A kémiai reakció sebessége

A „Kémiai reakció sebessége” téma talán a legösszetettebb és legvitatottabb az iskolai tantervben. Ennek oka maga a kémiai kinetika, a fizikai kémia egyik ága összetettsége. Már a „kémiai reakció sebessége” fogalmának meghatározása is kétértelmű (lásd például L. S. Guzey cikkét a „Khimiya” újságban, 2001, 28. szám,
Val vel. 12). Még több probléma merül fel, ha a reakciósebességre vonatkozó tömeghatás törvényét bármilyen kémiai rendszerre próbáljuk alkalmazni, mert nagyon szűk azon objektumok köre, amelyeknél a kinetikai folyamatok mennyiségi leírása lehetséges az iskolai tananyag keretein belül. Külön szeretném felhívni a figyelmet arra a helytelenre, amikor a tömeghatás törvényét a kémiai egyensúlyi kémiai reakció sebességére használjuk.
Ugyanakkor helytelen lenne teljesen megtagadni ennek a témának az iskolában való megvitatását. A kémiai reakció sebességére vonatkozó elképzelések nagyon fontosak számos természeti és technológiai folyamat tanulmányozása során, ezek nélkül nem lehet katalízisről és katalizátorokról, köztük enzimekről beszélni. Bár az anyagok átalakulásának tárgyalásakor elsősorban a kémiai reakció sebességére vonatkozó kvalitatív elképzeléseket alkalmazzuk, a legegyszerűbb mennyiségi összefüggések bevezetése továbbra is kívánatos, különösen az elemi reakciók esetében.
A megjelent cikk kellő részletességgel tárgyalja a kémiai kinetika iskolai kémiaórákon tárgyalható kérdéseit. A téma vitatott és vitatott aspektusainak kizárása az iskolai kémia tantárgyból különösen fontos azon hallgatók számára, akik egyetemen folytatják kémia képzésüket. Hiszen az iskolában megszerzett tudás gyakran ütközik a tudományos valósággal.

A kémiai reakciók lefutási ideje jelentősen változhat. A hidrogén és oxigén keveréke szobahőmérsékleten hosszú ideig gyakorlatilag változatlan maradhat, de ha elütik vagy meggyulladnak, robbanás következik be. A vaslemez lassan rozsdásodik, és egy darab fehér foszfor spontán meggyullad a levegőben. Fontos tudni, hogy egy adott reakció milyen gyorsan következik be, hogy ellenőrizni lehessen annak előrehaladását.

Alapfogalmak

Egy adott reakció lefutásának mennyiségi jellemzője a kémiai reakció sebessége, azaz a reagensek elhasználódási sebessége vagy a termékek megjelenésének sebessége. Ebben az esetben nem mindegy, hogy a reakcióban részt vevő anyagok közül melyikről van szó, mivel ezek mindegyike a reakcióegyenleten keresztül kapcsolódik egymáshoz. Az egyik anyag mennyiségének megváltoztatásával meg lehet ítélni az összes többi anyag mennyiségének megfelelő változását.

A kémiai reakció sebessége () reaktáns vagy termék mennyiségének változásának nevezzük () időegységenként () térfogategységenként (V):

= /(V ).

A reakciósebességet ebben az esetben általában mol/(l s-ban) fejezzük ki.

A fenti kifejezés homogén közegben, például gázok között vagy oldatban végbemenő homogén kémiai reakciókra vonatkozik:

2SO 2 + O 2 = 2SO 3,

BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2HCl.

Heterogén kémiai reakciók mennek végbe szilárd és gáz érintkezési felületén, szilárd és folyadék érintkezési felületén stb. A heterogén reakciók közé tartoznak például a fémek savakkal való reakciói:

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2.

Ebben az esetben a reakció sebessége a reaktáns vagy termék mennyiségének változása () időegységenként() felületegységenként (S):

= /(S ).

A heterogén reakció sebességét mol/(m 2 s) mértékegységben fejezzük ki.

A kémiai reakciók szabályozásához nem csak az a fontos, hogy meg lehessen határozni azok sebességét, hanem az is, hogy megtudjuk, milyen körülmények befolyásolják azokat. A kémia azon ágát, amely a kémiai reakciók sebességét és a különféle tényezők arra gyakorolt ​​hatását vizsgálja, az ún kémiai kinetika.

A reagáló részecskék ütközési gyakorisága

A kémiai reakció sebességét meghatározó legfontosabb tényező az koncentráció.

A reagensek koncentrációjának növekedésével a reakciósebesség általában növekszik. A reakció létrejöttéhez két kémiai részecskének össze kell jönnie, így a reakció sebessége a köztük lévő ütközések számától függ. Egy adott térfogatban a részecskék számának növekedése gyakoribb ütközésekhez és a reakciósebesség növekedéséhez vezet.

