u003d 150 kJ / mol за всяка реакция, тогава при n. г. практически не тече. Тази енергия се изразходва за преодоляване на отблъскването между молекулите на веществата и за отслабване на връзките в изходните вещества. С други думи, енергията на активиране характеризира силата на химичните връзки във веществата. По стойността на енергията на активиране може предварително да се оцени скоростта на химичната реакция:

• E а< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
• 40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
• E a >120, само много малка част от сблъсъците на частици ще доведат до реакция и нейната скорост ще бъде ниска.

Влияние на концентрацията

Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията се характеризира най-точно от закона за масовото действие (LMA), който гласи:

Скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, чиито стойности се вземат в степени, съответстващи на техните стехиометрични коефициенти.

Този закон е подходящ за елементарни едноетапни реакции или всеки етап от взаимодействието на веществата, характеризиращ се със сложен механизъм.

Ако искате да определите скоростта на химична реакция, чието уравнение може условно да се напише като:

αА+ bB = ϲС, тогава,

в съответствие с посочената по-горе формулировка на закона скоростта може да се намери по уравнението:

V=k [A] a [B] b , където

a и b са стехиометрични коефициенти,

[A] и [B] - концентрации на изходните съединения,

k е константата на скоростта на въпросната реакция.

Значението на коефициента на скоростта на химичната реакция е, че неговата стойност ще бъде равна на скоростта, ако концентрациите на съединенията са равни на единици. Трябва да се отбележи, че за правилното изчисление по тази формула е необходимо да се вземе предвид агрегатното състояние на реагентите. Концентрацията на твърдо вещество се приема за единица и не е включена в уравнението, тъй като остава постоянна по време на реакцията. По този начин само концентрациите на течни и газообразни вещества са включени в изчислението според MDM. И така, за реакцията на получаване на силициев диоксид от прости вещества, описана с уравнението

Si (TV) + Ο 2 (g) \u003d SiO 2 (TV),

скоростта се определя по формулата:

Типична задача

Как би се променила скоростта на химичната реакция на азотния оксид с кислорода, ако концентрациите на изходните съединения се удвоят?

Решение: Този процес съответства на уравнението на реакцията:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2 .

Нека напишем изразите за началната (ᴠ 1) и крайната (ᴠ 2) скорости на реакция:

ᴠ 1 = k [ΝΟ] 2 [Ο 2 ] и

ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ].

ᴠ 1 / ᴠ 2 = (k 4[ΝΟ] 2 2[Ο 2 ]) / (k ・[ΝΟ] 2 [Ο 2 ]).

ᴠ 2 / ᴠ 1 = 4 2/1 = 8.

Отговор: увеличен с 8 пъти.

Температурен ефект

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата е определена експериментално от холандския учен J. H. Van't Hoff. Той установява, че скоростта на много реакции се увеличава 2-4 пъти на всеки 10 градуса повишаване на температурата. За това правило има математически израз, който изглежда така:

ᴠ 2 = ᴠ 1 γ (Τ2-Τ1)/10 , където

ᴠ 1 и ᴠ 2 - съответните скорости при температури Τ 1 и Τ 2;

γ - температурен коефициент, равен на 2-4.

В същото време това правило не обяснява механизма на влиянието на температурата върху стойността на скоростта на определена реакция и не описва целия набор от закономерности. Логично е да се заключи, че с повишаване на температурата хаотичното движение на частиците се увеличава и това провокира по-голям брой техни сблъсъци. Това обаче не засяга особено ефективността на молекулярните сблъсъци, тъй като зависи главно от енергията на активиране. Също така, значителна роля в ефективността на сблъсъка на частици играе тяхното пространствено съответствие помежду си.

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата, като се вземе предвид естеството на реагентите, се подчинява на уравнението на Арениус:

k \u003d A 0 e -Ea / RΤ, където

A o е множител;

E a - енергия на активиране.

Примерна задача по закона на ван'т Хоф

Как трябва да се промени температурата, така че скоростта на химична реакция, чийто температурен коефициент е числено равен на 3, да се увеличи 27 пъти?

Решение. Нека използваме формулата

ᴠ 2 = ᴠ 1 γ (Τ2-Τ1)/10 .

От условието ᴠ 2 / ᴠ 1 = 27 и γ = 3. Трябва да намерите ΔΤ = Τ 2 -Τ 1.

Трансформирайки оригиналната формула, получаваме:

V 2 /V 1 \u003d γ ΔΤ / 10.

Заменяме стойностите: 27=3 ΔΤ/10.

От това става ясно, че ΔΤ/10 = 3 и ΔΤ = 30.

Отговор: температурата трябва да се увеличи с 30 градуса.

