Szybkość reakcji chemicznej

Szybkość reakcji chemicznej- zmiana ilości jednej z reagujących substancji na jednostkę czasu w jednostce przestrzeni reakcji. Jest to kluczowe pojęcie kinetyki chemicznej. Szybkość reakcji chemicznej jest zawsze dodatnia, dlatego jeśli jest określona przez substancję początkową (której stężenie zmniejsza się podczas reakcji), to wynikową wartość mnoży się przez −1.

Na przykład dla reakcji:

wyrażenie określające prędkość będzie wyglądać następująco:

. Szybkość reakcji chemicznej w każdym momencie jest proporcjonalna do stężeń reagentów, podniesionych do potęg równych ich współczynnikom stechiometrycznym.

W przypadku reakcji elementarnych wykładnik wartości stężenia każdej substancji jest często równy jej współczynnikowi stechiometrycznemu, w przypadku reakcji złożonych zasada ta nie jest przestrzegana. Oprócz stężenia na szybkość reakcji chemicznej wpływają następujące czynniki:

• charakter reagentów,
• obecność katalizatora
• temperatura (reguła van't Hoffa),
• nacisk,
• powierzchnia reagentów.

Jeśli weźmiemy pod uwagę najprostszą reakcję chemiczną A + B → C, to zauważymy to natychmiastowy szybkość reakcji chemicznej nie jest stała.

Literatura

• Kubasov A. A. Kinetyka chemiczna i kataliza.
• Prigogine I., Defey R. Termodynamika chemiczna. Nowosybirsk: Nauka, 1966. 510 s.
• Yablonsky GS, Bykov VI, Gorban AN, Kinetyczne modele reakcji katalitycznych, Nowosybirsk: Nauka (Siberian Branch), 1983.- 255 s.

Fundacja Wikimedia. 2010 .

• Walijskie dialekty języka angielskiego
• Piła (seria filmów)

Zobacz, jaka jest „Szybkość reakcji chemicznej” w innych słownikach:

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ- podstawowe pojęcia kinetyki chemicznej. W przypadku prostych reakcji jednorodnych szybkość reakcji chemicznej mierzy się zmianą liczby moli reagującej substancji (przy stałej objętości układu) lub zmianą stężenia którejkolwiek z substancji wyjściowych ... Wielki słownik encyklopedyczny

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ- podstawowe pojęcie chemii. kinetyka, wyrażająca stosunek ilości przereagowanej substancji (w molach) do czasu trwania interakcji. Ponieważ stężenia reagentów zmieniają się podczas interakcji, szybkość jest zwykle ... Wielka encyklopedia politechniczna

szybkość reakcji chemicznej- wartość charakteryzująca intensywność reakcji chemicznej. Szybkość tworzenia produktu reakcji to ilość tego produktu w wyniku reakcji na jednostkę czasu na jednostkę objętości (jeśli reakcja jest jednorodna) lub na ... ...

szybkość reakcji chemicznej- podstawowe pojęcia kinetyki chemicznej. W przypadku prostych reakcji jednorodnych szybkość reakcji chemicznej mierzy się zmianą liczby moli reagującej substancji (przy stałej objętości układu) lub zmianą stężenia którejkolwiek z substancji wyjściowych ... słownik encyklopedyczny

Szybkość reakcji chemicznej- wartość charakteryzująca intensywność reakcji chemicznej (patrz Reakcje chemiczne). Szybkość tworzenia produktu reakcji to ilość tego produktu wynikająca z reakcji w jednostce czasu w jednostce objętości (jeśli ... ...

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ- Główny koncepcja chemii. kinetyka. Dla prostych reakcji jednorodnych S. x. R. mierzona zmianą liczby moli przereagowanego in va (przy stałej objętości układu) lub zmianą stężenia któregokolwiek z początkowych in lub produktów reakcji (jeśli objętość układu ...

MECHANIZM REAKCJI CHEMICZNEJ- Do złożonych reakcji składających się z kilku. etapy (proste lub elementarne reakcje), mechanizm jest zbiorem etapów, w wyniku których początkowe w va są przekształcane w produkty. Pośrednik w tobie w tych reakcjach może działać jako cząsteczki, ... ... Naturalna nauka. słownik encyklopedyczny

Reakcje podstawienia nukleofilowego- (angielska reakcja podstawienia nukleofilowego) reakcja podstawienia, w której atak przeprowadzany jest przez odczynnik nukleofilowy niosący nieudostępnioną parę elektronów. Grupa opuszczająca w reakcjach podstawienia nukleofilowego nazywana jest nukleofugiem. Wszystko ... Wikipedia

Reakcje chemiczne- przekształcenie niektórych substancji w inne, różniące się od oryginału składem chemicznym lub strukturą. Całkowita liczba atomów każdego danego pierwiastka, a także same pierwiastki chemiczne, z których składają się substancje, pozostają w R. x. bez zmian; ten Rx... Wielka radziecka encyklopedia

szybkość rysowania- prędkość liniowa ruchu metalu na wyjściu z matrycy, m/s. Na nowoczesnych ciągarkach prędkość ciągnienia sięga 50-80 m/s. Jednak nawet podczas ciągnienia drutu prędkość z reguły nie przekracza 30–40 m/s. Na… … Słownik encyklopedyczny metalurgii

Szybkość reakcji chemicznej to zmiana stężenia reagentów w jednostce czasu.