Homogén reakciók esetén egy vagy több reagens koncentrációjának növelése növeli a reakció sebességét. Amikor a koncentráció csökken, az ellenkező hatás figyelhető meg. Az anyagok koncentrációja az oldatban megváltoztatható a reaktánsok vagy oldószerek hozzáadásával vagy eltávolításával a reakciószférából. Gázokban az egyik anyag koncentrációja növelhető, ha ezt az anyagot további mennyiségben juttatjuk a reakcióelegybe. Az összes gáznemű anyag koncentrációja egyidejűleg növelhető a keverék által elfoglalt térfogat csökkentésével. Ezzel egyidejűleg a reakció sebessége nő. A hangerő növelése az ellenkező eredményhez vezet.

A heterogén reakciók sebessége attól függ anyagok közötti érintkezési felület, azaz az anyagok őrlési fokáról, a reagensek keverésének teljességéről, valamint a szilárd anyagok kristályszerkezetének állapotáról. A kristályszerkezet bármilyen zavara a szilárd anyagok reakciókészségének növekedését okozza, mert további energiára van szükség az erős kristályszerkezet elpusztításához.

Vegye figyelembe a fa égetését. Egy egész fahasáb viszonylag lassan ég a levegőben. Ha növeli a fa és a levegő érintkezési felületét, és a rönköt forgácsra hasítja, az égési sebesség megnő. Ugyanakkor a fa tiszta oxigénben sokkal gyorsabban ég, mint a levegőben, amely csak körülbelül 20% oxigént tartalmaz.

A kémiai reakció létrejöttéhez a részecskéknek – atomoknak, molekuláknak vagy ionoknak – össze kell ütközniük. Az ütközések következtében az atomok átrendeződnek és új kémiai kötések jönnek létre, ami új anyagok kialakulásához vezet. Két részecske ütközésének valószínűsége meglehetősen nagy, három részecske egyidejű ütközésének valószínűsége sokkal kisebb. Rendkívül valószínűtlen, hogy négy részecske egy időben ütközzen. Ezért a legtöbb reakció több szakaszban megy végbe, amelyek mindegyikében legfeljebb három részecske lép kölcsönhatásba.

A hidrogén-bromid oxidációs reakciója észrevehető sebességgel megy végbe 400-600 °C-on:

4НВr + O 2 = 2Н 2О + 2Вr 2 .

A reakcióegyenlet szerint öt molekulának kell egyszerre ütköznie. Egy ilyen esemény valószínűsége azonban gyakorlatilag nulla. Sőt, kísérleti vizsgálatok kimutatták, hogy a koncentráció növelése - akár oxigén, akár hidrogén-bromid - ugyanannyiszor növeli a reakciósebességet. És ez annak ellenére, hogy minden oxigénmolekulához négy hidrogén-bromid molekula fogy.

Ennek a folyamatnak a részletes vizsgálata azt mutatja, hogy több szakaszból áll:

1) HBr + O 2 = HOOBr (lassú reakció);

2) HOOBr + HBr = 2HOVr (gyors reakció);

3) HOWr + HBr = H 2 O + Br 2 (gyors reakció).

A fenti reakciók, az ún elemi reakciók, tükrözik reakció mechanizmus hidrogén-bromid oxigénnel történő oxidációja. Fontos megjegyezni, hogy az egyes köztes reakciókban csak két molekula vesz részt. Ha összeadjuk az első két egyenletet és a harmadikat kétszer, akkor megkapjuk a teljes reakcióegyenletet. A teljes reakciósebességet a leglassabb közbenső reakció határozza meg, amelyben egy molekula hidrogén-bromid és egy molekula oxigén lép kölcsönhatásba.

Az elemi reakciók sebessége egyenesen arányos a moláris koncentrációk szorzatával Val vel (Val vel az anyag mennyisége térfogategységenként, Val vel = /V) reagensek sztöchiometrikus együtthatóikkal megegyező teljesítményben ( tömegcselekvés törvénye kémiai reakció sebességére). Ez csak a valós kémiai folyamatok mechanizmusait tükröző reakcióegyenletekre igaz, amikor a reagensképletek előtti sztöchiometrikus együtthatók megfelelnek a kölcsönhatásban lévő részecskék számának.

A reakcióban kölcsönhatásba lépő molekulák száma alapján a reakciókat monomolekuláris, bimolekuláris és trimolekuláris csoportokra osztják. Például a molekuláris jód disszociációja atomokra: I 2 = 2I egy monomolekuláris reakció.

A jód kölcsönhatása hidrogénnel: I 2 + H 2 = 2HI – bimolekuláris reakció. A tömeghatás törvénye különböző molekuláris kémiai reakciókra eltérően van írva.

Monomolekuláris reakciók:

A = B + C,

= kc A,

Ahol k– reakciósebesség állandó.