Влияние на катализаторите

Във физическата химия скоростта на химичните реакции също се изучава активно от раздел, наречен катализа. Той се интересува от това как и защо относително малки количества от определени вещества значително увеличават скоростта на взаимодействие на други. Веществата, които могат да ускорят реакцията, но сами по себе си не се изразходват, се наричат ​​катализатори.

Доказано е, че катализаторите променят механизма на самото химично взаимодействие, допринасят за появата на нови преходни състояния, които се характеризират с по-ниска височина на енергийната бариера. Тоест, те допринасят за намаляване на енергията на активиране, а оттам и за увеличаване на броя на ефективните удари на частиците. Катализаторът не може да предизвика реакция, която е енергийно невъзможна.

Така че водородният пероксид може да се разложи с образуването на кислород и вода:

H 2 0 2 \u003d H 2 0 + 0 2.

Но тази реакция е много бавна и в нашите аптечки тя съществува непроменена доста дълго време. Когато отваряте само много стари флакони с пероксид, можете да видите малко пукане, причинено от налягането на кислорода по стените на съда. Добавянето само на няколко зрънца магнезиев оксид ще провокира активно отделяне на газ.

Същата реакция на разлагане на пероксида, но под действието на каталаза, възниква при лечението на рани. В живите организми има много различни вещества, които увеличават скоростта на биохимичните реакции. Те се наричат ​​ензими.

Инхибиторите имат обратен ефект върху хода на реакциите. Това обаче не винаги е лошо. Инхибиторите се използват за защита на метални продукти от корозия, за удължаване на срока на годност на храните, например за предотвратяване на окисляването на мазнините.

Контактна зона с веществото

В случай, че взаимодействието възниква между съединения с различни агрегатни състояния или между вещества, които не са в състояние да образуват хомогенна среда (несмесващи се течности), тогава този фактор също значително влияе върху скоростта на химичната реакция. Това се дължи на факта, че хетерогенните реакции се извършват директно на границата между фазите на взаимодействащите вещества. Очевидно колкото по-широка е тази граница, толкова повече частици имат възможност да се сблъскат и толкова по-бърза е реакцията.

Например, той върви много по-бързо под формата на малки чипове, отколкото под формата на труп. За същата цел много твърди вещества се смилат на фин прах, преди да се добавят към разтвор. И така, креда на прах (калциев карбонат) действа по-бързо със солна киселина, отколкото парче със същата маса. Но освен увеличаване на площта, тази техника води и до хаотично разкъсване на кристалната решетка на веществото, което означава, че увеличава реактивността на частиците.

Математически, скоростта на хетерогенна химическа реакция се намира като промяна в количеството вещество (Δν), възникващо за единица време (Δt) на единица повърхност

(S): V = Δν/(S Δt).

Влияние на налягането

Промяната в налягането в системата има ефект само когато в реакцията участват газове. Увеличаването на налягането се придружава от увеличаване на молекулите на веществото на единица обем, т.е. концентрацията му се увеличава пропорционално. Обратно, намаляването на налягането води до еквивалентно намаляване на концентрацията на реагента. В този случай формулата, съответстваща на ZDM, е подходяща за изчисляване на скоростта на химична реакция.

Задача. Как ще се увеличи скоростта на реакцията, описана от уравнението

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2,

ако обемът на затворена система се намали трикратно (T=const)?

Решение. Когато обемът намалява, налягането се увеличава пропорционално. Нека запишем изразите за началната (V 1) и крайната (V 2) скорости на реакция:

V 1 = k 2 [Ο 2 ] и

V 2 = k·(3·) 2 ·3·[Ο 2 ] = k·9[ΝΟ] 2 ·3[O 2 ].

За да намерите колко пъти новата скорост е по-голяма от първоначалната, трябва да разделите лявата и дясната част на изразите:

V 1 /V 2 = (k 9[ΝΟ] 2 3[Ο 2 ]) / (k ? [ΝΟ] 2 [Ο 2 ]).

Стойностите на концентрацията и константите на скоростта се намаляват и остават:

V 2 /V 1 \u003d 9 3/1 \u003d 27.

Отговор: скоростта се е увеличила 27 пъти.

Обобщавайки, трябва да се отбележи, че скоростта на взаимодействие на веществата, или по-скоро броят и качеството на сблъсъци на техните частици, се влияе от много фактори. На първо място, това е енергията на активиране и геометрията на молекулите, които са почти невъзможни за коригиране. Що се отнася до останалите условия, за увеличаване на скоростта на реакцията следва:

• повишаване на температурата на реакционната среда;
• увеличаване на концентрацията на оригиналните съединения;
• увеличаване на налягането в системата или намаляване на нейния обем, ако говорим за газове;
• привеждане на различни вещества в едно агрегатно състояние (например чрез разтваряне във вода) или увеличаване на площта на техния контакт.