W reakcjach jednorodnych przestrzeń reakcji odnosi się do objętości naczynia reakcyjnego, aw reakcjach heterogenicznych do powierzchni, na której zachodzi reakcja. Stężenie reagentów wyraża się zwykle w mol/l - liczbie moli substancji w 1 litrze roztworu.

Szybkość reakcji chemicznej zależy od rodzaju reagentów, stężenia, temperatury, ciśnienia, powierzchni kontaktu substancji i jej charakteru, obecności katalizatorów.

Wzrost stężenia substancji wchodzących w interakcję chemiczną prowadzi do zwiększenia szybkości reakcji chemicznej. Dzieje się tak, ponieważ wszystkie reakcje chemiczne zachodzą między określoną liczbą reagujących cząstek (atomów, cząsteczek, jonów). Im więcej tych cząstek w objętości przestrzeni reakcyjnej, tym częściej dochodzi do zderzeń i interakcji chemicznych. Reakcja chemiczna może przebiegać przez jeden lub więcej aktów elementarnych (zderzeń). Na podstawie równania reakcji można napisać wyrażenie na zależność szybkości reakcji od stężenia reagentów. Jeśli tylko jedna cząsteczka bierze udział w akcie elementarnym (podczas reakcji rozkładu), zależność będzie wyglądać następująco:

w= k*[A]

To jest równanie reakcji monomolekularnej. Kiedy dwie różne molekuły wchodzą w interakcje w akcie elementarnym, zależność ma postać:

w= k*[A]*[B]

Reakcja nazywana jest bimolekularną. W przypadku zderzenia trzech cząsteczek obowiązuje wyrażenie:

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

Reakcja nazywana jest trójcząsteczkową. Oznaczenia współczynników:

w — szybkość reakcji;

[A], [B], [C] to stężenia reagentów;

k jest współczynnikiem proporcjonalności; nazywa się stałą szybkości reakcji.

Jeżeli stężenia reagentów są równe jeden (1 mol/l) lub ich iloczyn jest równy jeden, to wtedy v= k.. Stała szybkości zależy od rodzaju reagentów i od temperatury. Zależność szybkości reakcji prostych (tj. reakcji zachodzących w wyniku jednego aktu elementarnego) od koncentracji opisuje prawo działania mas: szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów podniesionych do potęgi ich współczynników stechiometrycznych.

Na przykład przeanalizujmy reakcję 2NO + O 2 = 2NO 2.

W niej w= k* 2 *

W przypadku, gdy równanie reakcji chemicznej nie odpowiada elementarnemu aktowi interakcji, ale odzwierciedla jedynie zależność między masą przereagowanych i utworzonych substancji, wówczas stopnie stężeń nie będą równe współczynnikom przed wzory odpowiednich substancji w równaniu reakcji. W przypadku reakcji, która przebiega w kilku etapach, szybkość reakcji zależy od szybkości najwolniejszego (ograniczającego) etapu.

Ta zależność szybkości reakcji od stężenia reagentów obowiązuje dla gazów i reakcji zachodzących w roztworach. Reakcje z udziałem ciał stałych nie podlegają prawu działania mas, ponieważ oddziaływanie cząsteczek zachodzi tylko na granicy faz. W konsekwencji szybkość heterogenicznej reakcji zależy również od wielkości i charakteru powierzchni kontaktu reagujących faz. Im większa powierzchnia, tym szybciej będzie przebiegać reakcja.

Wpływ temperatury na szybkość reakcji chemicznej

Wpływ temperatury na szybkość reakcji chemicznej określa reguła van't Hoffa: ze wzrostem temperatury co 10 ° C, szybkość reakcji wzrasta 2-4 razy. Matematycznie regułę tę wyraża następujące równanie:

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

gdzie v t1 oraz v t2 — szybkości reakcji w temperaturach t2 i t1; g - współczynnik temperaturowy reakcji - liczba pokazująca, ile razy szybkość reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury na każde 10 ° C. Tak znaczącą zależność szybkości reakcji chemicznej od temperatury tłumaczy się tym, że nie przy każdym zderzeniu reagujących cząsteczek nie powstają nowe substancje. Oddziałują tylko te cząsteczki (cząsteczki aktywne), które mają wystarczającą energię do rozerwania wiązań w pierwotnych cząstkach. Dlatego każda reakcja charakteryzuje się barierą energetyczną. Aby go pokonać, cząsteczka potrzebuje energia aktywacji - pewna nadwyżka energii, którą cząsteczka musi mieć, aby jej zderzenie z inną cząsteczką doprowadziło do powstania nowej substancji. Wraz ze wzrostem temperatury liczba aktywnych cząsteczek gwałtownie wzrasta, co prowadzi do gwałtownego wzrostu szybkości reakcji zgodnie z regułą van't Hoffa. Energia aktywacji dla każdej konkretnej reakcji zależy od natury reagentów.