Bimolekuláris reakciók:

= kc A c BAN BEN.

Trimolekuláris reakciók:

= kc 2 A c BAN BEN.

Aktiválási energia

A kémiai részecskék ütközése csak akkor vezet kémiai kölcsönhatáshoz, ha az ütköző részecskék energiája meghaladja a meghatározott értéket. Tekintsük az A 2 és B 2 molekulákból álló gáznemű anyagok kölcsönhatását:

A 2 + B 2 = 2AB.

A kémiai reakció során az atomok átrendeződése következik be, ami a kiindulási anyagokban a kémiai kötések felszakadásával és a reakciótermékekben kötések kialakulásával jár. A reagáló molekulák ütközésekor egy ún aktivált komplex, amelyben az elektronsűrűség újraeloszlik, és csak ezután keletkezik a reakció végterméke:

Az anyagok aktivált komplex állapotba való átmenetéhez szükséges energiát ún aktiválási energia.

A vegyszerek aktivitása az őket érintő reakciók alacsony aktiválási energiájában nyilvánul meg. Minél alacsonyabb az aktiválási energia, annál nagyobb a reakciósebesség. Például a kationok és anionok közötti reakciókban az aktiválási energia nagyon kicsi, így az ilyen reakciók szinte azonnal bekövetkeznek. Ha az aktiválási energia magas, akkor az ütközések nagyon kis része új anyagok képződéséhez vezet. Így a hidrogén és az oxigén reakciósebessége szobahőmérsékleten gyakorlatilag nulla.

Tehát a reakciósebességet befolyásolja a reagensek természete. Tekintsük például a fémek savakkal való reakcióit. Ha azonos réz-, cink-, magnézium- és vasdarabokat csepegtet a kémcsövekbe hígított kénsavval, akkor láthatja, hogy a reakció sebességét jellemző hidrogéngázbuborékok felszabadulásának intenzitása ezeknél a fémeknél jelentősen eltér. A magnéziumot tartalmazó kémcsőben a hidrogén gyors fejlődése figyelhető meg, a cinkkel ellátott kémcsőben a gázbuborékok valamivel nyugodtabban szabadulnak fel. A reakció még lassabban megy végbe vasas kémcsőben (ábra). A réz egyáltalán nem lép reakcióba hígított kénsavval. Így a reakció sebessége a fém aktivitásától függ.

A kénsavat (erős sav) ecetsavval (gyenge sav) helyettesítve a reakciósebesség minden esetben jelentősen lelassul. Megállapíthatjuk, hogy a fém savval való reakciójának sebességét mindkét reagens - mind a fém, mind a sav - természete befolyásolja.

promóció hőfok a kémiai részecskék kinetikus energiájának növekedéséhez vezet, azaz. növeli az aktiválási energiánál nagyobb energiájú részecskék számát. A hőmérséklet emelkedésével a részecskék ütközésének száma is nő, ami bizonyos mértékig növeli a reakciósebességet. Az ütközések hatékonyságának növelése a mozgási energia növelésével azonban nagyobb hatással van a reakciósebességre, mint az ütközések számának növelése.

Ha a hőmérséklet tíz fokkal növekszik, a sebesség a sebesség hőmérsékleti együtthatójával megegyező számú alkalommal növekszik:

= T+10 /T .

Amikor a hőmérséklet emelkedik től T előtt T"
reakciósebesség aránya T"És T egyenlő
hőmérsékleti sebességi együttható a teljesítményhez ( T" – T)/10:

T" /T = (T"–T)/10.

Sok homogén reakció esetén a sebességi együttható 24 (van't Hoff-szabály). A reakciósebesség hőmérséklettől való függése a réz(II)-oxid és a híg kénsav kölcsönhatásának példáján keresztül figyelhető meg. Szobahőmérsékleten a reakció nagyon lassan megy végbe. Melegítéskor a reakcióelegy gyorsan kék színűvé válik a réz(II)-szulfát képződése miatt:

CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O.

Katalizátorok és inhibitorok

Számos reakció felgyorsítható vagy lelassítható bizonyos anyagok bejuttatásával. A hozzáadott anyagok nem vesznek részt a reakcióban, és nem fogynak el a reakció során, de jelentős hatással vannak a reakció sebességére. Ezek az anyagok megváltoztatják a reakciómechanizmust (beleértve az aktivált komplex összetételét is) és csökkentik az aktiválási energiát, ami felgyorsítja a kémiai reakciókat. A reakciókat felgyorsító anyagokat ún katalizátorok, és a reakció ilyen gyorsulásának maga a jelensége az katalízis.

Sok reakció katalizátor hiányában nagyon lassan vagy egyáltalán nem megy végbe. Az egyik ilyen reakció a hidrogén-peroxid bomlása:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2.