Скоростта на химичната реакция е промяната в концентрацията на реагентите за единица време.

При хомогенни реакции, реакционното пространство се отнася до обема на реакционния съд, а при хетерогенните реакции, повърхността, върху която протича реакцията. Концентрацията на реагентите обикновено се изразява в mol/l - броя на моловете от веществото в 1 литър разтвор.

Скоростта на химичната реакция зависи от естеството на реагентите, концентрацията, температурата, налягането, контактната повърхност на веществата и нейната природа, наличието на катализатори.

Увеличаването на концентрацията на вещества, влизащи в химично взаимодействие, води до увеличаване на скоростта на химичната реакция. Това е така, защото всички химични реакции протичат между определен брой реагиращи частици (атоми, молекули, йони). Колкото повече от тези частици са в обема на реакционното пространство, толкова по-често се сблъскват и възниква химично взаимодействие. Химическата реакция може да протече чрез един или повече елементарни действия (сблъсъци). Въз основа на уравнението на реакцията е възможно да се напише израз за зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите. Ако само една молекула участва в елементарен акт (по време на реакция на разлагане), зависимостта ще изглежда така:

v= k*[A]

Това е уравнението за мономолекулна реакция. Когато две различни молекули взаимодействат в елементарен акт, зависимостта има формата:

v= k*[A]*[B]

Реакцията се нарича бимолекулярна. В случай на сблъсък на три молекули е валиден изразът:

v= k*[A]*[B]*[C]

Реакцията се нарича тримолекулна. Коефициентни обозначения:

v — бърза реакция;

[A], [B], [C] са концентрациите на реагентите;

k е коефициентът на пропорционалност; се нарича константа на скоростта на реакцията.

Ако концентрациите на реагентите са равни на единица (1 mol/l) или техният продукт е равен на единица, тогава v= k.. Скоростната константа зависи от природата на реагентите и от температурата. Зависимостта на скоростта на прости реакции (т.е. реакции, протичащи чрез един елементарен акт) от концентрацията се описва от закона за масовото действие: скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрацията на реагентите, повдигната на степен на техните стехиометрични коефициенти.

Например, нека анализираме реакцията 2NO + O 2 = 2NO 2.

В нея v= k* 2 *

В случай, че уравнението на химичната реакция не съответства на елементарен акт на взаимодействие, а отразява само връзката между масата на реагиралите и образуваните вещества, тогава степените на концентрациите няма да бъдат равни на коефициентите пред формулите на съответните вещества в уравнението на реакцията. За реакция, която протича на няколко етапа, скоростта на реакцията се определя от скоростта на най-бавния (ограничаващ) етап.

Тази зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите е валидна за газове и реакции, протичащи в разтвор. Реакциите, включващи твърди вещества, не се подчиняват на закона за масовото действие, тъй като взаимодействието на молекулите се извършва само на интерфейса. Следователно, скоростта на хетерогенна реакция също зависи от размера и естеството на контактната повърхност на реагиращите фази. Колкото по-голяма е повърхността, толкова по-бързо ще протече реакцията.

Ефектът на температурата върху скоростта на химичната реакция

Ефектът на температурата върху скоростта на химическата реакция се определя от правилото на Вант Хоф: с повишаване на температурата за всеки 10 ° С, скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти.Математически това правило се предава от следното уравнение:

v t2= v t1*g(t2-t1)/10

където v t1и v t2 —скорост на реакцията при температури t2 и t1; g - температурен коефициент на реакцията - число, показващо колко пъти се увеличава скоростта на реакцията с повишаване на температурата за всеки 10 ° В. Такава значителна зависимост на скоростта на химическата реакция от температурата се обяснява с факта, че образуването на нови вещества не възниква при всеки сблъсък на реагиращи молекули. Само тези молекули взаимодействат (активни молекули), които имат достатъчно енергия, за да разкъсат връзките в първоначалните частици. Следователно всяка реакция се характеризира с енергийна бариера. За да го преодолее, молекулата се нуждае от активираща енергия -някаква излишна енергия, която една молекула трябва да има, за да може нейният сблъсък с друга молекула да доведе до образуването на ново вещество. С повишаване на температурата броят на активните молекули бързо нараства, което води до рязко увеличаване на скоростта на реакцията според правилото на Ван Хоф. Енергията на активиране за всяка конкретна реакция зависи от природата на реагентите.