Teoria zderzeń aktywnych pozwala wyjaśnić wpływ niektórych czynników na szybkość reakcji chemicznej. Główne postanowienia tej teorii:

• Reakcje zachodzą, gdy zderzają się cząstki reagentów, które mają określoną energię.
• Im więcej cząstek odczynników, im bliżej siebie, tym większe prawdopodobieństwo, że zderzą się i zareagują.
• Tylko efektywne zderzenia prowadzą do reakcji, tj. takie, w których „stare więzi” ulegają zniszczeniu lub osłabieniu, a zatem mogą powstać „nowe”. Aby to zrobić, cząstki muszą mieć wystarczającą energię.
• Minimalna nadwyżka energii wymagana do skutecznego zderzenia cząstek reagentów nazywa się energia aktywacji Ea.
• Aktywność chemikaliów przejawia się w niskiej energii aktywacji reakcji z ich udziałem. Im niższa energia aktywacji, tym wyższa szybkość reakcji. Na przykład w reakcjach między kationami i anionami energia aktywacji jest bardzo niska, więc takie reakcje zachodzą niemal natychmiast.

Wpływ katalizatora

Jednym z najskuteczniejszych sposobów wpływania na szybkość reakcji chemicznych jest stosowanie katalizatorów. Do katalizatory - Są to substancje, które zmieniają szybkość reakcji i pod koniec procesu pozostają niezmienione pod względem składu i masy. Innymi słowy, w momencie samej reakcji katalizator aktywnie uczestniczy w procesie chemicznym, ale pod koniec reakcji reagenty zmieniają swój skład chemiczny, zamieniając się w produkty, a katalizator jest uwalniany w swojej pierwotnej postaci. Zwykle rolą katalizatora jest zwiększenie szybkości reakcji, chociaż niektóre katalizatory nie przyspieszają, ale spowalniają proces. Zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznych pod wpływem obecności katalizatorów nazywa się kataliza, i spowolnień zahamowanie.

Niektóre substancje nie mają działania katalitycznego, ale ich dodatki znacznie zwiększają zdolność katalityczną katalizatorów. Substancje takie nazywane są promotorzy. Inne substancje (trucizny katalityczne) zmniejszają lub wręcz całkowicie blokują działanie katalizatorów, proces ten nazywa się zatrucie katalizatora.

Istnieją dwa rodzaje katalizy: jednorodny oraz heterogeniczny. Na kataliza homogeniczna reagenty, produkty i katalizator stanowią jedną fazę (gazową lub ciekłą). W tym przypadku nie ma interfejsu między katalizatorem a reagentami.

Osobliwość kataliza heterogeniczna polega na tym, że katalizatory (zwykle ciała stałe) znajdują się w innym stanie fazowym niż reagenty i produkty reakcji. Reakcja zwykle zachodzi na powierzchni ciała stałego.

W katalizie homogenicznej powstają produkty pośrednie pomiędzy katalizatorem a reagentem w wyniku reakcji o niższej energii aktywacji. W katalizie heterogenicznej wzrost szybkości tłumaczy się adsorpcją reagentów na powierzchni katalizatora. W efekcie wzrasta ich stężenie i zwiększa się szybkość reakcji.

Szczególnym przypadkiem jest kataliza autokataliza. Jego znaczenie polega na tym, że proces chemiczny jest przyspieszany przez jeden z produktów reakcji.

Przez szybkość reakcji chemicznej rozumie się zmianę stężenia jednej z reagujących substancji w jednostce czasu przy stałej objętości układu.

Zazwyczaj stężenie wyraża się w molach/L, a czas w sekundach lub minutach. Jeżeli np. początkowe stężenie jednego z reagentów wynosiło 1 mol/l, a po 4 s od rozpoczęcia reakcji wyniosło 0,6 mol/l, to średnia szybkość reakcji będzie równa (1-0,6) / 4 \u003d 0, 1 mol/(l*s).

Średnią szybkość reakcji oblicza się ze wzoru:

Szybkość reakcji chemicznej zależy od:

Natura reagentów.

Substancje z wiązaniem polarnym w roztworach oddziałują szybciej, wynika to z faktu, że takie substancje w roztworach tworzą jony, które łatwo oddziałują ze sobą.

Substancje z niepolarnymi i niskopolarnymi wiązaniami kowalencyjnymi reagują z różną szybkością, zależy to od ich aktywności chemicznej.

H 2 + F 2 = 2HF (przechodzi bardzo szybko z eksplozją w temperaturze pokojowej)

H 2 + Br 2 \u003d 2HBr (jedzie powoli, nawet po podgrzaniu)

Wartości kontaktu powierzchniowego reagentów (dla heterogenicznych)

Stężenia reagentów

Szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów podniesionych do potęgi ich współczynników stechiometrycznych.

Temperatury

Zależność szybkości reakcji od temperatury określa reguła van't Hoffa:

ze wzrostem temperatury co 10 0 szybkość większości reakcji wzrasta 2-4 razy.

Obecność katalizatora

Katalizatory to substancje zmieniające szybkość reakcji chemicznych.

Nazywamy zmianę szybkości reakcji w obecności katalizatora kataliza.