Ha egy darab szilárd mangán-dioxidot vizes hidrogén-peroxid oldattal ellátott edénybe csepegtet, akkor megindul az oxigén gyors felszabadulása. A mangán-dioxid eltávolítása után a reakció gyakorlatilag leáll. Méréssel könnyen ellenőrizhető, hogy a mangán-dioxid nem fogy el ebben a folyamatban – csak katalizálja a reakciót.

Attól függően, hogy a katalizátor és a reagensek azonos vagy eltérő aggregációs állapotban vannak, megkülönböztetünk homogén és heterogén katalízist.

A homogén katalízisben a katalizátor felgyorsíthatja a reakciót azáltal, hogy az egyik eredeti reaktánssal reagálva intermediereket képez. Például:

Heterogén katalízisben a katalizátor felületén általában kémiai reakció megy végbe:

A katalizátorok széles körben elterjedtek a természetben. Az élő szervezetekben lévő anyagok szinte minden átalakulása szerves katalizátorok - enzimek - részvételével történik.

A katalizátorokat a vegyi termelésben bizonyos folyamatok felgyorsítására használják. Rajtuk kívül olyan anyagokat is használnak, amelyek lassítják a kémiai reakciókat - inhibitorok. Az inhibitorok segítségével különösen a fémeket védik a korróziótól.

A kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezők

Sebesség növelése	Csökkentsd a sebességet
Kémiailag aktív reagensek jelenléte	Kémiailag inaktív reagensek jelenléte
A reagensek koncentrációjának növelése	A reagensek koncentrációjának csökkentése
A szilárd és folyékony reagensek felületének növelése	A szilárd és folyékony reagensek felületének csökkentése
Hőmérséklet emelkedés	Hőmérséklet csökkenés
Katalizátor jelenléte	Inhibitor jelenléte

FELADATOK

1. Határozza meg a kémiai reakció sebességét! Írjon egy kifejezést a tömeghatás kinetikai törvényére a következő reakciókra:

a) 2C (szol) + O 2 (g) = 2CO (g);

b) 2НI (g.) = H 2 (g.) + I 2 (g.).

2. Mi határozza meg a kémiai reakció sebességét? Adjon matematikai kifejezést a kémiai reakció sebességének a hőmérséklettől való függésére!

3. Jelezze, hogyan befolyásolja a reakciósebességet (állandó térfogat mellett):

a) a reagensek koncentrációjának növelése;

b) a szilárd reagenst őröljük;
c) a hőmérséklet csökkenése;
d) katalizátor bevezetése;
e) a reagensek koncentrációjának csökkentése;
f) hőmérséklet-emelkedés;
g) inhibitor bevezetése;
h) a termékek koncentrációjának csökkentése.

4. Számítsa ki a kémiai reakció sebességét!

CO (g) + H 2O (g) = CO 2 (g) + H2 (g)

1 literes űrtartalmú edényben, ha 1 perc elteltével 30 másodperccel az indítás után 0,32 mol, 2 perc 10 másodperc múlva pedig 0,44 mol lett. Hogyan befolyásolja a CO-koncentráció növelése a reakciósebességet?

5. Az egyik reakció eredményeként meghatározott idő alatt 6,4 g hidrogén-jodid, egy másik reakcióban azonos körülmények között 6,4 g kén-dioxid keletkezett. Hasonlítsa össze ezeknek a reakcióknak a sebességét. Hogyan változik ezeknek a reakcióknak a sebessége a hőmérséklet emelkedésével?

6. Határozza meg a reakciósebességet

CO (g) + Cl 2 (g) = COCl 2 (g),

ha 20 másodperccel a reakció megindulása után a szén-monoxid kezdeti mennyisége 6 mol-ról háromszorosára csökkent (a reaktor térfogata 100 l). Hogyan változik a reakció sebessége, ha a klór helyett a kevésbé aktív brómot használjuk? Hogyan változik a reakciósebesség beadáskor?
a) katalizátor; b) inhibitor?

7. Milyen esetben a reakció

CaO (tv.) + CO 2 (g.) = CaCO 3 (tv.)

gyorsabban folyik: nagy darabok vagy kalcium-oxid por használatakor? Kiszámítja:
a) anyag mennyisége; b) a 10 s alatt képződött kalcium-karbonát tömege, ha a reakciósebesség 0,1 mol/(l s), a reaktor térfogata 1 l.

8. A magnéziumminta kölcsönhatása sósav-hidrogén-kloriddal lehetővé teszi, hogy 0,02 mol magnézium-kloridot kapjunk 30 másodperccel a reakció megkezdése után. Határozza meg, mennyi ideig tart 0,06 mol magnézium-klorid előállítása.

