Tốc độ của các phản ứng hóa học, sự phụ thuộc của nó vào các yếu tố khác nhau

Phản ứng hóa học đồng nhất và không đồng nhất

Các phản ứng hóa học diễn ra ở các tốc độ khác nhau: ở tốc độ thấp - trong quá trình hình thành thạch nhũ và măng đá, ở tốc độ trung bình - khi nấu thức ăn, ngay lập tức - trong khi nổ. Các phản ứng trong dung dịch nước diễn ra rất nhanh, gần như ngay lập tức. Ta trộn dung dịch bari clorua và natri sunfat - bari sunfat dưới dạng kết tủa tạo thành ngay lập tức. Lưu huỳnh cháy nhanh nhưng không cháy tức thì, magie tan trong axit clohiđric, etylen khử màu nước brom. Từ từ, rỉ sét hình thành trên các đồ vật bằng sắt, mảng bám trên đồng và các sản phẩm bằng đồng, tán lá từ từ thối rữa và răng bị phá hủy.

Dự đoán tốc độ của một phản ứng hóa học, cũng như làm sáng tỏ sự phụ thuộc của nó vào các điều kiện của quá trình, là một nhiệm vụ động học hóa học- khoa học về các quy luật của quá trình phản ứng hóa học trong thời gian.

Nếu phản ứng hóa học xảy ra trong môi trường đồng nhất, ví dụ, trong dung dịch hoặc trong pha khí, thì tương tác của các chất phản ứng xảy ra trong toàn bộ thể tích. Những phản ứng như vậy, như bạn biết, được gọi là đồng nhất.

Tốc độ của một phản ứng đồng thể ($ v_ (homog.) $) Được định nghĩa là sự thay đổi lượng chất trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích:

$ υ_ (đồng nhất) = (∆n) / (∆t V), $

trong đó $ ∆n $ là sự thay đổi số mol của một chất (thường là chất ban đầu nhưng cũng có thể là sản phẩm của phản ứng); $ ∆t $ - khoảng thời gian (s, min.); $ V $ là thể tích của khí hoặc dung dịch (l).

Vì tỉ số giữa lượng chất và thể tích là nồng độ mol $ C $ nên

$ (∆n) / (V) = ∆C. $

Bằng cách này, tốc độ phản ứng đồng nhấtđược định nghĩa là sự thay đổi nồng độ của một trong các chất trên một đơn vị thời gian:

$ υ_ (đồng nhất) = (∆C) / (∆t) [(mol) / (l s)] $

nếu khối lượng của hệ thống không thay đổi. Nếu phản ứng xảy ra giữa các chất ở các trạng thái tập hợp khác nhau (ví dụ, giữa chất rắn và chất khí hoặc chất lỏng), hoặc giữa các chất không thể tạo thành môi trường đồng nhất (ví dụ, giữa các chất lỏng không trộn lẫn) thì phản ứng đó chỉ xảy ra. trên bề mặt tiếp xúc của các chất. Những phản ứng như vậy được gọi là không đồng nhất.

Tốc độ phản ứng không đồng nhấtđược định nghĩa là sự thay đổi lượng vật chất trên một đơn vị thời gian trên một đơn vị bề mặt:

$ υ_ (đồng nhất) = (∆C) / (∆t S) [(mol) / (c m ^ 2)] $

trong đó $ S $ là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất ($ m ^ 2, cm ^ 2 $).

Nếu, đối với bất kỳ phản ứng nào đang diễn ra, nồng độ của chất ban đầu được đo bằng thực nghiệm tại các thời điểm khác nhau, thì sự thay đổi của nó có thể được hiển thị bằng đồ thị bằng cách sử dụng đường cong động học của thuốc thử này.

Tốc độ phản ứng không phải là một giá trị hằng số. Chúng tôi chỉ ra một tốc độ trung bình nhất định của một phản ứng nhất định trong một khoảng thời gian nhất định.

Hãy tưởng tượng rằng chúng ta xác định tốc độ của một phản ứng

$ H_2 + Cl_2 → 2HCl $

a) bằng cách thay đổi nồng độ của $ Н_2 $;

b) bằng cách thay đổi nồng độ của $ HCl $.

Chúng ta sẽ nhận được các giá trị tương tự? Sau khi tất cả, từ $ 1 $ mol $ H_2 $ $ 2 $ mol $ HCl $ được hình thành, vì vậy tốc độ trong trường hợp b) sẽ cao gấp đôi. Do đó, giá trị của tốc độ phản ứng cũng phụ thuộc vào chất mà nó được xác định.

Sự thay đổi về lượng của một chất mà tốc độ phản ứng được xác định là một yếu tố bên ngoài được quan sát bởi nhà nghiên cứu. Trên thực tế, tất cả các quá trình đều được thực hiện ở cấp độ vi mô. Rõ ràng, để một số hạt có thể phản ứng, trước hết chúng phải va chạm và va chạm có hiệu quả: không phải để phân tán như những quả bóng theo các hướng khác nhau, nhưng theo cách mà các liên kết cũ trong các hạt bị phá hủy hoặc yếu đi và các liên kết mới có thể hình thành. , nhưng đối với các hạt phải có đủ năng lượng.

Dữ liệu tính toán cho thấy, ví dụ, va chạm của các phân tử trong chất khí ở áp suất khí quyển lên tới hàng tỷ đô la trên 1 đô la giây, tức là tất cả các phản ứng phải ngay lập tức. Nhưng nó không phải. Nó chỉ ra rằng chỉ một phần rất nhỏ của các phân tử có năng lượng cần thiết để tạo ra một vụ va chạm hiệu quả.

Năng lượng dư thừa tối thiểu mà một hạt (hoặc một cặp hạt) phải có để xảy ra va chạm hiệu quả được gọi là năng lương̣̣ kich hoaṭ$ E_a $.

Do đó, có một rào cản năng lượng trên đường đi của tất cả các hạt tham gia phản ứng, bằng với năng lượng kích hoạt $ E_a $. Khi nó nhỏ, có nhiều hạt có thể vượt qua nó, và tốc độ phản ứng cao. Nếu không, cần phải có một cú hích. Khi bạn mang một que diêm để thắp sáng đèn thần, bạn đang truyền năng lượng bổ sung $ E_a $ cần thiết để các phân tử rượu va chạm hiệu quả với các phân tử oxy (vượt qua rào cản).

Cuối cùng, chúng tôi kết luận rằng nhiều phản ứng có thể xảy ra trên thực tế không xảy ra, bởi vì năng lượng hoạt hóa cao.

Điều này có tầm quan trọng lớn đối với cuộc sống của chúng ta. Hãy tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra nếu tất cả các phản ứng nhiệt động cho phép có thể tiến hành mà không có bất kỳ rào cản năng lượng nào (năng lượng hoạt hóa). Oxy trong không khí sẽ phản ứng với bất cứ thứ gì có thể cháy hoặc đơn giản là oxy hóa. Tất cả các chất hữu cơ sẽ bị ảnh hưởng, chúng sẽ biến thành carbon dioxide $ CO_2 $ và nước $ H_2O $.

Tốc độ của một phản ứng hóa học phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Những yếu tố chính bao gồm: bản chất và nồng độ của chất phản ứng, áp suất (trong phản ứng có chất khí), nhiệt độ, tác dụng của chất xúc tác và bề mặt của chất phản ứng trong trường hợp phản ứng dị thể. Xem xét ảnh hưởng của từng yếu tố này đến tốc độ của một phản ứng hóa học.

Nhiệt độ

Bạn biết rằng khi nhiệt độ tăng, trong hầu hết các trường hợp, tốc độ của một phản ứng hóa học tăng lên đáng kể. Trong thế kỷ 19 nhà hóa học người Hà Lan J. H. Van't Hoff đã đưa ra quy tắc:

Sự gia tăng nhiệt độ cứ mỗi $ 10 ° C $ dẫn đến tốc độ phản ứng tăng theo hệ số 2-4 (giá trị này được gọi là hệ số nhiệt độ của phản ứng).

Khi nhiệt độ tăng, vận tốc trung bình của các phân tử, năng lượng của chúng và số lần va chạm tăng nhẹ, nhưng phần các phân tử hoạt động tham gia vào các va chạm hiệu quả vượt qua hàng rào năng lượng của phản ứng tăng mạnh.