Nacisk

Wraz ze wzrostem ciśnienia szybkość reakcji wzrasta (dla jednorodności)

Pytanie nr 26. Ustawa o akcjach masowych. Stała prędkość. Energia aktywacji.

Ustawa o akcjach masowych.

szybkość, z jaką substancje reagują ze sobą, zależy od ich stężenia

Stała prędkość.

współczynnik proporcjonalności w równaniu kinetycznym reakcji chemicznej, wyrażający zależność szybkości reakcji od stężenia

Stała szybkości zależy od charakteru reagentów i od temperatury, ale nie zależy od ich stężeń.

Energia aktywacji.

energia, która musi zostać przekazana cząsteczkom (cząsteczkom) reagujących substancji, aby przekształcić je w aktywne

Energia aktywacji zależy od charakteru reagentów i zmian w obecności katalizatora.

Wzrost stężenia zwiększa całkowitą liczbę cząsteczek, a zatem cząstek aktywnych.

Pytanie nr 27. Reakcje odwracalne i nieodwracalne. Równowaga chemiczna, stała równowagi. Zasada Le Chateliera.

Reakcje, które przebiegają tylko w jednym kierunku i kończą się całkowitym przekształceniem materiałów wyjściowych w końcowe, nazywane są nieodwracalnymi.

Reakcje odwracalne to takie, które przebiegają jednocześnie w dwóch wzajemnie przeciwnych kierunkach.

W równaniach reakcji odwracalnych między lewą i prawą stroną umieszczone są dwie strzałki skierowane w przeciwne strony. Przykładem takiej reakcji jest synteza amoniaku z wodoru i azotu:

3H2 + N2 \u003d 2NH3

Nieodwracalne są takie reakcje, w trakcie których:

Powstałe produkty wytrącają się lub są uwalniane w postaci gazu, na przykład:

BaCl2 + H2SO4 \u003d BaSO4 + 2HCl

Na2CO3 + 2HCl \u003d 2NaCl + CO2 + H2O

Tworzenie się wody:

HCl + NaOH = H2O + NaCl

Odwracalne reakcje nie osiągają końca i kończą się wraz z ustanowieniem równowaga chemiczna.

Równowaga chemiczna to stan układu reagujących substancji, w którym szybkości reakcji do przodu i do tyłu są równe.

Na stan równowagi chemicznej ma wpływ stężenie reagujących substancji, temperatura, a dla gazów - ciśnienie. Zmiana jednego z tych parametrów powoduje zakłócenie równowagi chemicznej.

Stała równowagi.

Najważniejszym parametrem charakteryzującym odwracalną reakcję chemiczną jest stała równowagi K. Jeżeli zapiszemy dla rozważanej reakcji odwracalnej A + D C + D warunek równości szybkości reakcji postępującej i odwrotnej w stanie równowagi - k1[A] równe[B]równe = k2[C]równe[D] równa się, skąd [C] równa się [D] równa się / [A] równa się [B] równa się = k1/k2 = K, to wartość K nazywamy równowagą stała reakcji chemicznej.

Tak więc w stanie równowagi stosunek stężeń produktów reakcji do iloczynu stężeń reagentów jest stały, jeśli temperatura jest stała (stałe szybkości k1 i k2, a w konsekwencji stała równowagi K zależą od temperatury, ale nie zależy od stężenia reagentów). Jeżeli w reakcji bierze udział kilka cząsteczek substancji wyjściowych i powstaje kilka cząsteczek produktu (lub produktów), to stężenia substancji w wyrażeniu na stałą równowagi podwyższa się do potęg odpowiadających ich współczynnikom stechiometrycznym. Zatem dla reakcji 3H2 + N2 · 2NH3 wyrażenie na stałą równowagi zapisuje się jako K = 2 równe / 3 równe. Opisana metoda wyznaczania stałej równowagi na podstawie szybkości reakcji postępujących i odwrotnych nie może być zastosowana w ogólnym przypadku, ponieważ dla reakcji złożonych zależność szybkości od stężenia zwykle nie jest wyrażona prostym równaniem lub nie jest znana w ogóle. Niemniej jednak w termodynamice udowodniono, że ostateczny wzór na stałą równowagi okazuje się poprawny.

W przypadku związków gazowych zamiast stężeń podczas zapisywania stałej równowagi można zastosować ciśnienie; Oczywiście wartość liczbowa stałej może się w tym przypadku zmienić, jeśli liczba cząsteczek gazowych po prawej i lewej stronie równania nie jest taka sama.

Zasada Le Chateliera.

Jeśli na układ w równowadze wywierany jest jakikolwiek wpływ zewnętrzny, wówczas równowaga przesuwa się w kierunku reakcji, która przeciwdziała temu wpływowi.

Na równowagę chemiczną wpływają:

Zmiana temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury równowaga przesuwa się w kierunku reakcji endotermicznej. Wraz ze spadkiem temperatury równowaga przesuwa się w kierunku reakcji egzotermicznej.

Zmiana ciśnienia. Wraz ze wzrostem ciśnienia równowaga przesuwa się w kierunku zmniejszania liczby cząsteczek. Wraz ze spadkiem ciśnienia równowaga przesuwa się w kierunku zwiększania liczby cząsteczek.