E) 70 °C-ról 40 °C-ra a reakciósebesség 8-szorosára csökkent;
g) 60 °C-ról 40 °C-ra a reakciósebesség 6,25-szörösére csökkent;
h) 40 °C-ról 10 °C-ra a reakciósebesség 27-szeresére csökkent.

11. Az autó tulajdonosa lefestette új festékkel, majd felfedezte, hogy az utasítások szerint 3 órán keresztül száradnia kell 105 ° C-on. Mennyi ideig tart a festék megszáradása 25 °C-on, ha a folyamat alapjául szolgáló polimerizációs reakció hőmérsékleti együtthatója: a) 2; b) 3; 4-kor?

VÁLASZOK FELADATOKRA

1. a) = kc(02); b) = kc(HI)2.

2. T+10 = T .

3. A reakciósebesség a, b, d, f esetekben növekszik; csökken – c, d, g; nem változik - h.

4. 0,003 mol/(l s). A CO-koncentráció növekedésével a reakció sebessége nő.

5. Az első reakció sebessége 2-szer kisebb.

6. 0,002 mol/(l s).

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

9. A d, g, h reakciók sebessége 2-szeresére nő; 4-szer – a, b, f; 8-szor - c, d.

10. Hőmérséklet együttható:

2 a b, e reakciókra; = 2,5 – c, g; = 3 – d, h; = 3,5 – a, g.

a) 768 óra (32 nap, azaz több mint 1 hónap);
b) 19 683 óra (820 nap, azaz több mint 2 év);
c) 196 608 óra (8192 nap, azaz 22 év).

A kémiai reakció az egyik anyag átalakulása egy másikká.

Bármilyen típusú kémiai reakciókról is legyen szó, különböző sebességgel mennek végbe. Például a Föld beleiben a geokémiai átalakulások (kristályos hidrátok képződése, sók hidrolízise, ​​ásványi anyagok szintézise vagy lebomlása) több ezer, millió éven keresztül mennek végbe. És az olyan reakciók, mint a puskapor, a hidrogén, a salétrom és a berthollet-só égése, a másodpercek töredékein belül lezajlik.

A kémiai reakció sebessége a reaktánsok (vagy reakciótermékek) egységnyi idő alatti mennyiségének változását jelenti. A leggyakrabban használt fogalom átlagos reakciósebesség (Δc p) az időintervallumban.

v av = ± ∆C/∆t

Termékeknél ∆С > 0, kiindulási anyagoknál -∆С< 0. Наиболее употребляемая единица измерения - моль на литр в секунду (моль/л*с).

Az egyes kémiai reakciók sebessége számos tényezőtől függ: a reagáló anyagok természetétől, a reagáló anyagok koncentrációjától, a reakció hőmérsékletének változásától, a reagáló anyagok őrlésének mértékétől, nyomásváltozásoktól, katalizátor bevezetésétől. a reakcióközegbe.

A reagensek természete jelentősen befolyásolja a kémiai reakció sebességét. Példaként vegyük figyelembe néhány fém kölcsönhatását egy állandó komponenssel - vízzel. Határozzuk meg a fémeket: Na, Ca, Al, Au. A nátrium normál hőmérsékleten nagyon hevesen reagál vízzel, és nagy mennyiségű hőt szabadít fel.

2Na + 2H 2O = 2NaOH + H2 + Q;

A kalcium normál hőmérsékleten kevésbé hevesen reagál vízzel:

Ca + 2H 2O = Ca(OH)2 + H2 + Q;

Az alumínium már magas hőmérsékleten reagál a vízzel:

2AI + 6H 2O = 2Al(OH)z + ZH2-Q;

Az arany pedig az inaktív fémek közé tartozik; sem normál, sem magasabb hőmérsékleten nem lép reakcióba vízzel.

A kémiai reakció sebessége közvetlenül függ attól a reagensek koncentrációja . Tehát a reakcióhoz:

C 2H 4 + 3O 2 = 2CO 2 + 2H 2O;

A reakciósebesség kifejezése a következő:

v = k**[O2]3;

ahol k egy kémiai reakció sebességi állandója, számszerűen megegyezik a reakció sebességével, feltéve, hogy a reagáló komponensek koncentrációja 1 g/mol; a [C 2 H 4 ] és [O 2 ] 3 értékei megfelelnek a reagáló anyagok sztöchiometrikus együtthatójuk erejéig emelt koncentrációknak. Minél nagyobb a [C 2 H 4 ] vagy [O 2 ] koncentrációja, annál több ezeknek az anyagoknak a molekulái ütköznek egységnyi idő alatt, és ezért annál nagyobb a kémiai reakció sebessége.

