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 .

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

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 ... ...

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

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 ... ...

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 ...

Dla 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

- (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

Przekształcenie jednej substancji w inną, różniącą 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

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 numer 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.

Szybkość reakcji chemicznej

Temat „Tempo reakcji chemicznej” jest chyba najbardziej złożonym i kontrowersyjnym tematem w szkolnym programie nauczania. Wynika to ze złożoności samej kinetyki chemicznej, jednej z gałęzi chemii fizycznej. Sama definicja pojęcia „szybkość reakcji chemicznej” jest już niejednoznaczna (patrz np. artykuł L.S. Guzeya w gazecie „Chemia”, 2001, nr 28,
Z. 12). Jeszcze więcej problemów pojawia się przy próbie zastosowania prawa działania mas dla szybkości reakcji do dowolnych układów chemicznych, ponieważ zakres obiektów, dla których możliwy jest ilościowy opis procesów kinetycznych w ramach szkolnego programu nauczania, jest bardzo wąski. Chciałbym podkreślić niepoprawność stosowania prawa działania mas dla szybkości reakcji chemicznej w równowadze chemicznej.
Jednocześnie błędem byłoby w ogóle odmówić podjęcia tego tematu w szkole. Pomysły na szybkość reakcji chemicznej są bardzo ważne w badaniu wielu procesów naturalnych i technologicznych, bez nich nie można mówić o katalizie i katalizatorach, w tym enzymach. Chociaż przy omawianiu przemian substancji używa się głównie jakościowych wyobrażeń o szybkości reakcji chemicznej, wprowadzenie najprostszych stosunków ilościowych jest nadal pożądane, zwłaszcza dla reakcji elementarnych.
W opublikowanym artykule wystarczająco szczegółowo omówiono zagadnienia kinetyki chemicznej, które mogą być omawiane na szkolnych lekcjach chemii. Wykluczenie ze szkolnego kursu chemii kontrowersyjnych i kontrowersyjnych aspektów tej tematyki jest szczególnie ważne dla tych studentów, którzy zamierzają kontynuować naukę chemii na uczelni. W końcu wiedza zdobyta w szkole często kłóci się z naukową rzeczywistością.

Reakcje chemiczne mogą się znacznie różnić w czasie. Mieszanina wodoru i tlenu w temperaturze pokojowej może pozostać praktycznie niezmieniona przez długi czas, ale po uderzeniu lub zapłonie nastąpi eksplozja. Żelazna płyta powoli rdzewieje, a kawałek białego fosforu samoistnie zapala się w powietrzu. Ważne jest, aby wiedzieć, jak szybko przebiega dana reakcja, aby móc kontrolować jej przebieg.

Podstawowe koncepcje

Ilościową cechą tego, jak szybko przebiega dana reakcja, jest szybkość reakcji chemicznej, czyli szybkość zużycia odczynników lub szybkość pojawiania się produktów. W tym przypadku nie ma znaczenia, która z substancji biorących udział w reakcji jest brana pod uwagę, ponieważ wszystkie są ze sobą połączone za pomocą równania reakcji. Zmieniając ilość jednej z substancji, można ocenić odpowiednie zmiany ilości wszystkich pozostałych.

Szybkość reakcji chemicznej () nazywana zmianą ilości substancji reagenta lub produktu () na jednostkę czasu () na jednostkę objętości (V):

= /(V ).

Szybkość reakcji w tym przypadku jest zwykle wyrażana w molach/(ls).

Powyższe wyrażenie odnosi się do jednorodnych reakcji chemicznych zachodzących w jednorodnym ośrodku, na przykład między gazami lub w roztworze:

2SO2 + O2 \u003d 2SO3,

BaCl2 + H2SO4 \u003d BaSO4 + 2HCl.

Heterogeniczne reakcje chemiczne zachodzą na powierzchniach styku ciała stałego i gazu, ciała stałego i cieczy itp. Reakcje heterogeniczne obejmują na przykład reakcje metali z kwasami:

Fe + 2HCl \u003d FeCl2 + H2.

W tym przypadku szybkość reakcji to zmiana ilości reagenta lub produktu () na jednostkę czasu() na jednostkę powierzchni (S):

= /(S ).