Tematy kodyfikatora USE:Szybka reakcja. Jego zależność od różnych czynników.

Szybkość reakcji chemicznej wskazuje, jak szybko zachodzi reakcja. Interakcja zachodzi, gdy cząstki zderzają się w przestrzeni. W tym przypadku reakcja nie zachodzi przy każdym zderzeniu, ale tylko wtedy, gdy cząstki mają odpowiednią energię.

Szybka reakcja to liczba elementarnych zderzeń oddziałujących cząstek, zakończonych przemianą chemiczną, w jednostce czasu.

Określenie szybkości reakcji chemicznej wiąże się z warunkami jej przeprowadzenia. Jeśli reakcja jednorodny- tj. produkty i reagenty znajdują się w tej samej fazie - wtedy szybkość reakcji chemicznej określa się jako zmianę substancji w jednostce czasu:

υ = ∆C / ∆t.

Jeśli reagenty lub produkty znajdują się w różnych fazach, a zderzenie cząstek zachodzi tylko na granicy faz, wówczas reakcja nazywa się heterogeniczny, a jego prędkość jest określona przez zmianę ilości substancji na jednostkę czasu na jednostkę powierzchni reakcji:

υ = Δν / (S Δt).

Jak sprawić, by cząstki zderzały się częściej, tj. Jak zwiększyć szybkość reakcji chemicznej?

1. Najłatwiej jest zwiększyć temperatura . Jak zapewne wiesz z kursu fizyki, temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej ruchu cząstek materii. Jeśli podniesiemy temperaturę, cząsteczki dowolnej substancji zaczną poruszać się szybciej, a zatem zderzają się częściej.

Jednak wraz ze wzrostem temperatury szybkość reakcji chemicznych wzrasta głównie ze względu na fakt, że zwiększa się liczba efektywnych zderzeń. Wraz ze wzrostem temperatury gwałtownie wzrasta liczba cząstek aktywnych, które mogą pokonać barierę energetyczną reakcji. Jeśli obniżymy temperaturę, cząstki zaczną się poruszać wolniej, liczba cząstek aktywnych maleje, a liczba efektywnych zderzeń na sekundę maleje. W ten sposób, Gdy temperatura wzrasta, szybkość reakcji chemicznej wzrasta, a gdy temperatura spada, maleje..

Uwaga! Ta zasada działa tak samo dla wszystkich reakcji chemicznych (w tym egzotermicznych i endotermicznych). Szybkość reakcji nie zależy od efektu termicznego. Szybkość reakcji egzotermicznych rośnie wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze spadkiem temperatury. Szybkość reakcji endotermicznych również wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze spadkiem temperatury.

Co więcej, w XIX wieku holenderski fizyk van't Hoff eksperymentalnie odkrył, że większość reakcji wzrasta w przybliżeniu w tym samym tempie (około 2-4 razy) wraz ze wzrostem temperatury o 10 ° C. Brzmi reguła Van't Hoffa tak: wzrost temperatury o 10 ° C prowadzi do 2-4-krotnego wzrostu szybkości reakcji chemicznej (ta wartość nazywana jest współczynnikiem temperaturowym szybkości reakcji chemicznej γ). Dla każdej reakcji określa się dokładną wartość współczynnika temperaturowego.

Tutaj w 2 - szybkość reakcji w temperaturze T 2, v 1 - szybkość reakcji w temperaturze T 1, γ jest współczynnikiem temperaturowym szybkości reakcji, współczynnikiem van't Hoffa.

W niektórych sytuacjach nie zawsze jest możliwe zwiększenie szybkości reakcji za pomocą temperatury, ponieważ. niektóre substancje rozkładają się wraz ze wzrostem temperatury, niektóre substancje lub rozpuszczalniki odparowują w podwyższonej temperaturze itp., tj. warunki procesu są naruszone.

2. Koncentracja. Możesz także zwiększyć liczbę efektywnych kolizji, zmieniając stężenie reagenty . zwykle używany do gazów i cieczy, jak W gazach i cieczach cząstki poruszają się szybko i są aktywnie mieszane. Im większe stężenie reagujących substancji (cieczy, gazów), tym większa liczba efektywnych zderzeń i większa szybkość reakcji chemicznej.

Na podstawie dużej liczby eksperymentów przeprowadzonych w 1867 r. W pracach norweskich naukowców P. Guldenberga i P. Waage oraz niezależnie od nich w 1865 r. Rosyjskiego naukowca N.I. Beketov wyprowadził podstawowe prawo kinetyki chemicznej, które określa zależność szybkości reakcji chemicznej od stężenia reagentów:

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

Dla reakcji chemicznej postaci: aA + bB = cC + dD prawo działania mas jest zapisane w następujący sposób:

tutaj v jest szybkością reakcji chemicznej,

C A oraz C B — stężenia odpowiednio substancji A i B, mol/l

k gdzie jest współczynnikiem proporcjonalności, stałą szybkości reakcji.