A kémiai reakciók sebessége általában szintén közvetlenül függ a reakció hőmérsékletén . Természetes, hogy a hőmérséklet emelkedésével a molekulák kinetikus energiája növekszik, ami egységnyi idő alatt nagyobb molekulaütközéshez is vezet. Számos kísérlet kimutatta, hogy minden 10 fokos hőmérséklet-változásnál a reakciósebesség 2-4-szeresére változik (nem Hoff szabály):

ahol V T 2 a kémiai reakció sebessége T 2 -nél; V ti a kémiai reakció sebessége T 1 -nél; g a reakciósebesség hőmérsékleti együtthatója.

Befolyás anyagok őrlési foka a reakció sebessége is közvetlenül függ. Minél finomabbak a reagáló anyagok részecskéi, egységnyi idő alatt annál többször érintkeznek egymással, és annál nagyobb a kémiai reakció sebessége. Ezért a gáznemű anyagok vagy oldatok közötti reakciók általában gyorsabban mennek végbe, mint szilárd állapotban.

A nyomásváltozások befolyásolják a gáz halmazállapotú anyagok közötti reakció sebességét. Zárt térfogatban, állandó hőmérsékleten a reakció V 1 sebességgel megy végbe. Ha ebben a rendszerben növeljük a nyomást (ezért csökkentjük a térfogatot), akkor a reagáló anyagok koncentrációja nő, molekuláik ütköznek. időegységenkénti időnként növekedni fog, a reakciósebesség V 2 -re nő (v 2 > v 1).

Katalizátorok Olyan anyagok, amelyek megváltoztatják a kémiai reakció sebességét, de a kémiai reakció befejeződése után változatlanok maradnak. A katalizátorok reakciósebességre gyakorolt ​​hatását katalízisnek nevezzük.A katalizátorok egy kémiai dinamikus folyamatot felgyorsíthatnak és le is lassíthatnak. Ha a kölcsönhatásban lévő anyagok és a katalizátor azonos aggregációs állapotban vannak, akkor homogén katalízisről beszélünk, heterogén katalízisnél pedig a reaktánsok és a katalizátor különböző aggregációs állapotúak. A katalizátor és a reagensek közbenső komplexet képeznek. Például egy reakcióhoz:

A katalizátor (K) komplexet képez A-val vagy B-vel - AK, VK, amely K-t szabadít fel egy szabad A vagy B részecskével való kölcsönhatás során:

AK + B = AB + K

VK + A = VA + K;

weboldalon, az anyag teljes vagy részleges másolásakor a forrásra mutató hivatkozás szükséges.

Sebességreakció az egyik reaktáns moláris koncentrációjának változása határozza meg:

V = ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DC / Dt)

Ahol C 1 és C 2 az anyagok moláris koncentrációja t 1 és t 2 időpontokban (jel (+) - ha a sebességet a reakciótermék határozza meg, előjel (-) - a kiindulási anyag).

Reakciók akkor jönnek létre, amikor a reagáló anyagok molekulái ütköznek. A sebességét az ütközések száma és annak valószínűsége határozza meg, hogy azok átalakuláshoz vezetnek. Az ütközések számát a reagáló anyagok koncentrációja, a reakció valószínűségét pedig az ütköző molekulák energiája határozza meg.
A kémiai reakciók sebességét befolyásoló tényezők.
1. A reagáló anyagok természete. Fontos szerepet játszik a kémiai kötések természete és a reagens molekulák szerkezete. A reakciók a kevésbé erős kötések megsemmisülése és az erősebb kötésű anyagok képződése irányába haladnak. Így a H 2 és N 2 molekulákban lévő kötések felszakítása nagy energiákat igényel; az ilyen molekulák enyhén reaktívak. Az erősen poláris molekulákban (HCl, H 2 O) lévő kötések feltörése kevesebb energiát igényel, és a reakciósebesség is sokkal nagyobb. Az elektrolit oldatokban az ionok közötti reakciók szinte azonnal fellépnek.
Példák
A fluor szobahőmérsékleten robbanásszerűen reagál a hidrogénnel; a bróm lassan reagál a hidrogénnel melegítéskor.
A kalcium-oxid heves reakcióba lép a vízzel, hő szabadul fel; réz-oxid - nem reagál.

2. Koncentráció. A koncentráció növekedésével (a részecskék száma egységnyi térfogatban) gyakrabban fordulnak elő a reagáló anyagok molekuláinak ütközései - a reakció sebessége nő.
A tömegtevékenység törvénye (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
A kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reaktánsok koncentrációjának szorzatával.

AA+bB+. . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

A k reakciósebesség-állandó a reagensek természetétől, a hőmérséklettől és a katalizátortól függ, de nem függ a reagensek koncentrációjától.
A sebességi állandó fizikai jelentése az, hogy egyenlő a reakciósebességgel a reagensek egységkoncentrációinál.
Heterogén reakciók esetén a szilárd fázis koncentrációja nem számít bele a reakciósebesség kifejezésébe.