Szybkość reakcji heterogenicznej wyraża się w molach/(m2s).

Aby kontrolować reakcje chemiczne, ważna jest nie tylko umiejętność określania ich szybkości, ale także wiedza, jakie warunki na nie wpływają. Dział chemii zajmujący się badaniem szybkości reakcji chemicznych i wpływem na nią różnych czynników to tzw Kinetyka chemiczna.

Częstotliwość zderzeń reagujących cząstek

Najważniejszym czynnikiem decydującym o szybkości reakcji chemicznej jest stężenie.

Wraz ze wzrostem stężenia reagentów szybkość reakcji zwykle wzrasta. Aby wejść w reakcję, dwie cząsteczki chemiczne muszą się do siebie zbliżyć, więc szybkość reakcji zależy od liczby zderzeń między nimi. Wzrost liczby cząstek w danej objętości prowadzi do częstszych zderzeń i wzrostu szybkości reakcji.

W przypadku reakcji jednorodnych zwiększenie stężenia jednego lub więcej reagentów zwiększy szybkość reakcji. Wraz ze spadkiem stężenia obserwuje się efekt odwrotny. Stężenie substancji w roztworze można zmienić, dodając lub usuwając reagenty lub rozpuszczalnik z kuli reakcyjnej. W gazach stężenie jednej z substancji można zwiększyć, wprowadzając dodatkową ilość tej substancji do mieszaniny reakcyjnej. Stężenia wszystkich substancji gazowych można zwiększyć jednocześnie zmniejszając objętość zajmowaną przez mieszaninę. W takim przypadku szybkość reakcji wzrośnie. Zwiększenie głośności ma odwrotny skutek.

Szybkość reakcji heterogenicznych zależy od powierzchnia kontaktu substancji, tj. na stopień zmielenia substancji, kompletność wymieszania odczynników, a także na stan struktur krystalicznych ciał stałych. Wszelkie zaburzenia struktury krystalicznej powodują bowiem wzrost reaktywności ciał stałych do zniszczenia silnej struktury krystalicznej wymagana jest dodatkowa energia.

Rozważ spalanie drewna. Cała kłoda pali się stosunkowo wolno w powietrzu. Jeśli zwiększysz powierzchnię kontaktu drewna z powietrzem, rozłupując kłodę na wióry, szybkość spalania wzrośnie. Jednocześnie drewno spala się znacznie szybciej w czystym tlenie niż w powietrzu, które zawiera tylko około 20% tlenu.

Aby zaszła reakcja chemiczna, cząsteczki muszą się zderzyć - atomy, cząsteczki lub jony. W wyniku zderzeń atomy przestawiają się i powstają nowe wiązania chemiczne, co prowadzi do powstania nowych substancji. Prawdopodobieństwo zderzenia dwóch cząstek jest dość duże, prawdopodobieństwo jednoczesnego zderzenia trzech cząstek jest znacznie mniejsze. Jednoczesne zderzenie czterech cząstek jest niezwykle mało prawdopodobne. Dlatego większość reakcji przebiega w kilku etapach, na każdym z nich oddziałuje nie więcej niż trzy cząstki.

Reakcja utleniania bromowodoru przebiega z zauważalną szybkością w temperaturze 400–600 ° C:

4HBr + O2 \u003d 2H2O + 2Br2.

Zgodnie z równaniem reakcji pięć cząsteczek musi zderzyć się w tym samym czasie. Jednak prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest praktycznie zerowe. Co więcej, badania eksperymentalne wykazały, że zwiększenie stężenia - czy to tlenu, czy bromowodoru - zwiększa szybkość reakcji o taką samą liczbę razy. I to pomimo faktu, że na każdą cząsteczkę tlenu zużywane są cztery cząsteczki bromowodoru.

Szczegółowe badanie tego procesu pokazuje, że przebiega on w kilku etapach:

1) HBr + O2 = HOOVr (powolna reakcja);

2) HOOVr + HBr = 2NOVr (szybka reakcja);

3) NOVr + HBr = H2O + Br2 (szybka reakcja).