Về mặt toán học, sự phụ thuộc này được biểu thị bằng quan hệ:

$ υ_ (t_2) = υ_ (t_1) γ ^ ((t_2-t_1) / (10)), $

trong đó $ υ_ (t_1) $ và $ υ_ (t_2) $ lần lượt là tốc độ phản ứng ở nhiệt độ $ t_2 $ cuối cùng và $ t_1 $ ban đầu, và $ γ $ là hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng, cho biết bao nhiêu tốc độ phản ứng tăng lên khi nhiệt độ tăng cứ mỗi $ 10 ° C $.

Tuy nhiên, để tăng tốc độ phản ứng, không phải lúc nào việc tăng nhiệt độ cũng được áp dụng, bởi vì. các chất ban đầu có thể bắt đầu bị phân hủy, dung môi hoặc bản thân các chất có thể bay hơi.

Nồng độ chất phản ứng

Sự thay đổi áp suất với sự tham gia của các chất ở thể khí trong phản ứng cũng dẫn đến sự thay đổi nồng độ của các chất này.

Để tương tác hóa học xảy ra giữa các hạt, chúng phải va chạm hiệu quả. Nồng độ chất phản ứng càng lớn thì va chạm càng nhiều và theo đó, tốc độ phản ứng càng cao. Ví dụ, axetilen cháy rất nhanh trong oxi nguyên chất. Điều này tạo ra một nhiệt độ đủ để làm nóng chảy kim loại. Trên cơ sở một lượng lớn vật liệu thí nghiệm, vào năm 1867, K. Guldenberg và P. Waage người Na Uy, và độc lập với họ vào năm 1865, nhà khoa học Nga N. I. Beketov đã xây dựng định luật cơ bản của động học hóa học, thiết lập sự phụ thuộc của phản ứng. tỷ lệ về nồng độ của các chất tham gia phản ứng.

Tốc độ của một phản ứng hóa học tỷ lệ với tích của nồng độ của các chất phản ứng, được tính theo lũy thừa bằng hệ số của chúng trong phương trình phản ứng.

Luật này còn được gọi là luật hành động của quần chúng.

Đối với phản ứng $ A + B = D $, định luật này được biểu thị như sau:

$ υ_1 = k_1 C_A C_B $

Đối với phản ứng $ 2A + B = D $, định luật này được biểu thị như sau:

$ υ_2 = k_2 C_A ^ 2 C_B $

Ở đây $ C_A, C_B $ là nồng độ của các chất $ A $ và $ B $ (mol / l); $ k_1 $ và $ k_2 $ là hệ số tỉ lệ thuận, được gọi là hằng số tốc độ phản ứng.

Ý nghĩa vật lý của hằng số tốc độ phản ứng không khó để thiết lập - nó về mặt số học bằng tốc độ phản ứng trong đó nồng độ của các chất phản ứng bằng $ 1 $ mol / l hoặc sản phẩm của chúng bằng thể tích. Trong trường hợp này, rõ ràng hằng số tốc độ của phản ứng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và không phụ thuộc vào nồng độ các chất.

Định luật khối lượng tác dụng không tính đến nồng độ của các chất tham gia phản ứng ở trạng thái rắn, vì chúng phản ứng trên bề mặt và nồng độ của chúng thường không đổi.

Ví dụ, đối với phản ứng cháy của than

Biểu thức tốc độ phản ứng phải được viết như sau:

$ υ = k · C_ (O_2) $,

tức là, tốc độ phản ứng chỉ tỷ lệ với nồng độ oxy.

Nếu phương trình phản ứng chỉ mô tả phản ứng hóa học tổng thể, diễn ra trong nhiều giai đoạn, thì tốc độ của phản ứng đó có thể phụ thuộc một cách phức tạp vào nồng độ của các chất ban đầu. Sự phụ thuộc này được xác định bằng thực nghiệm hoặc lý thuyết dựa trên cơ chế phản ứng đã đề xuất.

Hoạt động của chất xúc tác

Có thể tăng tốc độ phản ứng bằng cách sử dụng các chất đặc biệt làm thay đổi cơ chế phản ứng và hướng nó theo một con đường thuận lợi hơn về mặt năng lượng với năng lượng hoạt hóa thấp hơn. Họ được gọi là chất xúc tác(từ vĩ độ. xúc tác- sự phá hủy).

Chất xúc tác hoạt động như một hướng dẫn viên có kinh nghiệm, hướng dẫn một nhóm khách du lịch không vượt qua một con đèo cao trên núi (việc vượt qua nó đòi hỏi nhiều nỗ lực và thời gian và không phải ai cũng có thể tiếp cận được), mà đi dọc theo những con đường vòng mà anh ta biết đến, dọc theo đó bạn có thể vượt qua ngọn núi dễ dàng hơn và nhanh hơn nhiều. Đúng vậy, trên một con đường vòng, bạn có thể không đến được nơi mà đường chuyền chính dẫn đến. Nhưng đôi khi đó chính xác là những gì bạn cần! Đây là cách hoạt động của các chất xúc tác, được gọi là chọn lọc. Rõ ràng là không cần đốt amoniac và nitơ, nhưng oxit nitric (II) được sử dụng trong sản xuất axit nitric.

Chất xúc tác là những chất tham gia phản ứng hóa học và thay đổi tốc độ hoặc hướng của nó, nhưng khi kết thúc phản ứng vẫn không thay đổi về lượng và chất.

Thay đổi tốc độ của một phản ứng hóa học hoặc hướng của nó với sự trợ giúp của chất xúc tác được gọi là xúc tác. Chất xúc tác được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khác nhau và trong giao thông vận tải (chất xúc tác chuyển đổi oxit nitơ trong khí thải ô tô thành nitơ vô hại).

Có hai loại xúc tác.

xúc tác đồng nhất, trong đó cả chất xúc tác và chất phản ứng đều ở trạng thái tập hợp (pha) giống nhau.

xúc tác không đồng nhất trong đó chất xúc tác và chất phản ứng ở các pha khác nhau. Ví dụ, sự phân hủy hydro peroxit khi có mặt chất xúc tác oxit mangan (IV) rắn:

$ 2H_2O_2 (→) ↖ (MnO_2 (I)) 2H_2O _ ((l)) + O_2 (g) $

Bản thân chất xúc tác không bị tiêu hao do kết quả của phản ứng, nhưng nếu các chất khác bị hấp phụ trên bề mặt của nó (chúng được gọi là chất độc xúc tác), sau đó bề mặt trở nên không hoạt động được, cần phải tái sinh chất xúc tác. Vì vậy, trước khi thực hiện phản ứng xúc tác, các nguyên liệu ban đầu được tinh chế kỹ lưỡng.

Ví dụ, trong sản xuất axit sunfuric bằng phương pháp tiếp xúc, người ta sử dụng chất xúc tác rắn - vanadi (V) oxit $ V_2O_5 $:

$ 2SO_2 + O_2⇄2SO_3 $

Trong sản xuất metanol, chất xúc tác kẽm-crom rắn được sử dụng ($ 8ZnO Cr_2O_3 × CrO_3 $):

$ CO _ ((g)) + 2H_ (2 (g)) ⇄CH_3OH _ ((g)) $

Chất xúc tác sinh học hoạt động rất hiệu quả - enzim. Theo bản chất hóa học, đây là các protein. Nhờ chúng, các phản ứng hóa học phức tạp diễn ra với tốc độ cao trong cơ thể sống ở nhiệt độ thấp. Enzyme rất cụ thể, mỗi loại trong số chúng chỉ tăng tốc phản ứng của riêng nó, diễn ra đúng lúc và đúng chỗ với năng suất gần $ 100% $. Tạo ra chất xúc tác nhân tạo tương tự như enzyme là một giấc mơ của các nhà hóa học!

Tất nhiên, bạn đã nghe nói về các chất thú vị khác - chất ức chế(từ vĩ độ. ức chế- sự chậm trễ). Chúng phản ứng với các hạt hoạt động với tốc độ cao để tạo thành các hợp chất không hoạt động. Kết quả là, phản ứng chậm lại mạnh và sau đó dừng lại. Các chất ức chế thường được thêm vào các chất khác nhau để ngăn chặn các quá trình không mong muốn.

Ví dụ, với sự trợ giúp của chất ức chế, dung dịch hydrogen peroxide, monome để ngăn chặn quá trình trùng hợp sớm, axit clohydric được ổn định để có thể vận chuyển trong các thùng thép. Các chất ức chế cũng được tìm thấy trong các cơ thể sống; chúng ngăn chặn các phản ứng oxy hóa có hại khác nhau trong các tế bào mô, ví dụ, có thể bắt đầu bằng bức xạ phóng xạ.