3. Hőmérséklet. Minden 10°C-os hőmérséklet-emelkedésnél a reakciósebesség 2-4-szeresére nő (Hoff szabálya). Ahogy a hőmérséklet t 1 -ről t 2 -re emelkedik, a reakciósebesség változása a következő képlettel számítható ki:

		(t 2 - t 1) / 10
Vt 2 / Vt 1	= g

(ahol Vt 2 és Vt 1 a reakciósebesség t 2 és t 1 hőmérsékleten; g a reakció hőmérsékleti együtthatója).
A Van't Hoff-szabály csak szűk hőmérséklet-tartományban alkalmazható. Pontosabb az Arrhenius-egyenlet:

• e -Ea/RT

Ahol
A a reaktánsok természetétől függő állandó;
R az univerzális gázállandó;

Ea az aktiválási energia, azaz. az az energia, amellyel az ütköző molekuláknak rendelkezniük kell ahhoz, hogy az ütközés kémiai átalakuláshoz vezessen.
Kémiai reakció energiadiagramja.

Exoterm reakció	Endoterm reakció

A - reagensek, B - aktivált komplex (átmeneti állapot), C - termékek.
Minél nagyobb az Ea aktiválási energia, annál inkább növekszik a reakciósebesség a hőmérséklet emelkedésével.

4. A reagáló anyagok érintkezési felülete. Heterogén rendszerek esetén (ha az anyagok különböző aggregációs állapotúak) minél nagyobb az érintkezési felület, annál gyorsabban megy végbe a reakció. A szilárd anyagok felülete őrléssel, oldható anyagoknál pedig feloldással növelhető.

5. Katalízis. Azokat az anyagokat, amelyek részt vesznek a reakciókban és növelik annak sebességét, és a reakció végén változatlanok maradnak, katalizátoroknak nevezzük. A katalizátorok hatásmechanizmusa a reakció aktiválási energiájának csökkenésével függ össze a közbenső vegyületek képződése miatt. Nál nél homogén katalízis a reagensek és a katalizátor egy fázist alkotnak (azonos aggregációs állapotban vannak), a heterogén katalízis- különböző fázisok (különböző halmozódási állapotban vannak). Egyes esetekben a nemkívánatos kémiai folyamatok előfordulása jelentősen lelassítható, ha a reakcióközeghez gátlószert adnak (a "jelenség" negatív katalízis").

A kémiai átalakulások mechanizmusait és azok sebességét a kémiai kinetika tanulmányozza. A kémiai folyamatok idővel különböző sebességgel mennek végbe. Egyesek gyorsan, szinte azonnal megtörténnek, míg mások nagyon sokáig tartanak.

Sebességreakció- térfogategységenként a reagensek elfogyasztásának (koncentrációjuk csökkenésének) vagy reakciótermékek keletkezésének sebessége.

A kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezők

A következő tényezők befolyásolhatják, hogy a kémiai reakció milyen gyorsan megy végbe:

• anyagok koncentrációja;
• a reagensek jellege;
• hőfok;
• katalizátor jelenléte;
• nyomás (gáz környezetben zajló reakciókhoz).

Így a kémiai folyamat bizonyos feltételeinek megváltoztatásával befolyásolhatja, hogy a folyamat milyen gyorsan haladjon előre.

A kémiai kölcsönhatás során a reagáló anyagok részecskéi ütköznek egymással. Az ilyen egyezések száma arányos a reagáló keverék térfogatában lévő anyagrészecskék számával, ezért arányos a reagensek moláris koncentrációjával.

A tömeg cselekvés törvénye leírja a reakciósebesség függését a kölcsönhatásba lépő anyagok moláris koncentrációitól.

Egy elemi reakciónál (A + B → ...) ezt a törvényt a következő képlet fejezi ki:

υ = k ∙С A ∙С B,

ahol k a sebességi állandó; CA és C B az A és B reagensek moláris koncentrációi.

Ha az egyik reagáló anyag szilárd halmazállapotú, akkor a kölcsönhatás a határfelületen jön létre, ezért a szilárd anyag koncentrációja nem szerepel a tömeghatás kinetikai törvényének egyenletében. A sebességi állandó fizikai jelentésének megértéséhez C-t, A-t és C B-t 1-gyel kell felvenni. Ekkor világossá válik, hogy a sebességi állandó egyenlő a reakciósebességgel az egységnyi reagenskoncentrációnál.

A reagensek jellege

Mivel a kölcsönhatás során a reagáló anyagok kémiai kötései megsemmisülnek és a reakciótermékekből új kötések jönnek létre, nagy szerepe lesz a vegyületek reakciójában részt vevő kötések természetének és a reagáló anyagok molekuláinak szerkezetének. .