Reakcje te, tzw reakcje elementarne, odzwierciedlić mechanizm reakcji utlenianie bromowodoru tlenem. Należy zauważyć, że w każdej z reakcji pośrednich biorą udział tylko dwie cząsteczki. Dodanie dwóch pierwszych równań i podwojonego trzeciego równania daje ogólne równanie reakcji. Ogólna szybkość reakcji jest określona przez najwolniejszą reakcję pośrednią, w której oddziałuje jedna cząsteczka bromowodoru i jedna cząsteczka tlenu.

Szybkość reakcji elementarnych jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń molowych Z (Z to ilość substancji na jednostkę objętości, Z = /V) odczynniki wzięte w potęgach równych ich współczynnikom stechiometrycznym ( prawo akcji masowej dla szybkości reakcji chemicznej). Dotyczy to tylko równań reakcji, które odzwierciedlają mechanizmy rzeczywistych procesów chemicznych, gdy współczynniki stechiometryczne przed wzorami odczynników odpowiadają liczbie oddziałujących cząstek.

W zależności od liczby cząsteczek wchodzących w interakcje w reakcji rozróżnia się reakcje jako jednocząsteczkowe, dwucząsteczkowe i trójcząsteczkowe. Na przykład dysocjacja jodu cząsteczkowego na atomy: I 2 \u003d 2I - reakcja monomolekularna.

Oddziaływanie jodu z wodorem: I 2 + H 2 \u003d 2HI - reakcja dwucząsteczkowa. Prawo działania masy dla reakcji chemicznych o różnej cząsteczce jest zapisywane na różne sposoby.

Reakcje monomolekularne:

A = B + C,

= kc A ,

gdzie k jest stałą szybkości reakcji.

Reakcje dwucząsteczkowe:

= kc A c W.

Reakcje trójcząsteczkowe:

= kc 2A c W.

Energia aktywacji

Zderzenie cząstek chemicznych prowadzi do interakcji chemicznej tylko wtedy, gdy zderzające się cząstki mają energię przekraczającą pewną określoną wartość. Rozważ interakcję substancji gazowych składających się z cząsteczek A 2 i B 2:

ZA 2 + B 2 \u003d 2AB.

W trakcie reakcji chemicznej następuje przegrupowanie atomów, któremu towarzyszy zerwanie wiązań chemicznych w substancjach wyjściowych i utworzenie wiązań w produktach reakcji. Podczas zderzeń reagujących cząsteczek dochodzi do tzw aktywowany kompleks, w którym następuje redystrybucja gęstości elektronowej i dopiero wtedy otrzymuje się końcowy produkt reakcji:

Nazywa się energię potrzebną do przejścia substancji do stanu aktywowanego kompleksu energia aktywacji.

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. Jeśli energia aktywacji jest wysoka, to bardzo mała część zderzeń prowadzi do powstania nowych substancji. Zatem szybkość reakcji między wodorem a tlenem w temperaturze pokojowej jest praktycznie zerowa.

Tak więc szybkość reakcji zależy od charakter reagentów. Rozważmy na przykład reakcje metali z kwasami. Jeśli jednakowe kawałki miedzi, cynku, magnezu i żelaza umieścimy w probówkach z rozcieńczonym kwasem siarkowym, to zobaczymy, że intensywność wydzielania się pęcherzyków gazowego wodoru, charakteryzująca szybkość reakcji, różni się znacząco dla tych metali. W probówce z magnezem obserwuje się szybkie wydzielanie wodoru, w probówce z cynkiem pęcherzyki gazu uwalniają się nieco spokojniej. Reakcja przebiega jeszcze wolniej w probówce z żelazem (ryc.). Miedź w ogóle nie reaguje z rozcieńczonym kwasem siarkowym. Zatem szybkość reakcji zależy od aktywności metalu.

Gdy kwas siarkowy (mocny kwas) zostanie zastąpiony kwasem octowym (słabym kwasem), szybkość reakcji we wszystkich przypadkach znacznie spada. Można stwierdzić, że charakter obu reagentów, zarówno metalu, jak i kwasu, wpływa na szybkość reakcji metalu z kwasem.