Теория на активните сблъсъципозволява да се обясни влиянието на някои фактори върху скоростта на химичната реакция. Основните положения на тази теория:

• Реакциите възникват, когато частици от реагенти, които имат определена енергия, се сблъскат.
• Колкото повече частици реагент, колкото по-близо са една до друга, толкова по-вероятно е да се сблъскат и да реагират.
• Само ефективните сблъсъци водят до реакцията, т.е. тези, при които "старите връзки" са разрушени или отслабени и следователно могат да се образуват "нови". За целта частиците трябва да имат достатъчна енергия.
• Нарича се минималната излишна енергия, необходима за ефективен сблъсък на частиците на реагентите енергия на активиране Ea.
• Активността на химикалите се проявява в ниската енергия на активиране на реакциите, в които участват. Колкото по-ниска е енергията на активиране, толкова по-висока е скоростта на реакцията.Например при реакции между катиони и аниони енергията на активиране е много ниска, така че такива реакции протичат почти мигновено.

Влияние на катализатора

Едно от най-ефективните средства за повлияване на скоростта на химичните реакции е използването на катализатори. Да се катализатори -Това са вещества, които променят скоростта на реакцията и до края на процеса остават непроменени по състав и маса. С други думи, в момента на самата реакция катализаторът активно участва в химичния процес, но до края на реакцията реагентите променят химичния си състав, превръщайки се в продукти и катализаторът се освобождава в първоначалната си форма. Обикновено ролята на катализатора е да увеличи скоростта на реакцията, въпреки че някои катализатори не ускоряват, а забавят процеса. Феноменът на ускоряване на химичните реакции поради наличието на катализатори се нарича катализа,и забавяния инхибиране.

Някои вещества нямат каталитичен ефект, но техните добавки рязко повишават каталитичната способност на катализаторите. Такива вещества се наричат промоутъри. Други вещества (каталитични отрови) намаляват или дори напълно блокират действието на катализаторите, този процес се нарича отравяне с катализатор.

Има два вида катализа: хомогенени разнородни. При хомогенна катализареагентите, продуктите и катализаторът представляват една фаза (газ или течност). В този случай няма интерфейс между катализатора и реагентите.

Особеност хетерогенна катализае, че катализаторите (обикновено твърди вещества) са във фазово състояние, различно от реагентите и реакционните продукти. Реакцията обикновено се развива на повърхността на твърдо вещество.

При хомогенната катализа се образуват междинни продукти между катализатора и реагента в резултат на реакция с по-ниска енергия на активиране. При хетерогенната катализа увеличаването на скоростта се обяснява с адсорбцията на реагентите върху повърхността на катализатора. В резултат на това концентрацията им се увеличава и скоростта на реакцията се увеличава.

Специален случай на катализа е автокатализа.Значението му се състои в това, че химичният процес се ускорява от един от продуктите на реакцията.

В живота се сблъскваме с различни химични реакции. Някои от тях, като ръждясването на желязото, могат да продължат няколко години. Други, като ферментацията на захар в алкохол, отнемат няколко седмици. Дървата за огрев в печката изгарят за няколко часа, а бензинът в двигателя изгаря за част от секундата.

За да намалят разходите за оборудване, химическите заводи увеличават скоростта на реакциите. А някои процеси, като разваляне на храни, корозия на метали, трябва да се забавят.

Скоростта на химична реакцияможе да се изрази като промяна в количеството материя (n, модул) за единица време (t) - сравнете скоростта на движещо се тяло във физиката като промяна в координатите за единица време: υ = Δx/Δt . Така че скоростта не зависи от обема на съда, в който протича реакцията, разделяме израза на обема на реагиращите вещества (v), т.е. получавамепромяна в количеството вещество за единица време на единица обем, или промяна на концентрацията на едно от веществата за единица време:

n 2 − n 1
υ = –––––––––– = –––––––– = Δс/Δt (1)
(t 2 − t 1) v Δt v

където c = n / v е концентрацията на веществото,

Δ (произнася се "делта") е общоприетото обозначение за промяна в величината.

Ако веществата имат различни коефициенти в уравнението, скоростта на реакцията за всяко от тях, изчислена по тази формула, ще бъде различна. Например 2 мола серен диоксид реагират напълно с 1 мол кислород за 10 секунди в 1 литър:

2SO 2 + O 2 \u003d 2SO 3

Скоростта на кислорода ще бъде: υ \u003d 1: (10 1) \u003d 0,1 mol / l s

Скорост на кисел газ: υ \u003d 2: (10 1) \u003d 0,2 mol / l s- това не е нужно да се учи наизуст и да се говори на изпита, дава се пример, за да не се объркате, ако възникне този въпрос.

Скоростта на хетерогенните реакции (включващи твърди вещества) често се изразява на единица площ от контактни повърхности:

Δn
υ = –––––– (2)
Δt S

Реакциите се наричат ​​хетерогенни, когато реагентите са в различни фази:

• твърдо вещество с друго твърдо вещество, течност или газ,
• две несмесващи се течности
• газ течност.

Протичат хомогенни реакции между вещества в една и съща фаза:

• между добре смесими течности,
• газове,
• вещества в разтвори.