Bản chất của các chất phản ứng (thành phần, cấu trúc của chúng)

Giá trị của năng lượng hoạt hóa là yếu tố mà qua đó ảnh hưởng của bản chất các chất tham gia phản ứng.

Nếu năng lượng kích hoạt nhỏ ($< 40$ 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 этих случаях ничтожно мала.

Nếu năng lượng hoạt hóa cao ($> 120 $ kJ / mol), thì điều này có nghĩa là chỉ một phần không đáng kể của va chạm giữa các hạt tương tác dẫn đến phản ứng. Tốc độ của một phản ứng như vậy là rất chậm. Ví dụ, tiến trình của phản ứng tổng hợp amoniac ở nhiệt độ thường hầu như không thể nhận thấy.

Nếu năng lượng hoạt hóa có giá trị trung bình ($ 40-120 $ kJ / mol), thì tốc độ của các phản ứng như vậy sẽ là trung bình. Các phản ứng như vậy bao gồm tương tác của natri với nước hoặc rượu etylic, sự khử màu của nước brom với etylen, tương tác của kẽm với axit clohydric, v.v.

Bề mặt tiếp xúc của chất phản ứng

Tốc độ của các phản ứng diễn ra trên bề mặt của các chất, tức là không đồng nhất, phụ thuộc, những thứ khác bình đẳng, trên các thuộc tính của bề mặt này. Người ta biết rằng phấn bột hòa tan trong axit clohiđric nhanh hơn nhiều so với một viên phấn có khối lượng bằng nhau.

Sự gia tăng tốc độ phản ứng được giải thích trước hết là do sự tăng bề mặt tiếp xúc của các chất ban đầu, cũng như do một số nguyên nhân khác, ví dụ, sự phá hủy cấu trúc của mạng tinh thể thông thường. Điều này dẫn đến thực tế là các hạt trên bề mặt của các vi tinh thể được tạo thành phản ứng mạnh hơn nhiều so với các hạt giống nhau trên bề mặt nhẵn.

Trong công nghiệp, để thực hiện các phản ứng dị thể, tầng sôi được sử dụng để tăng bề mặt tiếp xúc của các chất phản ứng, cung cấp nguyên liệu ban đầu và loại bỏ sản phẩm. Ví dụ, trong sản xuất axit sunfuric sử dụng tầng sôi, pyrit được rang; trong hóa học hữu cơ, sử dụng tầng sôi, xúc tác crackinh các sản phẩm dầu mỏ và tái sinh (thu hồi) chất xúc tác bị lỗi (cốc hóa) được thực hiện.

Khi xác định khái niệm tốc độ phản ứng hóa học cần phân biệt giữa phản ứng đồng thể và phản ứng dị thể. Nếu phản ứng tiến hành trong một hệ đồng thể, ví dụ, trong dung dịch hoặc trong hỗn hợp khí, thì nó xảy ra trong toàn bộ thể tích của hệ. Tốc độ của một phản ứng đồng nhấtđược gọi là lượng chất tham gia phản ứng hoặc được tạo thành do phản ứng trên một đơn vị thời gian trong một đơn vị thể tích của hệ. Vì tỷ lệ giữa số mol của một chất với thể tích mà nó được phân bố là nồng độ mol của chất đó, tốc độ của một phản ứng đồng thể cũng có thể được định nghĩa là sự thay đổi nồng độ trên một đơn vị thời gian của bất kỳ chất nào: thuốc thử ban đầu hoặc sản phẩm phản ứng. Để đảm bảo rằng kết quả của phép tính luôn dương, bất kể nó được tạo ra bởi thuốc thử hay sản phẩm, dấu “±” được sử dụng trong công thức:

Tùy thuộc vào bản chất của phản ứng, thời gian có thể được biểu thị không chỉ bằng giây, theo yêu cầu của hệ SI mà còn bằng phút hoặc giờ. Trong quá trình phản ứng, giá trị của tốc độ không đổi, nhưng liên tục thay đổi: nó giảm, vì nồng độ của các chất ban đầu giảm. Tính toán trên cho giá trị trung bình của tốc độ phản ứng trong một khoảng thời gian nhất định Δτ = τ 2 - τ 1. Tốc độ thực (tức thời) được định nghĩa là giới hạn mà tỷ số Δ TỪ/ Δτ tại Δτ → 0, tức là vận tốc thực bằng đạo hàm theo thời gian của nồng độ.

Đối với một phản ứng có phương trình chứa các hệ số phân vị khác nhau, các giá trị tốc độ biểu thị cho các chất khác nhau không giống nhau. Ví dụ, đối với phản ứng A + 3B \ u003d D + 2E, lượng tiêu thụ của chất A là một mol, chất B là ba mol, sự xuất hiện của chất E là hai mol. Đó là lý do tại sao υ (A) = ⅓ υ (B) = υ (D) = ½ υ (E) hoặc υ (E). = ⅔ υ (TẠI) .

Nếu một phản ứng xảy ra giữa các chất ở các pha khác nhau của một hệ dị thể, thì phản ứng đó chỉ có thể diễn ra ở mặt phân cách giữa các pha này. Ví dụ, tương tác của một dung dịch axit và một miếng kim loại chỉ xảy ra trên bề mặt của kim loại. Tốc độ của một phản ứng dị thểđược gọi là lượng chất tham gia vào phản ứng hoặc được tạo thành do phản ứng trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị bề mặt phân cách giữa các giai đoạn:

.

Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa học vào nồng độ của chất phản ứng được biểu thị bằng định luật khối lượng: ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với tích của nồng độ mol của các chất phản ứng được nâng lên lũy thừa bằng hệ số trong công thức của các chất này trong phương trình phản ứng. Sau đó cho phản ứng

2A + B → sản phẩm

tỉ lệ υ ~ · TỪ A 2 TỪ B, và để chuyển sang đẳng thức, hệ số tỷ lệ được đưa vào k, gọi là hằng số tốc độ phản ứng:

υ = k· TỪ A 2 TỪ B = k[A] 2 [V]

(nồng độ mol trong công thức có thể được ký hiệu bằng chữ cái TỪ với chỉ số tương ứng và công thức của chất được đặt trong dấu ngoặc vuông). Ý nghĩa vật lý của hằng số tốc độ phản ứng là tốc độ phản ứng ở nồng độ của tất cả các chất phản ứng bằng 1 mol / L. Thứ nguyên của hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào số yếu tố ở vế phải của phương trình và có thể từ -1; s –1 (l / mol); s –1 (l 2 / mol 2), v.v., nghĩa là trong mọi trường hợp, trong tính toán, tốc độ phản ứng được biểu thị bằng mol l –1 s –1.

Đối với phản ứng dị thể, phương trình của quy luật tác dụng của khối lượng chỉ bao gồm nồng độ của những chất ở trong pha khí hoặc trong dung dịch. Nồng độ của một chất trong pha rắn là một giá trị không đổi và được bao gồm trong hằng số tốc độ, ví dụ, đối với quá trình cháy của than C + O 2 = CO 2, định luật tác dụng của khối lượng được viết:

υ = k tôi const = k·,

ở đâu k= k tôi hăng sô.

Trong hệ thống mà một hoặc nhiều chất là chất khí, tốc độ phản ứng cũng phụ thuộc vào áp suất. Ví dụ, khi hiđro tương tác với hơi iot H 2 + I 2 \ u003d 2HI, tốc độ của một phản ứng hóa học sẽ được xác định bằng biểu thức:

υ = k··.

Ví dụ, nếu tăng áp suất lên 3 lần, thì thể tích chiếm dụng của hệ thống sẽ giảm đi cùng một lượng, và do đó, nồng độ của mỗi chất phản ứng sẽ tăng lên cùng một lượng. Tốc độ phản ứng trong trường hợp này sẽ tăng lên 9 lần

Sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ phản ứngđược mô tả bởi quy tắc van't Hoff: cứ tăng nhiệt độ 10 độ thì tốc độ phản ứng tăng lên 2-4 lần. Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ tăng theo cấp số nhân, tốc độ phản ứng hóa học tăng theo cấp số nhân. Cơ sở trong công thức lũy tiến là hệ số nhiệt độ tốc độ phản ứngγ, cho biết tốc độ của một phản ứng đã cho tăng lên bao nhiêu lần (hoặc, tốc độ tương tự, hằng số tốc độ) khi nhiệt độ tăng thêm 10 độ. Về mặt toán học, quy tắc van't Hoff được thể hiện bằng các công thức:

hoặc

trong đó và các tốc độ phản ứng tương ứng tại thời điểm ban đầu t 1 và cuối cùng t 2 nhiệt độ. Quy tắc của Van't Hoff cũng có thể được thể hiện như sau:

; ; ; ,

trong đó và lần lượt là tốc độ và hằng số tốc độ của phản ứng ở nhiệt độ t; và các giá trị giống nhau ở nhiệt độ t +10N; N là số khoảng "mười độ" ( N =(t 2 –t 1) / 10) mà nhiệt độ đã thay đổi (có thể là một số nguyên hoặc phân số, dương hoặc âm).