Wznosić temperatura prowadzi do wzrostu energii kinetycznej cząstek chemicznych, tj. zwiększa liczbę cząstek o energii wyższej niż energia aktywacji. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również liczba zderzeń cząstek, co w pewnym stopniu zwiększa szybkość reakcji. Jednak zwiększenie efektywności zderzeń poprzez zwiększenie energii kinetycznej ma większy wpływ na szybkość reakcji niż zwiększenie liczby zderzeń.

Gdy temperatura wzrośnie o dziesięć stopni, prędkość wzrośnie o współczynnik równy temperaturowemu współczynnikowi prędkości:

= T+10 /T .

Kiedy temperatura wzrasta od T przed T"
współczynnik szybkości reakcji T" oraz T równa się
współczynnik temperaturowy prędkości w mocy ( T" – T)/10:

T" /T = (T"–T)/10.

Dla wielu jednorodnych reakcji współczynnik temperaturowy szybkości wynosi 24 (reguła van't Hoffa). Zależność szybkości reakcji od temperatury można prześledzić na przykładzie oddziaływania tlenku miedzi(II) z rozcieńczonym kwasem siarkowym. W temperaturze pokojowej reakcja przebiega bardzo wolno. Po podgrzaniu mieszanina reakcyjna szybko zmienia kolor na niebieski z powodu tworzenia się siarczanu miedzi (II):

CuO + H2SO4 \u003d CuSO4 + H2O.

Katalizatory i inhibitory

Wprowadzenie pewnych substancji może przyspieszyć lub spowolnić wiele reakcji. Dodawane substancje nie biorą udziału w reakcji i nie ulegają zużyciu w jej trakcie, ale mają znaczący wpływ na szybkość reakcji. Substancje te zmieniają mechanizm reakcji (w tym skład aktywowanego kompleksu) oraz obniżają energię aktywacji, co zapewnia przyspieszenie reakcji chemicznych. Substancje przyspieszające reakcje to tzw katalizatory, a samo zjawisko takiego przyspieszenia reakcji - kataliza.

Wiele reakcji przebiega bardzo wolno lub wcale przy braku katalizatorów. Jedną z tych reakcji jest rozkład nadtlenku wodoru:

2H2O2 \u003d 2H2O + O2.

Jeśli opuścisz kawałek stałego dwutlenku manganu do naczynia z wodnym roztworem nadtlenku wodoru, rozpocznie się szybkie uwalnianie tlenu. Po usunięciu dwutlenku manganu reakcja praktycznie ustaje. Ważąc łatwo sprawdzić, czy dwutlenek manganu nie jest zużywany w tym procesie – jedynie katalizuje reakcję.

W zależności od tego, czy katalizator i reagenty znajdują się w tym samym, czy różnym stanie skupienia, rozróżnia się katalizę homogeniczną i heterogeniczną.

W katalizie homogenicznej katalizator może przyspieszyć reakcję, tworząc związki pośrednie poprzez interakcję z jednym z wyjściowych reagentów. Na przykład:

W katalizie heterogenicznej reakcja chemiczna zachodzi zwykle na powierzchni katalizatora:

Katalizatory są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Niemal wszystkie przemiany substancji w organizmach żywych przebiegają z udziałem katalizatorów organicznych - enzymów.

Katalizatory są stosowane w produkcji chemicznej w celu przyspieszenia niektórych procesów. Oprócz nich stosuje się również substancje spowalniające reakcje chemiczne, - inhibitory. W szczególności za pomocą inhibitorów chronią metale przed korozją.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej

Zwiększ prędkość	Zmniejsz prędkość
Obecność chemicznie aktywnych odczynników	Obecność chemicznie nieaktywnych odczynników
Zwiększenie stężenia odczynników	Zmniejszenie stężenia odczynników
Zwiększanie powierzchni odczynników stałych i ciekłych	Zmniejszanie powierzchni odczynników stałych i ciekłych
Wzrost temperatury	Spadek temperatury
Obecność katalizatora	Obecność inhibitora

ZADANIA

1. Określ szybkość reakcji chemicznej. Zapisz wyrażenie na kinetyczne prawo działania mas dla następujących reakcji:

a) 2C (tv.) + O 2 (g.) \u003d 2CO (g.);

b) 2НI (g.) \u003d H 2 (g.) + I 2 (g.).