Условия, влияещи върху скоростта на химичните реакции

1) Скоростта на реакция зависи от природата на реагентите. Просто казано, различните вещества реагират с различна скорост. Например, цинкът реагира бурно със солна киселина, докато желязото реагира доста бавно.

2) Скоростта на реакция е по-голяма, толкова по-висока концентрациявещества. При силно разредена киселина на цинка ще му трябва значително повече време, за да реагира.

3) Скоростта на реакция се увеличава значително с увеличаване температура. Например, за да изгори горивото, е необходимо да го запалите, тоест да повишите температурата. За много реакции повишаването на температурата с 10°C се придружава от увеличаване на скоростта с фактор 2-4.

4) Скорост разнородниреакциите нарастват с увеличаване повърхности на реагенти. Твърдите вещества за това обикновено се натрошават. Например, за да реагират желязото и серните прахове при нагряване, желязото трябва да бъде под формата на малки дървени стърготини.

Обърнете внимание, че формула (1) се подразбира в този случай! Формула (2) изразява скоростта на единица площ, следователно не може да зависи от площта.

5) Скоростта на реакцията зависи от наличието на катализатори или инхибитори.

КатализаториВещества, които ускоряват химичните реакции, но сами по себе си не се изразходват. Пример за това е бързото разлагане на водороден пероксид с добавяне на катализатор - манганов (IV) оксид:

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

Мангановият (IV) оксид остава на дъното и може да се използва повторно.

инхибитори- вещества, които забавят реакцията. Например, за да се удължи живота на тръбите и батериите, към системата за отопление на водата се добавят инхибитори на корозията. В автомобилите към спирачната течност се добавят инхибитори на корозията.

Още няколко примера.

системи. Но тази стойност не отразява реалната възможност за реакция, нейната скорости механизъм.

За пълно представяне на химична реакция трябва да се знае какви времеви модели съществуват по време на нейното изпълнение, т.е. скорост на химична реакцияи неговия подробен механизъм. Изследвания на скоростта и механизма на реакцията химична кинетиканауката за химичния процес.

По отношение на химичната кинетика, реакциите могат да бъдат класифицирани на прости и сложни.

прости реакции- процеси, протичащи без образуване на междинни съединения. Според броя на участващите в него частици се делят на мономолекулни, бимолекулни, тримолекулни.Сблъсъкът на повече от 3 частици е малко вероятен, така че тримолекулните реакции са доста редки, а четиримолекулните са неизвестни. Сложни реакции- процеси, състоящи се от няколко елементарни реакции.

Всеки процес протича с присъщата му скорост, която може да се определи от промените, които настъпват за определен период от време. средата скорост на химична реакцияизразява се като промяна в количеството на дадено вещество нконсумирано или получено вещество за единица обем V за единица време t.

υ = ± дн/ дт· V

Ако веществото се консумира, тогава поставяме знака "-", ако се натрупва - "+"

При постоянен обем:

υ = ± DC/ дт,

Единица за скорост на реакцията mol/l s

Като цяло υ е постоянна стойност и не зависи от това кое вещество следваме в реакцията.

Зависимостта на концентрацията на реагента или продукта от времето на реакцията е представена като кинетична крива, което изглежда така:

По-удобно е да се изчисли υ от експериментални данни, ако горните изрази се преобразуват в следния израз:

Законът за активните маси. Ред и константа на скоростта на реакцията

Една от формулировките закон за масовото действиезвучи така: Скоростта на елементарна хомогенна химична реакция е правопропорционална на произведението на концентрациите на реагентите.

Ако процесът, който се изследва, е представен като:

a A + b B = продукти

тогава може да се изрази скоростта на химична реакция кинетично уравнение:

υ = k [A] a [B] bили

υ = k C a A C b B

Тук [ А] и [б] (C A иC B) - концентрация на реагенти,

а иbса стехиометричните коефициенти на проста реакция,

ке константата на скоростта на реакцията.

Химическото значение на количеството к- то бърза реакцияпри единични концентрации. Тоест, ако концентрациите на веществата А и В са равни на 1, тогава υ = к.

Трябва да се има предвид, че при сложни химични процеси коеф а иbне съвпадат със стехиометричните.

Законът за масовото действие се изпълнява при редица условия:

• Реакцията е термично активирана, т.е. топлинна енергия на движение.
• Концентрацията на реагентите е равномерно разпределена.
• Свойствата и условията на околната среда не се променят по време на процеса.
• Свойствата на околната среда не трябва да влияят к.

За сложни процеси закон за масовото действие не може да се прилага. Това може да се обясни с факта, че един сложен процес се състои от няколко елементарни етапа и неговата скорост ще се определя не от общата скорост на всички етапи, а от един от най-бавните етапи, който се нарича ограничаване.