Ví dụ về giải quyết vấn đề

ví dụ 1 Tốc độ của phản ứng 2СО + О 2 = 2СО 2 tiến hành trong bình kín sẽ thay đổi như thế nào nếu áp suất tăng gấp đôi?

Dung dịch:

Tốc độ của phản ứng hóa học xác định được xác định bằng biểu thức:

υ bắt đầu = k· [CO] 2 · [O 2].

Sự tăng áp suất dẫn đến sự tăng nồng độ của cả hai thuốc thử theo hệ số 2. Với ý nghĩ này, chúng tôi viết lại biểu thức cho định luật hành động hàng loạt:

υ 1 = k 2 = k 2 2 [CO] 2 2 [O 2] \ u003d 8 k[CO] 2 [O 2] \ u003d 8 υ sớm

Câu trả lời: Tốc độ phản ứng sẽ tăng lên 8 lần.

Ví dụ 2 Tính tốc độ phản ứng sẽ tăng lên bao nhiêu lần nếu tăng nhiệt độ của hệ từ 20 ° C lên 100 ° C, giả sử giá trị của hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng là 3.

Dung dịch:

Tỷ số giữa tốc độ phản ứng ở hai nhiệt độ khác nhau liên quan đến hệ số nhiệt độ và sự thay đổi nhiệt độ theo công thức:

Phép tính:

Câu trả lời: Tốc độ phản ứng sẽ tăng 6561 lần.

Ví dụ 3 Khi nghiên cứu phản ứng đồng đẳng A + 2B = 3D, người ta thấy rằng trong vòng 8 phút sau phản ứng, khối lượng chất A trong bình phản ứng giảm từ 5,6 mol xuống còn 4,4 mol. Thể tích của khối phản ứng là 56 l. Tính tốc độ trung bình của một phản ứng hoá học trong khoảng thời gian đã học của các chất A, B và D.

Dung dịch:

Chúng ta sử dụng công thức phù hợp với định nghĩa của khái niệm "tốc độ trung bình của một phản ứng hóa học" và thay các giá trị số, thu được tốc độ trung bình của thuốc thử A:

Từ phương trình phản ứng ta thấy, so với tốc độ mất chất A thì tốc độ mất chất B lớn gấp đôi, tốc độ tăng lượng sản phẩm D lớn gấp ba lần. Do đó:

υ (A) = ½ υ (B) = ⅓ υ (D)

và sau đó υ (B) = 2 υ (A) \ u003d 2 2,68 10 -3 \ u003d 6. 36 10 -3 mol l -1 phút -1;

υ (D) = 3 υ (A) = 3 2,68 10 -3 = 8,04 10 -3 mol l -1 phút -1

Trả lời: u(A) = 2,68 10 -3 mol l -1 min -1; υ (B) = 6,36 10–3 mol l – 1 min – 1; υ (D) = 8,04 10–3 mol l – 1 min – 1.

Ví dụ 4Để xác định hằng số tốc độ của phản ứng đồng nhất A + 2B → sản phẩm, người ta tiến hành hai thí nghiệm ở các nồng độ chất B khác nhau và đo tốc độ phản ứng.

Khái niệm "tốc độ" khá phổ biến trong y văn. Vật lý học đã biết rằng khoảng cách được bao phủ bởi một cơ thể vật chất (người, tàu hỏa, tàu vũ trụ) trong một khoảng thời gian nhất định càng lớn thì tốc độ của vật thể này càng cao.

Nhưng làm thế nào để đo tốc độ của một phản ứng hóa học “không đi đến đâu” và không vượt qua bất kỳ khoảng cách nào? Để trả lời câu hỏi này, cần phải tìm hiểu những gì luôn luôn những thay đổi trong không tí nào phản ứng hóa học? Vì bất kỳ phản ứng hóa học nào cũng là một quá trình thay đổi một chất, chất ban đầu biến mất trong nó, biến thành các sản phẩm phản ứng. Như vậy, trong quá trình phản ứng hóa học, lượng của một chất luôn thay đổi, số hạt của các chất ban đầu giảm, do đó nồng độ (C).

Nhiệm vụ của kỳ thi. Tốc độ của một phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với sự thay đổi:

1. nồng độ của một chất trên một đơn vị thời gian;
2. lượng chất trên một đơn vị thể tích;
3. khối lượng của vật chất trên một đơn vị thể tích;
4. khối lượng của chất trong quá trình phản ứng.

Bây giờ hãy so sánh câu trả lời của bạn với câu trả lời đúng:

tốc độ của một phản ứng hóa học bằng sự thay đổi nồng độ của chất phản ứng trong một đơn vị thời gian

ở đâu Từ 1 và Từ 0- nồng độ của các chất phản ứng, cuối cùng và ban đầu, tương ứng; t1 và t2- thời gian của thí nghiệm, khoảng thời gian cuối cùng và khoảng thời gian ban đầu, tương ứng.

Câu hỏi. Bạn nghĩ giá trị nào lớn hơn? Từ 1 hoặc Từ 0? t1 hoặc t0?

Vì các chất phản ứng luôn được tiêu thụ trong một phản ứng nhất định, nên

Do đó, tỷ số của các đại lượng này luôn âm, và tốc độ không thể là giá trị âm. Do đó, dấu trừ xuất hiện trong công thức, đồng thời chỉ ra rằng tốc độ không tí nào phản ứng theo thời gian (trong điều kiện không đổi) luôn luôn giảm.

Vậy tốc độ của một phản ứng hoá học là:

Câu hỏi đặt ra là nồng độ của chất phản ứng (C) nên được đo bằng đơn vị nào và tại sao? Để trả lời nó, bạn cần hiểu điều kiện là gì chính cho bất kỳ phản ứng hóa học nào xảy ra.

Để các hạt phản ứng, ít nhất chúng phải va chạm. Đó là lý do tại sao số hạt * (số mol) trên một đơn vị thể tích càng cao, chúng va chạm càng thường xuyên thì xác suất xảy ra phản ứng hóa học càng cao..

* Đọc bài 29.1 về “nốt ruồi” là gì.

Do đó, khi đo tốc độ của các quá trình hóa học, người ta sử dụng nồng độ mol các chất trong hỗn hợp phản ứng.

Nồng độ mol của một chất cho biết có bao nhiêu mol chất đó trong 1 lít dung dịch.

Vì vậy, nồng độ mol của các chất phản ứng càng lớn, càng nhiều hạt trên một đơn vị thể tích, chúng càng thường xuyên va chạm thì tốc độ phản ứng hóa học càng cao (ceteris paribus). Do đó, định luật cơ bản của động học hóa học (đây là môn khoa học về tốc độ của các phản ứng hóa học) là Luật hành động tập thể.

Tốc độ của một phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với tích nồng độ của các chất phản ứng.

Đối với phản ứng kiểu A + B → ... về mặt toán học, định luật này có thể được biểu diễn như sau:

Nếu phản ứng phức tạp hơn, ví dụ, 2A + B → hoặc, phản ứng giống nhau, A + A + B → ..., thì

Do đó, số mũ xuất hiện trong phương trình vận tốc « hai» , tương ứng với hệ số 2 trong phương trình phản ứng. Đối với các phương trình phức tạp hơn, số mũ lớn thường không được sử dụng. Điều này là do xác suất xảy ra va chạm đồng thời của ba phân tử A và hai phân tử B là cực kỳ nhỏ. Do đó, nhiều phản ứng tiến hành theo nhiều giai đoạn, trong đó không quá ba hạt va chạm và mỗi giai đoạn của quá trình diễn ra với một tốc độ nhất định. Tốc độ này và phương trình động học của tốc độ của nó được xác định bằng thực nghiệm.