2. Co decyduje o szybkości reakcji chemicznej? Podaj matematyczne wyrażenie na zależność szybkości reakcji chemicznej od temperatury.

3. Wskaż, jak wpływa to na szybkość reakcji (przy stałej objętości):

a) zwiększenie stężenia odczynników;

b) mielenie stałego odczynnika;
c) obniżenie temperatury;
d) wprowadzenie katalizatora;
e) spadek stężenia odczynników;
e) wzrost temperatury;
g) wprowadzenie inhibitora;
h) spadek stężenia produktów.

4. Oblicz szybkość reakcji chemicznej

CO (g) + H2O (g) \u003d CO2 (g) + H2 (g)

w naczyniu o pojemności 1 litra, jeżeli po 1 min 30 s od jego rozpoczęcia ilość substancji wodorowej wynosiła 0,32 mola, a po 2 min 10 s wynosiła 0,44 mola. Jak wzrost stężenia CO wpłynie na szybkość reakcji?

5. W wyniku jednej reakcji w ciągu pewnego czasu powstało 6,4 g jodowodoru, aw innej reakcji w tych samych warunkach 6,4 g dwutlenku siarki. Porównaj szybkości tych reakcji. Jak zmienią się szybkości tych reakcji wraz ze wzrostem temperatury?

6. Określ szybkość reakcji

CO (g.) + Cl2 (g.) \u003d COCl2 (g.),

jeżeli po 20 s od rozpoczęcia reakcji początkowa ilość substancji tlenku węgla (II) zmniejszyła się z 6 moli 3-krotnie (objętość reaktora wynosi 100 l). Jak zmieni się szybkość reakcji, jeśli zamiast chloru zostanie użyty mniej aktywny brom? Jak zmieni się szybkość reakcji po wprowadzeniu
a) katalizator b) inhibitor?

7. W którym przypadku jest reakcja

CaO (tv.) + CO 2 (g.) \u003d CaCO 3 (tv.)

działa szybciej: podczas używania dużych kawałków lub proszku tlenku wapnia? Oblicz:
a) ilość substancji; b) masa węglanu wapnia powstałego w ciągu 10 s, jeżeli szybkość reakcji wynosi 0,1 mol/(l s), to objętość reaktora wynosi 1 litr.

8. Oddziaływanie próbki magnezu z kwasem solnym HCl pozwala otrzymać 0,02 mola chlorku magnezu po 30 s od rozpoczęcia reakcji. Określ, w jakim czasie otrzymano 0,06 mola chlorku magnezu.

E) od 70 do 40°C, szybkość reakcji spadła 8-krotnie;
g) od 60 do 40°C szybkość reakcji zmniejszyła się 6,25 razy;
h) od 40 do 10°C szybkość reakcji zmniejszyła się 27-krotnie.

11. Właściciel auta pomalował go nową farbą, po czym stwierdził, że zgodnie z instrukcją powinien schnąć 3 godziny w temperaturze 105°C. Jak długo farba schnie w temperaturze 25°C, jeśli współczynnik temperaturowy reakcji polimeryzacji leżącej u podstaw tego procesu wynosi: a) 2; b) 3; o 4?

ODPOWIEDZI NA ZADANIA

1. a) = kc(02); b) = kc(CZEŚĆ) 2 .

2. T+10 = T .

3. Szybkość reakcji wzrasta w przypadkach a, b, d, f; maleje - c, e, g; nie zmienia -

4. 0,003 mola/(ls). Wraz ze wzrostem stężenia CO wzrasta szybkość reakcji.

5. Szybkość pierwszej reakcji jest 2 razy mniejsza.

6. 0,002 mola/(ls).

7. a) 1 mol; b) 100 gr.

9. Szybkości reakcji e, g, h wzrosną 2 razy; 4 razy - a, b, f; 8 razy - w mieście.

10. Współczynnik temperaturowy:

2 dla reakcji b, f; = 2,5 – c, g; = 3 – e, h; = 3,5 – a, re.

a) 768 godzin (32 dni, tj. ponad 1 miesiąc);
b) 19 683 godzin (820 dni, czyli ponad 2 lata);
c) 196 608 godzin (8192 dni, czyli 22 lata).