Всяка реакция има своя собствена поръчка. Определи частна (частична) поръчкачрез реагент и общ (пълен) ред. Например в израза за скоростта на химична реакция за процес

a A + b B = продукти

υ = к·[ А] а·[ б] b

а– подреждане по реактив И

b — подреждане по реагент AT

Общ ред а + b = н

За прости процесиредът на реакцията показва броя на реагиращите частици (съвпада със стехиометричните коефициенти) и приема цели числа. За сложни процесиредът на реакцията не съвпада със стехиометричните коефициенти и може да бъде произволен.

Нека определим факторите, влияещи върху скоростта на химичната реакция υ.

1. Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите

   определя се от закона за масовото действие: υ = к[ А] а·[ б] b

Очевидно с увеличаване на концентрациите на реагентите υ се увеличава, т.к нараства броят на сблъсъците между веществата, участващи в химичния процес. Освен това е важно да се вземе предвид редът на реакцията: ако тя n=1за някакъв реагент, тогава неговата скорост е право пропорционална на концентрацията на това вещество. Ако за някакъв реагент n=2, тогава удвояването на концентрацията му ще доведе до увеличаване на скоростта на реакцията с 2 2 \u003d 4 пъти, а увеличаването на концентрацията с 3 пъти ще ускори реакцията с 3 2 \u003d 9 пъти.

Химичните реакции протичат с различни скорости: с ниска скорост - по време на образуването на сталактити и сталагмити, със средна скорост - при готвене на храна, незабавно - по време на експлозия. Реакциите във водни разтвори протичат много бързо.

Определянето на скоростта на химичната реакция, както и изясняването на нейната зависимост от условията на процеса, е задача на химичната кинетика - науката за законите, управляващи хода на химичните реакции във времето.

Ако химичните реакции протичат в хомогенна среда, например в разтвор или в газова фаза, тогава взаимодействието на реагиращите вещества се извършва в целия обем. Такива реакции се наричат хомогенен.

(v homog) се определя като промяната в количеството вещество за единица време за единица обем:

където Δn е промяната в броя молове на едно вещество (най-често първоначалното, но може да бъде и продуктът на реакцията); Δt - интервал от време (s, min); V е обемът газ или разтвор (l).

Тъй като отношението на количеството вещество към обема е моларната концентрация С, тогава

По този начин скоростта на хомогенна реакция се определя като промяна в концентрацията на едно от веществата за единица време:

ако обемът на системата не се променя.

Ако възникне реакция между вещества в различни агрегатни състояния (например между твърдо вещество и газ или течност) или между вещества, които не могат да образуват хомогенна среда (например между несмесващи се течности), тогава тя се извършва само върху контактната повърхност на веществата. Такива реакции се наричат разнородни.

Определя се като промяна в количеството вещество за единица време на единица повърхност.

където S е повърхността на контакт на веществата (m 2, cm 2).

Промяната в количеството на веществото, чрез което се определя скоростта на реакцията, е външен фактор, наблюдаван от изследователя. Всъщност всички процеси се извършват на микро ниво. Очевидно, за да реагират някои частици, те трябва преди всичко да се сблъскат, и то ефективно: не да се разпръснат като топки в различни посоки, а по такъв начин, че „старите връзки“ в частиците да бъдат унищожени или отслабени и „ могат да се образуват нови, като за целта частиците трябва да имат достатъчно енергия.

Изчислените данни показват, че например в газовете сблъсъците на молекули при атмосферно налягане са милиарди за 1 секунда, тоест всички реакции трябва да са минали моментално. Но не е. Оказва се, че само много малка част от молекулите имат необходимата енергия, за да предизвикат ефективен сблъсък.

Минималният излишък на енергия, който една частица (или двойка частици) трябва да притежава, за да възникне ефективен сблъсък, се нарича активираща енергияЕа.

Така по пътя на всички частици, влизащи в реакцията, има енергийна бариера, равна на енергията на активиране E a . Когато е малък, има много частици, които могат да го преодолеят, а скоростта на реакцията е висока. В противен случай се изисква "натискане". Когато донесете кибрит, за да запалите спиртна лампа, вие придавате допълнителна енергия E a , необходима за ефективния сблъсък на молекулите на алкохола с молекулите на кислорода (преодоляване на бариерата).

Скоростта на химичната реакция зависи от много фактори. Основните са: естеството и концентрацията на реагентите, налягането (при реакции с участието на газове), температурата, действието на катализаторите и повърхността на реагентите в случай на хетерогенни реакции.