Phương trình tốc độ phản ứng hóa học (3) hoặc (4) ở trên chỉ đúng với đồng nhất phản ứng, tức là, đối với những phản ứng như vậy khi các chất tham gia phản ứng không có chung bề mặt. Ví dụ, phản ứng xảy ra trong dung dịch nước và cả hai chất phản ứng đều hòa tan nhiều trong nước hoặc đối với bất kỳ hỗn hợp khí nào.

Một điều nữa là khi không đồng nhất sự phản ứng lại. Trong trường hợp này, có một mặt phân cách giữa các chất phản ứng, ví dụ, carbon dioxide khí ga phản ứng với nước dung dịch chất kiềm. Trong trường hợp này, bất kỳ phân tử khí nào cũng có khả năng tham gia phản ứng như nhau, vì các phân tử này chuyển động nhanh và ngẫu nhiên. Còn các hạt chất lỏng thì sao? Các hạt này di chuyển cực kỳ chậm và các hạt kiềm ở "đáy" hầu như không có cơ hội phản ứng với carbon dioxide nếu dung dịch không được khuấy liên tục. Chỉ những hạt "nằm trên bề mặt" mới phản ứng. Vì vậy đối với không đồng nhất phản ứng -

tốc độ phản ứng phụ thuộc vào kích thước của diện tích bề mặt, tốc độ này tăng lên khi nghiền.

Do đó, rất thường các chất phản ứng được nghiền nát (ví dụ, chúng được hòa tan trong nước), thực phẩm được nhai kỹ, và trong quá trình nấu ăn, chúng được nghiền, đưa qua máy xay thịt, v.v. Thực tế không phải là thực phẩm không bao quanh. tiêu hóa!

Do đó, với tốc độ tối đa (ceteris paribus), các phản ứng đồng nhất tiến hành trong các dung dịch và giữa các khí (nếu các khí này phản ứng ở n.a.), hơn nữa, trong các dung dịch mà các phân tử nằm "cạnh nhau", và quá trình nghiền giống như trong chất khí (và thậm chí nhiều hơn nữa!), - tốc độ phản ứng cao hơn.

Nhiệm vụ của kỳ thi. Phản ứng nào sau đây xảy ra với tốc độ nhanh nhất ở nhiệt độ thường?

1. cacbon với oxy;
2. sắt với axit clohydric;
3. sắt với dung dịch axit axetic
4. dung dịch kiềm và axit sunfuric.

Trong trường hợp này, bạn cần tìm quy trình nào là đồng nhất.

Cần lưu ý rằng tốc độ của phản ứng hóa học giữa các chất khí hoặc phản ứng dị thể trong đó chất khí tham gia cũng phụ thuộc vào áp suất, vì khi áp suất tăng, các chất khí bị nén lại và nồng độ của các hạt tăng lên (xem công thức 2). Tốc độ của các phản ứng trong đó các chất khí không tham gia không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi áp suất.

Nhiệm vụ của kỳ thi. Tốc độ của phản ứng hóa học giữa dung dịch axit và sắt không bị ảnh hưởng

1. nồng độ axit;
2. sắt mài;
3. nhiệt độ phản ứng;
4. tăng áp suất.

Cuối cùng, tốc độ phản ứng còn phụ thuộc vào khả năng phản ứng của các chất. Ví dụ, nếu oxy phản ứng với một chất, sau đó, ceteris paribus, tốc độ phản ứng sẽ cao hơn so với khi cùng một chất tương tác với nitơ. Thực tế là khả năng phản ứng của oxy cao hơn nhiều so với nitơ. Chúng ta sẽ xem xét lý do của hiện tượng này trong phần tiếp theo của Hướng dẫn (bài 14).

Nhiệm vụ của kỳ thi. Phản ứng hóa học giữa axit clohiđric và

1. đồng;
2. sắt;
3. magiê;
4. kẽm.

Cần lưu ý rằng không phải mọi va chạm của các phân tử đều dẫn đến tương tác hóa học của chúng (phản ứng hóa học). Trong một hỗn hợp khí của hydro và oxy, ở điều kiện bình thường, có vài tỷ va chạm trong một giây. Nhưng những dấu hiệu đầu tiên của phản ứng (các giọt nước) sẽ xuất hiện trong bình chỉ sau một vài năm. Trong những trường hợp như vậy, phản ứng được cho là thực tế không đi. Nhưng cô ấy khả thi, nếu không thì làm thế nào để giải thích sự thật rằng khi hỗn hợp này được đun nóng đến 300 ° C, bình nhanh chóng bốc khói, và ở nhiệt độ 700 ° C một vụ nổ khủng khiếp sẽ sấm sét! Không có gì ngạc nhiên khi hỗn hợp hydro và oxy được gọi là "khí nổ".

Câu hỏi. Theo em tại sao khi đun nóng tốc độ phản ứng lại tăng đột ngột?

Tốc độ phản ứng tăng bởi vì, thứ nhất, số lượng va chạm của các hạt tăng lên, và thứ hai, số tích cực Sự va chạm. Đó là sự va chạm tích cực của các hạt dẫn đến sự tương tác của chúng. Để xảy ra va chạm như vậy, các hạt phải có một lượng năng lượng nhất định.

Năng lượng mà các hạt phải có để phản ứng hóa học xảy ra được gọi là năng lượng hoạt hóa.

Năng lượng này được sử dụng để khắc phục lực đẩy giữa các electron bên ngoài của nguyên tử và phân tử và phá hủy các liên kết hóa học "cũ".

Câu hỏi đặt ra: làm thế nào để tăng năng lượng của các hạt phản ứng? Câu trả lời rất đơn giản - để tăng nhiệt độ, vì khi tăng nhiệt độ, tốc độ chuyển động của các hạt tăng, và do đó, động năng của chúng tăng lên.

qui định Van't Hoff *:

cứ tăng nhiệt độ 10 độ thì tốc độ phản ứng tăng 2–4 lần.

VANT HOFF Jacob Hendrik(08/30 / 1852–03 / 01/1911) - Nhà hóa học người Hà Lan. Một trong những người sáng lập ra hóa học vật lý và hóa học lập thể. Giải Nobel Hóa học số 1 (1901).

Cần lưu ý rằng quy tắc này (không phải định luật!) Được thiết lập bằng thực nghiệm cho các phản ứng “thuận tiện” cho việc đo lường, nghĩa là đối với các phản ứng xảy ra không quá nhanh cũng không quá chậm và ở nhiệt độ mà người thử nghiệm có thể tiếp cận được (không quá cao và không quá thấp).

Câu hỏi. Bạn nghĩ sao, làm thế nào để nấu chín khoai tây nhanh nhất có thể: luộc hoặc chiên chúng trong một lớp dầu?

Để hiểu đúng ý nghĩa của các hiện tượng được mô tả, chúng ta có thể so sánh các phân tử phản ứng với một nhóm học sinh chuẩn bị nhảy cao. Nếu họ được đưa cho một rào cản cao 1 m, thì học sinh sẽ phải phân tán đúng cách (tăng “nhiệt độ” của họ) để vượt qua rào cản. Tuy nhiên, sẽ luôn có những học sinh (“phân tử không hoạt động”) không thể vượt qua rào cản này.

Để làm gì? Nếu bạn tuân thủ nguyên tắc: “Người thông minh không lên dốc, người thông minh vượt núi”, thì bạn chỉ cần hạ rào chắn xuống 40 cm, thì bất kỳ học sinh nào cũng có thể vượt qua được rào cản. Ở cấp độ phân tử, điều này có nghĩa là: Để tăng tốc độ của một phản ứng, cần phải giảm năng lượng hoạt hóa trong hệ thống này..

Trong các quá trình hóa học thực tế, chức năng này được thực hiện bởi một chất xúc tác.

Chất xúc tác là chất làm thay đổi tốc độ của một phản ứng hóa học trong khi vẫn không thay đổi về cuối một phản ứng hóa học.

Chất xúc tác có liên quan trong một phản ứng hóa học, tương tác với một hoặc nhiều chất ban đầu. Trong trường hợp này, các hợp chất trung gian được hình thành, và năng lượng hoạt hóa thay đổi. Nếu hợp chất trung gian hoạt động mạnh hơn (phức chất hoạt động) thì năng lượng hoạt hóa giảm và tốc độ phản ứng tăng.