Studiowane podstawowe pojęcia:

Szybkość reakcji chemicznych

Stężenie molowe

Kinetyka

Reakcje jednorodne i heterogeniczne

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych

katalizator, inhibitor

Kataliza

Reakcje odwracalne i nieodwracalne

Równowaga chemiczna

Reakcje chemiczne to reakcje, w których z jednej substancji powstają inne substancje (z substancji pierwotnych powstają nowe substancje). Niektóre reakcje chemiczne zachodzą w ułamkach sekundy (wybuch), podczas gdy inne trwają minuty, dni, lata, dekady itd.

Dla przykładu: reakcja spalania prochu strzelniczego następuje natychmiastowo wraz z zapłonem i wybuchem, a reakcja ciemnienia srebra lub rdzewienia żelaza (korozja) przebiega tak wolno, że można prześledzić jej wynik dopiero po długim czasie.

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

Szybkość reakcji chemicznej jest zmianą stężenia jednego z reagentów reakcji w jednostce czasu.

Wzór na obliczenie szybkości reakcji chemicznej to:

υ =	od 2 do 1	=	∆ s
t2 – t1	∆t

c 1 - stężenie molowe substancji w czasie początkowym t 1

c 2 - stężenie molowe substancji w czasie początkowym t 2

ponieważ szybkość reakcji chemicznej charakteryzuje się zmianą stężenia molowego reagujących substancji (substancji wyjściowych), to t 2> t 1, i c 2> c 1 (stężenie substancji wyjściowych zmniejsza się w miarę postępu reakcji ).

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

Dział chemii zajmujący się badaniem szybkości reakcji chemicznych to tzw Kinetyka chemiczna. Znając jego prawa, człowiek może kontrolować procesy chemiczne, ustawiać im określoną prędkość.

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

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

reakcje heterogeniczne- są to reakcje zachodzące między substancjami w ośrodku niejednorodnym (istnieje faza międzyfazowa, tzn. reagujące substancje znajdują się w różnym stanie skupienia; na przykład: gaz + ciecz, ciecz + ciało stałe).

Powyższy wzór na obliczenie szybkości reakcji chemicznej obowiązuje tylko dla reakcji jednorodnych. Jeśli reakcja jest heterogeniczna, to może zachodzić tylko na granicy między reagentami.

W przypadku reakcji heterogenicznej szybkość oblicza się według wzoru:

∆ν - zmiana ilości substancji

S to obszar interfejsu

∆ t to przedział czasu, w którym zaszła reakcja

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

Zależność szybkości reakcji od rodzaju reagentów.

Przeanalizujmy tę zależność szybkości reakcji na przykład: włóżmy do dwóch probówek, które zawierają taką samą ilość roztworu kwasu solnego (HCl), granulki metalu o tej samej powierzchni: w pierwszej probówce granulat żelaza (Fe), a w drugiej magnez (Mg) granulat. W wyniku obserwacji, zgodnie z szybkością wydzielania wodoru (H 2), można zauważyć, że magnez reaguje z kwasem solnym z największą szybkością niż żelazo. Na szybkość danej reakcji chemicznej ma wpływ natura metalu (tj. magnez jest metalem bardziej reaktywnym niż żelazo i dlatego silniej reaguje z kwasem).

Zależność szybkości reakcji chemicznych od stężenia reagentów.

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

Na przykład: do jednej probówki wlejemy stężony roztwór kwasu solnego (HCl), a do drugiej rozcieńczony roztwór kwasu solnego. Do obu probówek wkładamy granulkę cynku (Zn). Na podstawie szybkości wydzielania się wodoru obserwujemy, że reakcja będzie przebiegać szybciej w pierwszej probówce, ponieważ stężenie kwasu solnego w nim jest większe niż w drugiej probówce.

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

Na przykład dla reakcji przebiegającej zgodnie ze schematem: nA + mB → re , szybkość reakcji chemicznej określa wzór:

υ ch.r. = k do (A) n do (B) m , gdzie

υ x r - szybkość reakcji chemicznej

C(A)- ORAZ

C (V) - stężenie molowe substancji W

n i m - ich współczynniki

k- stała szybkości reakcji chemicznej (wartość odniesienia).