температура

С повишаването на температурата в повечето случаи скоростта на химичната реакция се увеличава значително. През 19 век Холандският химик J. X. Van't Hoff формулира правилото:

Повишаването на температурата на всеки 10 °C води до повишаване наскорост на реакция от 2-4 пъти(тази стойност се нарича температурен коефициент на реакцията).

С повишаване на температурата средната скорост на молекулите, тяхната енергия и броят на сблъсъците се увеличават леко, но делът на "активните" молекули, участващи в ефективни сблъсъци, които преодоляват енергийната бариера на реакцията, рязко нараства. Математически тази зависимост се изразява чрез отношението:

където v t 1 и v t 2 са реакционните скорости, съответно, при крайните t 2 и началните t 1 температури, а γ е температурният коефициент на скоростта на реакцията, който показва колко пъти се увеличава скоростта на реакцията с всяко увеличение от 10 ° C в температурата.

Въпреки това, за да се увеличи скоростта на реакцията, повишаването на температурата не винаги е приложимо, тъй като изходните материали могат да започнат да се разлагат, разтворителите или самите вещества могат да се изпарят и т.н.

Ендотермични и екзотермични реакции

Известно е, че реакцията на метан с атмосферния кислород е придружена от отделяне на голямо количество топлина. Поради това се използва в ежедневието за готвене, загряване на вода и отопление. Природният газ, доставян в домовете чрез тръби, е 98% метан. Реакцията на калциев оксид (CaO) с вода също е придружена от отделяне на голямо количество топлина.

Какво могат да говорят тези факти? Когато в продуктите на реакцията се образуват нови химични връзки, Повече ▼енергия, отколкото е необходима за разкъсване на химичните връзки в реагентите. Излишната енергия се освобождава под формата на топлина и понякога светлина.

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + Q (енергия (светлина, топлина));

CaO + H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + Q (енергия (топлина)).

Такива реакции трябва да протичат лесно (както камъкът лесно се търкаля надолу).

Реакциите, при които се отделя енергия, се наричат ЕКЗОТЕРМИЧЕН(от латинското "exo" - навън).

Например, много редокс реакции са екзотермични. Една от тези красиви реакции е вътрешномолекулно окисление-редукция, протичащо в същата сол - амониев дихромат (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 (енергия).

Друго нещо е обратната реакция. Те са подобни на търкаляне на камък нагоре. Все още не е възможно да се получи метан от CO 2 и вода и е необходимо силно нагряване, за да се получи негасена вар CaO от калциев хидроксид Ca (OH) 2. Такава реакция възниква само при постоянен приток на енергия отвън:

Ca (OH) 2 \u003d CaO + H 2 O - Q (енергия (топлина))

Това предполага, че разкъсването на химични връзки в Ca(OH) 2 изисква повече енергия, отколкото може да бъде освободена по време на образуването на нови химични връзки в CaO и H 2 O молекули.

Реакциите, при които се поглъща енергия, се наричат ЕНДОТЕРМИЧЕН(от "ендо" - вътре).

Концентрация на реагента

Промяната в налягането с участието на газообразни вещества в реакцията също води до промяна в концентрацията на тези вещества.

За да възникне химическо взаимодействие между частиците, те трябва ефективно да се сблъскат. Колкото по-голяма е концентрацията на реагентите, толкова повече сблъсъци и съответно по-висока скорост на реакцията. Например ацетиленът гори много бързо в чист кислород. Това развива температура, достатъчна за стопяване на метала. Въз основа на голям експериментален материал през 1867 г. норвежците К. Гулденберг и П. Вааге и независимо от тях през 1865 г. руският учен Н. И. Бекетов формулират основния закон на химичната кинетика, който установява зависимостта на реакцията скорост на концентрацията на реагиращите вещества.

Скоростта на химичната реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите, взети в степени, равни на техните коефициенти в уравнението на реакцията.

Този закон се нарича още законът за масовото действие.

За реакцията A + B \u003d D този закон ще бъде изразен, както следва:

За реакцията 2A + B = D този закон се изразява по следния начин:

Тук C A, C B са концентрациите на веществата A и B (mol / l); k 1 и k 2 - коефициенти на пропорционалност, наречени константи на скоростта на реакцията.

Физическият смисъл на константата на скоростта на реакцията е лесен за установяване - тя е числено равна на скоростта на реакцията, при която концентрациите на реагентите са 1 mol / l или произведението им е равно на единица. В този случай е ясно, че константата на скоростта на реакцията зависи само от температурата и не зависи от концентрацията на веществата.

Закон за действащите маси не отчита концентрацията на реагентите в твърдо състояние, тъй като те реагират на повърхности и техните концентрации обикновено са постоянни.

Например, за реакцията на горене на въглища, изразът за скоростта на реакцията трябва да бъде написан, както следва:

т.е. скоростта на реакцията е само пропорционална на концентрацията на кислород.