Na przykład, dla reakcji tworzenia amoniaku:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Prawo działań masowych wygląda następująco:

Stała szybkości reakcji pokazuje, jak szybko zareagują substancje, jeśli ich stężenie wynosi 1 mol / l lub ich iloczyn wynosi 1. Stała szybkości reakcji chemicznej zależy od temperatury i nie zależy od stężenia reagujących substancji.

Prawo działania mas nie uwzględnia koncentracji ciał stałych, ponieważ reagują z reguły na powierzchni, a liczba reagujących cząstek na jednostkę powierzchni nie zmienia się.

W większości przypadków reakcja chemiczna składa się z kilku prostych etapów, w którym to przypadku równanie reakcji chemicznej pokazuje tylko całkowite lub końcowe równanie zachodzących procesów. Jednocześnie szybkość reakcji chemicznej zależy (lub nie zależy) w złożony sposób od stężenia reagentów, półproduktów lub katalizatora, więc dokładna postać równania kinetycznego jest wyznaczana eksperymentalnie lub na podstawie analizy proponowany mechanizm reakcji. Ogólnie rzecz biorąc, szybkość złożonej reakcji chemicznej zależy od szybkości jej najwolniejszego etapu ( etap ograniczający).

3. Ciśnienie. W przypadku gazów stężenie zależy bezpośrednio od nacisk. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta stężenie gazów. Matematycznym wyrazem tej zależności (dla gazu doskonałego) jest równanie Mendelejewa-Clapeyrona:

pV=νRT

Tak więc, jeśli wśród reagentów znajduje się substancja gazowa, to w Kiedy ciśnienie wzrasta, szybkość reakcji chemicznej wzrasta, gdy ciśnienie spada, maleje. .

Na przykład. Jak zmieni się szybkość reakcji topnienia wapna z tlenkiem krzemu:

CaCO 3 + SiO 2 ↔ CaSiO 3 + CO 2

ze wzrostem ciśnienia?

Prawidłowa odpowiedź brzmiałaby – nie ma mowy, bo. wśród odczynników nie ma gazów, a węglan wapnia jest solą stałą, nierozpuszczalną w wodzie, tlenek krzemu jest ciałem stałym. Produktem będzie gaz - dwutlenek węgla. Jednak produkty nie wpływają na szybkość reakcji do przodu.

Innym sposobem na zwiększenie szybkości reakcji chemicznej jest skierowanie jej na inną ścieżkę, zastępując bezpośrednie oddziaływanie, na przykład substancji A i B, serią kolejnych reakcji z trzecią substancją K, które wymagają znacznie mniej energii ( mają niższą barierę energii aktywacji) i przebiegają w danych warunkach szybciej niż reakcja bezpośrednia. Ta trzecia substancja nazywa się katalizator .

- Są to substancje chemiczne biorące udział w reakcji chemicznej, zmieniające jej prędkość i kierunek, ale nie do zniesienia podczas reakcji (pod koniec reakcji nie zmieniają się ani pod względem ilości, ani składu). Przybliżony mechanizm działania katalizatora dla reakcji typu A + B można przedstawić następująco:

A+K=AK

AK + B = AB + K

Nazywa się proces zmiany szybkości reakcji podczas interakcji z katalizatorem kataliza. Katalizatory są szeroko stosowane w przemyśle, gdy konieczne jest zwiększenie szybkości reakcji lub skierowanie jej na określoną ścieżkę.

W zależności od stanu fazowego katalizatora wyróżnia się katalizę homogeniczną i heterogeniczną.

kataliza homogeniczna - dzieje się tak, gdy reagenty i katalizator znajdują się w tej samej fazie (gaz, roztwór). Typowymi katalizatorami homogenicznymi są kwasy i zasady. aminy organiczne itp.

kataliza heterogeniczna - dzieje się tak, gdy reagenty i katalizator znajdują się w różnych fazach. Z reguły katalizatory heterogeniczne są ciałami stałymi. Dlatego oddziaływanie w takich katalizatorach zachodzi tylko na powierzchni substancji, ważnym wymogiem dla katalizatorów jest duża powierzchnia. Katalizatory heterogeniczne charakteryzują się dużą porowatością, co zwiększa powierzchnię właściwą katalizatora. Tak więc całkowita powierzchnia niektórych katalizatorów osiąga czasami 500 metrów kwadratowych na 1 g katalizatora. Duża powierzchnia i porowatość zapewniają efektywną interakcję z odczynnikami. Do katalizatorów heterogenicznych należą metale, zeolity - minerały krystaliczne z grupy glinokrzemianów (związki krzemu i glinu) i inne.

Przykład kataliza heterogeniczna - synteza amoniaku:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Jako katalizator stosuje się porowate żelazo z zanieczyszczeniami Al 2 O 3 i K 2 O.

Sam katalizator nie ulega zużyciu podczas reakcji chemicznej, ale na powierzchni katalizatora gromadzą się inne substancje, które wiążą centra aktywne katalizatora i blokują jego działanie ( trucizny katalityczne). Należy je regularnie usuwać poprzez regenerację katalizatora.

Katalizatory są bardzo skuteczne w reakcjach biochemicznych. enzymy. Katalizatory enzymatyczne działają bardzo wydajnie i selektywnie, z selektywnością 100%. Niestety, enzymy są bardzo wrażliwe na wzrost temperatury, kwasowość medium i inne czynniki, dlatego też istnieje szereg ograniczeń w realizacji procesów z katalizą enzymatyczną na skalę przemysłową.