Prawo działania mas nie ma zastosowania do substancji, które są w stanie stałym, ponieważ ich stężenie jest stałe (dzięki temu, że reagują tylko powierzchniowo, która pozostaje niezmieniona).

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

υ ch.r. \u003d k C (O 2)

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

Zależność szybkości reakcji chemicznej od temperatury.

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

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

Wzór na obliczenie szybkości reakcji chemicznej zgodnie z regułą van't Hoffa:

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

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

Zmiana szybkości reakcji:

2. Podstaw dane z opisu problemu do wzoru:

Zależność szybkości reakcji od substancji specjalnych - katalizatorów i inhibitorów.

Katalizator Substancja, która zwiększa szybkość reakcji chemicznej, ale sama w niej nie uczestniczy.

Inhibitor Substancja, która spowalnia reakcję chemiczną, ale nie bierze w niej udziału.

Przykład: w probówce z 3% roztworem nadtlenku wodoru (H 2 O 2), który jest podgrzewany, dodajmy tlący się drzazgę - nie zapali się, bo szybkość reakcji rozkładu nadtlenku wodoru na wodę (H 2 O) i tlen (O 2) jest bardzo niska, a otrzymany tlen nie wystarcza do przeprowadzenia jakościowej reakcji na tlen (podtrzymanie spalania). Teraz dodajmy do probówki trochę czarnego proszku tlenku manganu (IV) (MnO 2 ) i zobaczymy, że zaczęło się gwałtowne wydzielanie pęcherzyków gazu (tlenu), a tląca się pochodnia wprowadzona do probówki jasno się rozbłysła. MnO 2 jest katalizatorem tej reakcji, przyspieszał szybkość reakcji, ale sam w niej nie uczestniczył (można to udowodnić ważąc katalizator przed i po reakcji - jego masa się nie zmieni).

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

Aby obniżyć koszty sprzętu, zakłady chemiczne zwiększają szybkość reakcji. Niektóre procesy, takie jak psucie się żywności, korozja metali, wymagają spowolnienia.

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

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

gdzie c = n / v to stężenie substancji,

Δ (wymawiane jako „delta”) jest ogólnie przyjętym oznaczeniem zmiany wielkości.

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

2SO2 + O2 \u003d 2SO3

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

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

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

Δn
υ = –––––– (2)
Δt S

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

• ciało stałe z innym ciałem stałym, cieczą lub gazem,
• dwie niemieszające się ciecze
• gaz płynny.

Jednorodne reakcje zachodzą między substancjami w tej samej fazie:

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

Warunki wpływające na szybkość reakcji chemicznych

1) Szybkość reakcji zależy od charakter reagentów. Mówiąc najprościej, różne substancje reagują z różną szybkością. Na przykład cynk reaguje gwałtownie z kwasem chlorowodorowym, podczas gdy żelazo reaguje raczej wolno.

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

3) Szybkość reakcji znacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatura. Na przykład, aby spalić paliwo, konieczne jest jego podpalenie, czyli zwiększenie temperatury. W przypadku wielu reakcji wzrostowi temperatury o 10°C towarzyszy wzrost szybkości o współczynnik 2–4.

4) Szybkość heterogeniczny reakcje rosną wraz ze wzrostem powierzchnie reagentów. Substancje stałe do tego są zwykle kruszone. Na przykład, aby proszki żelaza i siarki reagowały po podgrzaniu, żelazo musi mieć postać małych trocin.

Zauważ, że wzór (1) jest w tym przypadku implikowany! Wzór (2) wyraża prędkość na jednostkę powierzchni, dlatego nie może zależeć od powierzchni.

5) Szybkość reakcji zależy od obecności katalizatorów lub inhibitorów.

Katalizatory Substancje, które przyspieszają reakcje chemiczne, ale same nie są zużywane. Przykładem jest szybki rozkład nadtlenku wodoru z dodatkiem katalizatora – tlenku manganu(IV):

2H2O2 \u003d 2H2O + O2

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

Inhibitory- substancje spowalniające reakcję. Na przykład, aby przedłużyć żywotność rur i baterii, do systemu podgrzewania wody dodaje się inhibitory korozji. W samochodach do płynu hamulcowego dodaje się inhibitory korozji.

Jeszcze kilka przykładów.