Ví dụ, phản ứng giữa SO 2 và O 2 xảy ra rất chậm, ở điều kiện thường thực tế không đi. Nhưng khi có NO, tốc độ phản ứng tăng đột ngột. Đầu tiên KHÔNG rất nhanh phản ứng với O 2:

nitơ điôxít sản xuất Nhanh phản ứng với oxit lưu huỳnh (IV):

Nhiệm vụ 5.1. Sử dụng ví dụ này để chỉ ra chất nào là chất xúc tác và chất nào là chất phức hoạt động.

Ngược lại, nếu có nhiều hợp chất thụ động hơn được tạo thành, thì năng lượng hoạt hóa có thể tăng lên rất nhiều nên phản ứng ở các điều kiện đã cho sẽ thực tế không xảy ra. Chất xúc tác như vậy được gọi là chất ức chế.

Trong thực tế, cả hai loại xúc tác đều được sử dụng. Vì vậy, các chất xúc tác hữu cơ đặc biệt - enzim- tham gia tuyệt đối vào tất cả các quá trình sinh hoá: tiêu hoá thức ăn, co cơ, hô hấp. Cuộc sống là không thể nếu không có enzym!

Chất ức chế là cần thiết để bảo vệ các sản phẩm kim loại khỏi bị ăn mòn, các sản phẩm thực phẩm chứa chất béo khỏi bị oxy hóa (ôi thiu). Một số loại thuốc cũng chứa chất ức chế ức chế các chức năng quan trọng của vi sinh vật và do đó tiêu diệt chúng.

Xúc tác có thể đồng nhất hoặc không đồng nhất. Một ví dụ về xúc tác đồng thể là tác dụng của NO (nó là chất xúc tác) đối với quá trình oxy hóa lưu huỳnh đioxit. Một ví dụ về xúc tác dị thể là tác dụng của đồng đun nóng với rượu:

Phản ứng này diễn ra trong hai giai đoạn:

Nhiệm vụ 5.2. Chất nào là chất xúc tác trong trường hợp này? Tại sao loại xúc tác này được gọi là dị thể?

Trong thực tế, xúc tác dị thể thường được sử dụng nhiều nhất, trong đó các chất rắn làm chất xúc tác: kim loại, oxit của chúng, ... Trên bề mặt của các chất này có những điểm đặc biệt (vị trí của mạng tinh thể), trong đó thực tế là phản ứng xúc tác. xảy ra. Nếu các điểm này bị đóng lại bằng vật chất lạ thì quá trình xúc tác sẽ dừng lại. Chất này, bất lợi cho chất xúc tác, được gọi là chất độc xúc tác. Các chất khác - người quảng bá- ngược lại, chúng làm tăng hoạt tính của xúc tác.

Một chất xúc tác có thể làm thay đổi hướng của một phản ứng hóa học, tức là bằng cách thay đổi chất xúc tác, có thể thu được các sản phẩm phản ứng khác nhau. Vì vậy, butađien có thể thu được từ rượu C 2 H 5 OH khi có mặt kẽm và nhôm oxit, và có thể thu được etilen khi có mặt axit sunfuric đặc.

Như vậy, trong quá trình phản ứng hóa học, năng lượng của hệ thay đổi. Nếu trong quá trình phản ứng năng lượng được giải phóngở dạng ấm áp Q, một quá trình như vậy được gọi là tỏa nhiệt:

Vì endo quá trình nhiệt nhiệt được hấp thụ, tức là hiệu ứng nhiệt Q< 0 .

Nhiệm vụ 5.3. Xác định quy trình được đề xuất là tỏa nhiệt và quy trình nào thu nhiệt:

Phương trình phản ứng hóa học trong đó hiệu ứng nhiệt, được gọi là phương trình phản ứng nhiệt hóa. Để lập phương trình như vậy, cần phải tính hiệu ứng nhiệt trên 1 mol chất phản ứng.

Một nhiệm vụ. Khi đốt cháy 6 g magie, nhiệt lượng toả ra là 153,5 kJ. Viết phương trình nhiệt hóa cho phản ứng này.

Dung dịch. Hãy để chúng tôi lập phương trình phản ứng và chỉ ra HƠN các công thức đã cho:

Tính theo tỷ lệ, chúng tôi tìm thấy hiệu ứng nhiệt mong muốn của phản ứng:

Phương trình nhiệt hóa của phản ứng này là:

Các nhiệm vụ như vậy được đưa ra trong các nhiệm vụ số đông lựa chọn kỳ thi! Ví dụ.

Nhiệm vụ của kỳ thi. Theo phương trình phản ứng nhiệt hóa

Nhiệt lượng toả ra trong quá trình đốt cháy 8g metan là:

Tính thuận nghịch của các quá trình hóa học. Nguyên tắc của Le Chatelier

* LE CHATELIER Henri Louis(10/8 / 1850–09 / 17/1936) - Nhà hóa học vật lý và nhà luyện kim người Pháp. Xây dựng định luật tổng quát về chuyển vị của cân bằng (1884).

Các phản ứng là thuận nghịch và không thể đảo ngược.

không thể thay đổiđược gọi là những phản ứng như vậy mà không có điều kiện nào mà quá trình ngược lại có thể xảy ra.

Một ví dụ về các phản ứng như vậy là phản ứng xảy ra khi sữa chua hoặc khi phần cốt lết ngon bị đốt cháy. Cũng như không thể cho thịt băm trở lại máy xay thịt (và lấy lại một miếng thịt), cũng không thể “làm sạch” cốt lết hoặc làm sữa tươi.

Nhưng chúng ta hãy tự hỏi bản thân một câu hỏi đơn giản: quá trình này có phải là không thể đảo ngược:

Để trả lời câu hỏi này, chúng ta hãy thử nhớ lại xem có thể thực hiện quá trình ngược lại không? Đúng! Quá trình phân hủy đá vôi (đá phấn) để thu được vôi sống CaO được sử dụng ở quy mô công nghiệp:

Do đó, phản ứng là thuận nghịch, vì có các điều kiện cả hai quá trình:

Hơn nữa, có những điều kiện theo đó tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của phản ứng nghịch.

Trong những điều kiện này, một trạng thái cân bằng hóa học được thiết lập. Lúc này phản ứng không dừng mà số hạt thu được bằng số hạt bị phân huỷ. Đó là lý do tại sao ở trạng thái cân bằng hóa học, nồng độ của các hạt tham gia phản ứng không thay đổi. Ví dụ, đối với quá trình của chúng ta ở thời điểm cân bằng hóa học

ký có nghĩa là nồng độ cân bằng.

Câu hỏi đặt ra, điều gì sẽ xảy ra đối với trạng thái cân bằng nếu nhiệt độ được tăng lên hoặc hạ xuống, hoặc các điều kiện khác được thay đổi? Câu hỏi này có thể được trả lời bằng cách biết Nguyên tắc của Le Chatelier:

nếu chúng ta thay đổi các điều kiện (t, p, c) mà theo đó hệ ở trạng thái cân bằng, thì trạng thái cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng chống lại sự thay đổi.

Nói cách khác, hệ thống cân bằng luôn chống lại bất kỳ ảnh hưởng nào từ bên ngoài, như một đứa trẻ thất thường chống lại ý muốn của cha mẹ mình, người làm “mọi thứ theo chiều ngược lại”.

Hãy xem xét một ví dụ. Để cân bằng được thiết lập trong phản ứng thu được amoniac:

Các câu hỏi. Số mol các khí tham gia phản ứng trước và sau phản ứng có giống nhau không? Nếu phản ứng diễn ra trong thể tích kín thì khi áp suất càng lớn: trước hay sau phản ứng?

Rõ ràng, quá trình này xảy ra với sự giảm số lượng phân tử khí, có nghĩa là sức ép giảm trong quá trình phản ứng trực tiếp. TẠI đảo ngược phản ứng - ngược lại, áp suất trong hỗn hợp tăng.

Hãy để chúng tôi tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu trong hệ thống này nuôi sức ép? Theo nguyên tắc của Le Chatelier, phản ứng "làm ngược lại", tức là hạ thấp sức ép. Đây là một phản ứng trực tiếp: ít phân tử khí hơn - ít áp suất hơn.

Vì thế, tại khuyến mãi áp suất, cân bằng dịch chuyển theo hướng quá trình trực tiếp, trong đóáp lực giảm xuống khi số lượng phân tử giảm các chất khí.

Nhiệm vụ của kỳ thi. Tại khuyến mãiáp suất thay đổi sự cân bằng bên phải trong hệ thống:

Nếu là kết quả của phản ứng số lượng phân tử các chất khí không thay đổi thì áp suất thay đổi không ảnh hưởng đến vị trí cân bằng.