Nie należy mylić katalizatorów inicjatorzy proces i inhibitory. Na przykład, aby zainicjować radykalną reakcję chlorowania metanu, konieczne jest napromieniowanie promieniowaniem ultrafioletowym. To nie jest katalizator. Niektóre reakcje rodnikowe są inicjowane przez rodniki nadtlenkowe. Nie są też katalizatorami.

Inhibitory to substancje spowalniające reakcję chemiczną. Inhibitory mogą być spożywane i uczestniczyć w reakcji chemicznej. W tym przypadku inhibitory nie są katalizatorami i odwrotnie. Odwrotna kataliza jest w zasadzie niemożliwa - reakcja i tak będzie próbowała podążać najszybszą drogą.

5. Powierzchnia kontaktu reagentów. W przypadku reakcji heterogenicznych jednym ze sposobów zwiększenia liczby efektywnych zderzeń jest zwiększenie powierzchnia reakcji . Im większa powierzchnia kontaktu reagujących faz, tym większa szybkość heterogenicznej reakcji chemicznej. Cynk sproszkowany znacznie szybciej rozpuszcza się w kwasie niż cynk granulowany o tej samej masie.

W przemyśle, aby zwiększyć powierzchnię kontaktu reagentów, używają metoda złoża fluidalnego. Na przykład, przy produkcji kwasu siarkowego metodą wrzącej warstwy piryt jest prażony.

6. Natura reagentów . Na szybkość reakcji chemicznych, przy innych parametrach niezmienionych, wpływają również właściwości chemiczne, tj. charakter reagentów. Mniej substancji aktywnych będzie miało wyższą barierę aktywacji i będzie reagowało wolniej niż więcej substancji aktywnych. Więcej substancji aktywnych ma niższą energię aktywacji i dużo łatwiej i częściej wchodzi w reakcje chemiczne.

Przy niskich energiach aktywacji (poniżej 40 kJ/mol) reakcja przebiega bardzo szybko i łatwo. Znaczna część zderzeń między cząstkami kończy się przemianą chemiczną. Na przykład reakcje wymiany jonowej zachodzą bardzo szybko w normalnych warunkach.

Przy wysokich energiach aktywacji (powyżej 120 kJ/mol) tylko niewielka liczba zderzeń kończy się przemianą chemiczną. Szybkość takich reakcji jest znikoma. Na przykład azot praktycznie nie oddziałuje z tlenem w normalnych warunkach.

Przy średnich energiach aktywacji (od 40 do 120 kJ/mol) szybkość reakcji będzie średnia. Takie reakcje również przebiegają w normalnych warunkach, ale niezbyt szybko, dzięki czemu można je zaobserwować gołym okiem. Reakcje te obejmują oddziaływanie sodu z wodą, oddziaływanie żelaza z kwasem chlorowodorowym itp.

Substancje, które są stabilne w normalnych warunkach, mają zwykle wysokie energie aktywacji.

Szybkość reakcji chemicznych. Równowaga chemiczna

Plan:

1. Pojęcie szybkości reakcji chemicznej.

2. Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej.

3. Równowaga chemiczna. Czynniki wpływające na równowagę przesuwu. Zasada Le Chateliera.

Reakcje chemiczne przebiegają z różną szybkością. Reakcje w roztworach wodnych przebiegają bardzo szybko. Na przykład, jeśli odsączy się roztwory chlorku baru i siarczanu sodu, natychmiast wytrąci się biały osad siarczanu baru. Etylen odbarwia wodę bromową szybko, ale nie natychmiast. Na żelaznych przedmiotach powoli tworzy się rdza, na produktach z miedzi i brązu pojawia się płytka nazębna, liście gniją.

Nauka zajmuje się badaniem szybkości reakcji chemicznej, a także identyfikacją jej zależności od warunków procesu - Kinetyka chemiczna.

Jeśli reakcje przebiegają w jednorodnym ośrodku, na przykład w roztworze lub fazie gazowej, wówczas oddziaływanie reagujących substancji zachodzi w całej objętości. Takie reakcje nazywamy jednorodny.

Jeśli zachodzi reakcja między substancjami znajdującymi się w różnych stanach skupienia (na przykład między ciałem stałym a gazem lub cieczą) lub między substancjami, które nie są zdolne do tworzenia jednorodnego ośrodka (na przykład między dwiema niemieszającymi się cieczami), wówczas zachodzi reakcja zachodzi tylko na powierzchni kontaktu substancji. Takie reakcje nazywamy heterogeniczny.

υ jednorodnej reakcji określa zmiana ilości substancji na jednostkę objętości na jednostkę objętości:

υ \u003d Δ n / Δt ∙ V

gdzie Δ n to zmiana liczby moli jednej z substancji (najczęściej początkowej, ale może też być produktem reakcji), (mol);

V - objętość gazu lub roztworu (l)

Ponieważ Δ n / V = ​​​​ΔC (zmiana stężenia), to

υ \u003d Δ C / Δt (mol / l ∙ s)

υ reakcji heterogenicznej określa się na podstawie zmiany ilości substancji w jednostce czasu na jednostkę powierzchni kontaktu substancji.