Ако уравнението на реакцията описва само цялостната химическа реакция, която протича на няколко етапа, тогава скоростта на такава реакция може да зависи по сложен начин от концентрациите на изходните вещества. Тази зависимост се определя експериментално или теоретично въз основа на предложения механизъм на реакция.

Действието на катализаторите

Възможно е да се увеличи скоростта на реакцията чрез използване на специални вещества, които променят механизма на реакцията и я насочват по енергийно по-благоприятен път с по-ниска енергия на активиране. Те се наричат ​​катализатори (от латински katalysis - разрушаване).

Катализаторът действа като опитен гид, превеждайки група туристи не през висок проход в планината (преодоляването му изисква много усилия и време и не е достъпен за всеки), а по познатите му обходни пътеки, по които можете да преодолеете планината много по-лесно и по-бързо.

Вярно е, че по заобиколен път можете да стигнете не точно там, където води основният проход. Но понякога точно това ви трябва! Така действат катализаторите, които се наричат ​​селективни. Ясно е, че няма нужда да се изгарят амоняк и азот, но азотният оксид (II) намира приложение в производството на азотна киселина.

Катализатори- Това са вещества, които участват в химична реакция и променят нейната скорост или посока, но в края на реакцията остават непроменени количествено и качествено.

Промяната на скоростта на химическа реакция или нейната посока с помощта на катализатор се нарича катализа. Катализаторите се използват широко в различни индустрии и в транспорта (каталитични конвертори, които превръщат азотните оксиди в изгорелите газове на автомобилите в безвреден азот).

Има два вида катализа.

хомогенна катализа, при което и катализаторът, и реагентите са в едно и също агрегатно състояние (фаза).

хетерогенна катализакъдето катализаторът и реагентите са в различни фази. Например, разлагането на водороден пероксид в присъствието на твърд катализатор манганов (IV) оксид:

Самият катализатор не се изразходва в резултат на реакцията, но ако на повърхността му се адсорбират други вещества (те се наричат ​​каталитични отрови), тогава повърхността става неработеща и е необходима регенерация на катализатора. Следователно, преди провеждане на каталитичната реакция, изходните материали се пречистват напълно.

Например, при производството на сярна киселина чрез контактен метод се използва твърд катализатор - ванадиев (V) оксид V 2 O 5:

При производството на метанол се използва твърд катализатор "цинк-хром" (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

Биологичните катализатори – ензимите – действат много ефективно. По химическа природа това са протеини. Благодарение на тях сложните химични реакции протичат с висока скорост в живите организми при ниски температури.

Известни са и други интересни вещества – инхибитори (от лат. inhibere – забавям). Те реагират с активни частици с висока скорост, за да образуват неактивни съединения. В резултат на това реакцията рязко се забавя и след това спира. Инхибиторите често се добавят специално към различни вещества, за да предотвратят нежелани процеси.

Например, разтворите на водороден прекис се стабилизират с инхибитори.

Естеството на реагентите (техният състав, структура)

Значение активираща енергияе факторът, чрез който се влияе влиянието на природата на реагиращите вещества върху скоростта на реакцията.

Ако енергията на активиране е ниска (< 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.

Ако енергията на активиране е висока(> 120 kJ/mol), това означава, че само незначителна част от сблъсъците между взаимодействащи частици водят до реакция. Следователно скоростта на такава реакция е много бавна. Например, развитието на реакцията на синтез на амоняк при обикновена температура е почти невъзможно да се забележи.

Ако енергиите на активиране на химичните реакции имат междинни стойности (40120 kJ / mol), тогава скоростите на такива реакции ще бъдат средни. Такива реакции включват взаимодействието на натрий с вода или етилов алкохол, обезцветяването на бромната вода с етилен, взаимодействието на цинка със солна киселина и др.

Контактна повърхност на реагентите

Скоростта на реакциите, протичащи на повърхността на веществата, т.е. хетерогенните, зависи при равни други условия от свойствата на тази повърхност. Известно е, че тебеширът на прах се разтваря много по-бързо в солна киселина, отколкото парче тебешир с еднаква маса.

Увеличаването на скоростта на реакция се дължи предимно на увеличаване на контактната повърхност на изходните вещества, както и редица други причини, например нарушение на структурата на "правилната" кристална решетка. Това води до факта, че частиците на повърхността на образуваните микрокристали са много по-реактивни от същите частици на "гладка" повърхност.

В промишлеността за провеждане на хетерогенни реакции се използва „кипящ слой“ за увеличаване на контактната повърхност на реагентите, доставяне на изходни материали и отстраняване на продуктите. Например, при производството на сярна киселина с помощта на "кипящ слой", пиритът се пече.

Справочен материал за преминаване на теста:

Менделеевата таблица

Таблица за разтворимост