Nhiệm vụ của kỳ thi. Sự thay đổi áp suất ảnh hưởng đến sự chuyển dịch cân bằng trong hệ:

Vị trí cân bằng của phản ứng này và bất kỳ phản ứng nào khác phụ thuộc vào nồng độ của các chất tham gia phản ứng: bằng cách tăng nồng độ của các chất ban đầu và giảm nồng độ của các chất tạo thành, chúng ta luôn luôn chuyển trạng thái cân bằng theo hướng phản ứng trực tiếp (bên phải).

Nhiệm vụ của kỳ thi.

sẽ chuyển sang trái khi:

1. tăng áp suất;
2. hạ nhiệt độ;
3. tăng nồng độ CO;
4. giảm nồng độ CO.

Quá trình tổng hợp amoniac là quá trình tỏa nhiệt, nghĩa là, nó kèm theo sự tỏa nhiệt, nghĩa là tăng nhiệt độ trong hỗn hợp.

Câu hỏi. Cân bằng sẽ chuyển dịch như thế nào trong hệ thống này khi giảm nhiệt độ?

Lập luận tương tự, chúng tôi làm phần kết luận: khi hạ thấp nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng hình thành amoniac, vì nhiệt được giải phóng trong phản ứng này, và nhiệt độ mọc.

Câu hỏi. Tốc độ của một phản ứng hóa học sẽ thay đổi như thế nào khi nhiệt độ giảm?

Rõ ràng là với sự giảm nhiệt độ, tốc độ của cả hai phản ứng sẽ giảm mạnh, tức là người ta sẽ phải đợi một thời gian rất dài khi trạng thái cân bằng mong muốn được thiết lập. Để làm gì? Trong trường hợp này, nó là cần thiết chất xúc tác. Mặc dù anh ấy không ảnh hưởng đến vị trí cân bằng, nhưng làm tăng tốc độ bắt đầu của trạng thái này.

Nhiệm vụ của kỳ thi. Cân bằng hóa học trong hệ

chuyển dịch theo hướng hình thành sản phẩm phản ứng ở:

1. tăng áp suất;
2. tăng nhiệt độ;
3. giảm áp suất;
4. việc sử dụng chất xúc tác.

kết luận

Tốc độ của một phản ứng hóa học phụ thuộc vào:

• bản chất của các hạt phản ứng;
• nồng độ hoặc diện tích bề mặt của chất phản ứng;
• nhiệt độ;
• sự hiện diện của chất xúc tác.

Trạng thái cân bằng được thiết lập khi tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ của quá trình nghịch. Trong trường hợp này, nồng độ cân bằng của các chất phản ứng không thay đổi. Trạng thái cân bằng hóa học phụ thuộc vào các điều kiện và tuân theo nguyên lý Le Chatelier.

Các khái niệm cơ bản đã nghiên cứu:

Tốc độ phản ứng hóa học

Nồng độ mol

Động học

Phản ứng đồng nhất và không đồng nhất

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học

chất xúc tác, chất ức chế

Xúc tác

Phản ứng thuận nghịch và không thể đảo ngược

Cân bằng hóa học

Phản ứng hóa học là phản ứng mà chất khác thu được từ chất này (chất mới được tạo thành từ chất ban đầu). Một số phản ứng hóa học diễn ra trong vài phần giây (một vụ nổ), trong khi những phản ứng khác mất vài phút, vài ngày, vài năm, vài thập kỷ, v.v.

Ví dụ: phản ứng cháy của thuốc súng xảy ra tức thì với sự bắt lửa và nổ, và phản ứng làm đen bạc hoặc gỉ sắt (ăn mòn) diễn ra rất chậm nên chỉ sau một thời gian dài mới có thể theo dõi được kết quả của nó.

Để mô tả tốc độ của một phản ứng hóa học, khái niệm tốc độ của một phản ứng hóa học được sử dụng - υ.

Tốc độ của một phản ứng hóa học là sự thay đổi nồng độ của một trong các chất phản ứng của phản ứng trong một đơn vị thời gian.

Công thức tính tốc độ của một phản ứng hóa học là:

υ =	từ 2 đến 1	=	∆ s
t2 - t1	∆t

c 1 - nồng độ mol của chất ở thời điểm ban đầu t 1

c 2 - nồng độ mol của chất ở thời điểm ban đầu t 2

vì tốc độ của một phản ứng hóa học được đặc trưng bởi sự thay đổi nồng độ mol của các chất tham gia (chất bắt đầu), sau đó t 2> t 1, và c 2> c 1 (nồng độ của các chất bắt đầu giảm khi phản ứng tiếp tục ).

Nồng độ mol là lượng chất trên một đơn vị thể tích. Đơn vị đo nồng độ mol là [mol / l].

Ngành hóa học nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học được gọi là động học hóa học. Biết được định luật của nó, một người có thể điều khiển các quá trình hóa học, thiết lập cho chúng một tốc độ nhất định.

Khi tính toán tốc độ của một phản ứng hóa học, cần phải nhớ rằng các phản ứng được chia thành đồng thể và dị thể.

Phản ứng đồng nhất- các phản ứng xảy ra trong cùng một môi trường (nghĩa là các chất phản ứng ở cùng trạng thái tập hợp; ví dụ: khí + khí, lỏng + lỏng).

phản ứng không đồng nhất- đây là những phản ứng xảy ra giữa các chất trong một môi trường không đồng nhất (có một mặt phân pha, tức là các chất tham gia phản ứng ở một trạng thái tập hợp khác nhau; ví dụ: khí + lỏng, lỏng + rắn).

Công thức tính tốc độ phản ứng hóa học trên chỉ đúng đối với phản ứng đồng đẳng. Nếu phản ứng không đồng nhất, thì nó chỉ có thể diễn ra trên bề mặt phân cách giữa các chất phản ứng.

Đối với phản ứng dị thể, tốc độ được tính theo công thức:

∆ν - thay đổi lượng chất

S là diện tích của giao diện

∆ t là khoảng thời gian mà phản ứng xảy ra

Tốc độ của các phản ứng hóa học phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau: bản chất của chất phản ứng, nồng độ của chất, nhiệt độ, chất xúc tác hoặc chất ức chế.

Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào bản chất của các chất phản ứng.

Hãy phân tích sự phụ thuộc này của tốc độ phản ứng Ví dụ: cho vào hai ống nghiệm đựng cùng một lượng dung dịch axit clohiđric (HCl), các hạt kim loại có cùng diện tích: ở ống nghiệm thứ nhất một hạt sắt (Fe), ống nghiệm thứ hai là một hạt magie. (Mg) hạt. Theo kết quả quan sát, theo tốc độ tiến hóa của hydro (H 2), có thể thấy magie phản ứng với axit clohydric với tốc độ cao nhất so với sắt. Tốc độ của một phản ứng hóa học nhất định bị ảnh hưởng bởi bản chất của kim loại (tức là magiê là kim loại phản ứng mạnh hơn sắt và do đó phản ứng mạnh hơn với axit).

Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa học vào nồng độ chất phản ứng.

Nồng độ của chất tham gia (ban đầu) càng cao thì phản ứng xảy ra càng nhanh. Ngược lại, nồng độ chất phản ứng càng thấp thì phản ứng càng chậm.

Ví dụ: chúng ta sẽ đổ dung dịch axit clohydric đậm đặc (HCl) vào một ống nghiệm và một dung dịch axit clohiđric loãng vào một ống nghiệm khác. Ta cho vào cả hai ống nghiệm một hạt kẽm (Zn). Theo tốc độ tiến hóa của hydro, chúng tôi nhận thấy rằng phản ứng sẽ diễn ra nhanh hơn trong ống nghiệm thứ nhất, bởi vì nồng độ của axit clohiđric trong đó lớn hơn ở ống nghiệm thứ hai.

Để xác định sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa học, luật hành động của (hành động) quần chúng : tốc độ của một phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với tích nồng độ của các chất phản ứng, được tính theo lũy thừa bằng hệ số của chúng.

Ví dụ, đối với một phản ứng tiến hành theo sơ đồ: nA + mB → D, Tốc độ của một phản ứng hóa học được xác định theo công thức:

υ ch.r. = k C (A) n C (B) m, ở đâu

υ x.r - tốc độ phản ứng hóa học

C (A) - NHƯNG

C (V) - nồng độ mol của một chất TẠI

n và m - hệ số của chúng

k- hằng số tốc độ phản ứng hóa học (giá trị tham khảo).