υ \u003d Δ n / Δt ∙ S

gdzie Δ n jest zmianą ilości substancji (reagenta lub produktu), (mol);

Δt to przedział czasu (s, min);

S - powierzchnia kontaktu substancji (cm 2, m 2)

Dlaczego szybkości różnych reakcji nie są takie same?

Aby reakcja chemiczna mogła się rozpocząć, cząsteczki reagentów muszą się zderzyć. Ale nie każde zderzenie kończy się reakcją chemiczną. Aby zderzenie doprowadziło do reakcji chemicznej, cząsteczki muszą mieć odpowiednio wysoką energię. Cząstki, które zderzają się ze sobą, aby przejść reakcję chemiczną, nazywamy aktywny. Mają nadwyżkę energii w stosunku do średniej energii większości cząstek - energię aktywacji E akt. Cząstek aktywnych w substancji jest znacznie mniej niż przy przeciętnej energii, dlatego aby zapoczątkować wiele reakcji, układ musi zostać zasilony pewną energią (błysk światła, ogrzewanie, wstrząs mechaniczny).

Bariera energetyczna (wart E akt) różnych reakcji jest różna, im jest mniejsza, tym reakcja przebiega łatwiej i szybciej.

2. Czynniki wpływające na υ(liczba zderzeń cząstek i ich efektywność).

1) Charakter reagentów: ich skład, struktura => energia aktywacji

▪ mniej E akt, tym więcej υ;

Jeśli E akt < 40 кДж/моль, то это значит, 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, т.к. в этих реакциях участвуют разноименнозаряженные частицы, и энергия активации в этих случаях ничтожно мала.

Jeśli E akt> 120 kJ/mol, oznacza to, że tylko znikoma część zderzeń między oddziałującymi cząstkami prowadzi do reakcji. Szybkość takich reakcji jest bardzo niska. Na przykład rdzewienie żelaza lub

przebieg reakcji syntezy amoniaku w zwykłej temperaturze jest prawie niemożliwy do zauważenia.

Jeśli E akt mają wartości pośrednie (40 - 120 kJ / mol), wówczas szybkość takich reakcji będzie średnia. Takie reakcje obejmują oddziaływanie sodu z wodą lub etanolem, odbarwianie wody bromowej etylenem itp.

2) Temperatura: w t dla każdych 10 0 C, υ 2-4 razy (reguła van't Hoffa).

υ 2 \u003d υ 1 ∙ γ Δt / 10

W t liczba cząstek aktywnych (s E akt) i ich aktywnych kolizji.

Zadanie 1. Szybkość pewnej reakcji w temperaturze 0 0 C wynosi 1 mol/l ∙ h, współczynnik temperaturowy reakcji wynosi 3. Jaka będzie szybkość tej reakcji w temperaturze 30 0 C?

υ 2 \u003d υ 1 ∙ γ Δt / 10

υ 2 \u003d 1 ∙ 3 30-0 / 10 \u003d 3 3 \u003d 27 mol / l ∙ h

3) Stężenie: im więcej, tym częściej występują kolizje i υ. W stałej temperaturze dla reakcji mA + nB = C zgodnie z prawem działania masy:

υ = k ∙ do ZA m ∙ do b n

gdzie k jest stałą szybkości;

С – stężenie (mol/l)

Prawo działających mas:

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

Wdm nie uwzględnia stężenia substancji reagujących w stanie stałym, ponieważ reagują na powierzchnie, a ich stężenia zwykle pozostają stałe.

Zadanie 2. Reakcja przebiega zgodnie z równaniem A + 2B → C. Ile razy i jak zmieni się szybkość reakcji przy 3-krotnym wzroście stężenia substancji B?

Rozwiązanie: υ = k ∙ do A m ∙ do B n

υ \u003d k ∙ do ZA ∙ do b 2

υ 1 = k ∙ za ∙ w 2

υ 2 \u003d k ∙ a ∙ 3 w 2

υ 1 / υ 2 \u003d za ∙ w 2 / a ∙ 9 w 2 \u003d 1/9

Odpowiedź: zwiększ o 9 razy

W przypadku substancji gazowych szybkość reakcji zależy od ciśnienia

Im większy nacisk, tym większa prędkość.

4) Katalizatory Substancje zmieniające mechanizm reakcji E akt => υ .

▪ Katalizatory pozostają niezmienione pod koniec reakcji

▪ Enzymy są biologicznymi katalizatorami, białkami z natury.

▪ Inhibitory - substancje, które ↓ υ

5) Dla reakcji heterogenicznych υ zależy również od:

▪ na stan powierzchni styku reagentów.

Porównaj: równe objętości roztworu kwasu siarkowego wlano do 2 probówek i jednocześnie obniżono do jednej - żelaznego gwoździa, do drugiej - opiłków żelaza.Rozcieranie ciała stałego prowadzi do zwiększenia liczby jego cząsteczek, które mogą jednocześnie reagować. Dlatego szybkość reakcji w drugiej probówce będzie większa niż w pierwszej.