Định luật tác dụng của khối lượng không áp dụng cho các chất ở trạng thái rắn, vì nồng độ của chúng không đổi (do chúng chỉ phản ứng trên bề mặt, không thay đổi).

Ví dụ: cho một phản ứng 2 Cu + O 2 \ u003d 2 CuO tốc độ phản ứng được xác định theo công thức:

υ ch.r. \ u003d k C (O 2)

BÀI GIẢI: Hằng số tốc độ của phản ứng 2A + B = D là 0,005. tính tốc độ phản ứng ở nồng độ mol của chất A là 0,6 mol / l, chất B là 0,8 mol / l.

Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa học vào nhiệt độ.

Sự phụ thuộc này được xác định quy tắc van't Hoff (1884): cứ tăng nhiệt độ lên 10 ° C thì tốc độ phản ứng hoá học tăng trung bình 2-4 lần.

Vì vậy, tương tác của hydro (H 2) và oxy (O 2) hầu như không xảy ra ở nhiệt độ phòng, vì vậy tốc độ của phản ứng hóa học này rất thấp. Nhưng ở nhiệt độ 500 C, phản ứng này diễn ra trong 50 phút, và ở nhiệt độ 700 C - gần như ngay lập tức.

Công thức tính tốc độ phản ứng hóa học theo quy tắc van't Hoff:

trong đó: υ t 1 và υ t 2 là tốc độ phản ứng hóa học ở t 2 và t 1

γ là hệ số nhiệt độ, cho biết tốc độ phản ứng tăng bao nhiêu lần khi nhiệt độ tăng 10 ° C.

Thay đổi tốc độ phản ứng:

2. Thay dữ liệu từ câu lệnh bài toán vào công thức:

Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào các chất đặc biệt - chất xúc tác và chất ức chế.

Chất xúc tác Một chất làm tăng tốc độ của một phản ứng hóa học nhưng bản thân nó không tham gia vào nó.

Chất ức chế Một chất làm chậm phản ứng hóa học nhưng không tham gia vào phản ứng hóa học đó.

Ví dụ: trong một ống nghiệm đựng dung dịch 3% hiđro peoxit (H 2 O 2), được đun nóng, chúng ta hãy thêm một mảnh vỡ đang cháy âm ỉ - nó sẽ không sáng lên, vì tốc độ phản ứng phân hủy hydro peroxit thành nước (H 2 O) và oxy (O 2) là rất thấp, và lượng oxy tạo thành không đủ để thực hiện phản ứng định tính thành oxy (quá trình cháy duy trì). Bây giờ chúng ta hãy thêm một ít bột màu đen của mangan (IV) oxit (MnO 2) vào ống nghiệm và chúng ta sẽ thấy rằng bọt khí (oxy) bắt đầu diễn ra nhanh chóng và ngọn đuốc cháy âm ỉ được đưa vào ống nghiệm sẽ bùng sáng. MnO 2 là chất xúc tác cho phản ứng này, nó làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng không tham gia vào chính nó (điều này có thể được chứng minh bằng cách cân chất xúc tác trước và sau phản ứng - khối lượng của nó sẽ không thay đổi).

Phương pháp hóa học

Phương pháp vật lý

Phương pháp đo tốc độ phản ứng

Trong ví dụ trên, tốc độ phản ứng giữa canxi cacbonat và axit được đo bằng cách nghiên cứu thể tích khí phát triển như một hàm số của thời gian. Dữ liệu thực nghiệm về tốc độ phản ứng có thể thu được bằng cách đo các đại lượng khác.

Nếu trong quá trình phản ứng mà tổng lượng các chất ở thể khí thay đổi thì có thể quan sát được quá trình của nó bằng cách đo áp suất của chất khí ở một thể tích không đổi. Trong trường hợp một trong các nguyên liệu ban đầu hoặc một trong các sản phẩm phản ứng có màu, có thể theo dõi tiến trình của phản ứng bằng cách quan sát sự thay đổi màu sắc của dung dịch. Một phương pháp quang học khác là đo sự quay của mặt phẳng phân cực ánh sáng (nếu các chất ban đầu và sản phẩm phản ứng có khả năng quay khác nhau).

Một số phản ứng kèm theo sự thay đổi số lượng ion trong dung dịch. Trong những trường hợp như vậy, tốc độ phản ứng có thể được nghiên cứu bằng cách đo độ dẫn điện của dung dịch. Trong chương tiếp theo, một số phương pháp điện hóa khác có thể được sử dụng để đo tốc độ phản ứng sẽ được thảo luận.

Tiến trình của phản ứng có thể được theo dõi bằng cách đo nồng độ của một trong những người tham gia phản ứng theo thời gian bằng nhiều phương pháp phân tích hóa học. Phản ứng được thực hiện trong bình điều nhiệt. Trong những khoảng thời gian nhất định, một mẫu dung dịch (hoặc khí) được lấy từ bình và nồng độ của một trong các thành phần được xác định. Để có được kết quả đáng tin cậy, điều quan trọng là không có phản ứng nào xảy ra trong mẫu được lấy để phân tích. Điều này đạt được bằng cách liên kết hóa học của một trong các thuốc thử, làm lạnh nhanh hoặc pha loãng dung dịch.

Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng phụ thuộc vào một số yếu tố. Trước hết chúng ta hãy xem xét ảnh hưởng của các yếu tố này ở mức độ định tính.

1.Bản chất của các chất phản ứng. Từ thực hành trong phòng thí nghiệm, chúng ta biết rằng sự trung hòa của một axit bằng một bazơ

H + + OH - ® H 2 O

tương tác của muối với sự hình thành hợp chất ít hòa tan

Ag + + Cl - ® AgCl

và các phản ứng khác trong dung dịch chất điện li xảy ra rất nhanh. Thời gian cần thiết để các phản ứng này hoàn thành được tính bằng mili giây và thậm chí là micro giây. Điều này khá dễ hiểu, bởi vì bản chất của các phản ứng như vậy là sự tiếp cận và kết hợp của các hạt mang điện với các điện tích trái dấu.

Ngược lại với phản ứng ion, sự tương tác giữa các phân tử liên kết cộng hóa trị thường diễn ra chậm hơn nhiều. Thật vậy, trong quá trình phản ứng giữa các hạt như vậy, các liên kết trong phân tử của các chất ban đầu phải phá vỡ. Để làm được điều này, các phân tử va chạm phải có một năng lượng nhất định. Ngoài ra, nếu các phân tử đủ phức tạp, để phản ứng xảy ra giữa chúng, chúng phải được định hướng trong không gian theo một cách nhất định.

2. Nồng độ chất phản ứng. Tốc độ của một phản ứng hóa học, ceteris paribus, phụ thuộc vào số lần va chạm của các hạt phản ứng trong một đơn vị thời gian. Xác suất va chạm phụ thuộc vào số lượng hạt trên một đơn vị thể tích, tức là từ nồng độ. Do đó, tốc độ phản ứng tăng khi nồng độ tăng.

3. Trạng thái vật lý của các chất. Trong các hệ đồng thể, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào số lượng va chạm của các hạt trong khối lượng dung dịch(hoặc khí). Trong các hệ không đồng nhất, tương tác hóa học xảy ra tại giao diện. Sự gia tăng diện tích bề mặt của chất rắn trong quá trình nghiền tạo điều kiện cho các phần tử phản ứng tiếp cận với các phần tử của chất rắn, dẫn đến gia tốc phản ứng đáng kể.

4. Nhiệt độ có tác động đáng kể đến tốc độ của các quá trình hóa học và sinh học khác nhau. Khi nhiệt độ tăng lên, động năng của các hạt tăng lên, và do đó, phần hạt có năng lượng đủ cho tương tác hóa học tăng lên.

5. Yếu tố Stericđặc trưng cho nhu cầu định hướng lẫn nhau của các hạt tham gia phản ứng. Các phân tử càng phức tạp, xác suất định hướng đúng của chúng càng thấp, hiệu quả của va chạm càng thấp.

6. Sự sẵn có của chất xúc tác.Chất xúc tác là chất làm thay đổi tốc độ của một phản ứng hóa học.Được đưa vào hệ thống phản ứng với một lượng nhỏ và không thay đổi sau phản ứng, chúng có khả năng thay đổi tốc độ của quá trình.

Các yếu tố chính mà tốc độ phản ứng phụ thuộc sẽ được thảo luận chi tiết hơn bên dưới.