A reagensek érintkezési felülete

Egy olyan jellemző, mint a szilárd reagensek érintkezési felülete, befolyásolja a reakció lefolyását, néha meglehetősen jelentősen. A szilárd anyag őrlése lehetővé teszi a reagensek érintkezési felületének növelését, és ezáltal felgyorsítja a folyamatot. Az oldható anyagok érintkezési felülete könnyen növelhető az anyag feloldásával.

Reakció hőmérséklet

A hőmérséklet emelkedésével az ütköző részecskék energiája nő, nyilvánvaló, hogy a hőmérséklet emelkedésével maga a kémiai folyamat is felgyorsul. A táblázatban megadott adatok világos példának tekinthetők arra, hogy a hőmérséklet-emelkedés hogyan befolyásolja az anyagok kölcsönhatásának folyamatát.

1. táblázat: A hőmérséklet-változások hatása a vízképződés sebességére (O 2 +2H 2 → 2H 2 O)

Annak kvantitatív leírására, hogy a hőmérséklet hogyan befolyásolhatja az anyagok kölcsönhatásának sebességét, a Van't Hoff-szabályt használjuk. Van't Hoff szabálya szerint ha a hőmérséklet 10 fokkal emelkedik, akkor 2-4-szeres gyorsulás következik be.

A van't Hoff-szabályt leíró matematikai képlet a következő:

Ahol γ a kémiai reakció sebességének hőmérsékleti együtthatója (γ = 2−4).

De az Arrhenius-egyenlet sokkal pontosabban írja le a sebességi állandó hőmérsékletfüggését:

Ahol R az univerzális gázállandó, A a reakció típusa által meghatározott tényező, E, A az aktiválási energia.

Az aktiválási energia az az energia, amelyet a molekulának fel kell szereznie a kémiai átalakuláshoz. Vagyis ez egyfajta energiagát, amelyet a reakciótérfogatban ütköző molekuláknak le kell győzniük a kötések újraelosztásához.

Az aktiválási energia nem külső tényezőktől, hanem az anyag természetétől függ. Az akár 40-50 kJ/mol aktiválási energia értéke lehetővé teszi, hogy az anyagok meglehetősen aktívan reagáljanak egymással. Ha az aktiválási energia meghaladja a 120 kJ/mol értéket, akkor az anyagok (szokásos hőmérsékleten) nagyon lassan reagálnak. A hőmérséklet változása az aktív molekulák számának megváltozásához vezet, vagyis olyan molekulákhoz, amelyek az aktiválási energiánál nagyobb energiát értek el, és ezért képesek kémiai átalakulásra.

Katalizátor hatás

A katalizátor olyan anyag, amely felgyorsíthat egy folyamatot, de nem része a termékeinek. A katalízist (egy kémiai átalakulás felgyorsítása) homogénre és heterogénre osztják. Ha a reagensek és a katalizátor azonos aggregációs állapotban vannak, akkor a katalízist homogénnek nevezzük, ha eltérő állapotban van, akkor heterogénnek. A katalizátorok hatásmechanizmusa változatos és meglehetősen összetett. Ezenkívül érdemes megjegyezni, hogy a katalizátorokat a hatás szelektivitása jellemzi. Ez azt jelenti, hogy ugyanaz a katalizátor, miközben felgyorsítja az egyik reakciót, nem változtatja meg a másik sebességét.

Nyomás

Ha az átalakulásban gáznemű anyagok vesznek részt, akkor a folyamat sebességét a rendszer nyomásváltozásai befolyásolják. . Ez azért történik, mert hogy a gáznemű reagenseknél a nyomásváltozás koncentrációváltozáshoz vezet.

Kémiai reakció sebességének kísérleti meghatározása

A kémiai átalakulás sebessége kísérletileg meghatározható, ha adatokat nyerünk arról, hogy a reakcióba belépő anyagok vagy termékek koncentrációja hogyan változik egységnyi idő alatt. Az ilyen adatok megszerzésének módszerei a következőkre oszlanak

• kémiai,
• fizikai-kémiai.

A kémiai módszerek meglehetősen egyszerűek, hozzáférhetőek és pontosak. Segítségükkel a sebességet a reaktánsok vagy termékek anyagkoncentrációjának vagy mennyiségének közvetlen mérésével határozzák meg. Lassú reakció esetén mintákat vesznek a reagens felhasználásának nyomon követésére. Ezután meghatározzuk a mintában lévő reagens tartalmát. Rendszeres időközönkénti mintavétellel adatokat lehet nyerni a kölcsönhatási folyamat során az anyag mennyiségének változásairól. A leggyakrabban használt elemzési típusok a titrimetria és a gravimetria.

Ha a reakció gyorsan lezajlik, akkor a mintavételhez le kell állítani. Ezt hűtéssel lehet megtenni, a katalizátor hirtelen eltávolítása, az egyik reagens hígítása vagy nem reaktív állapotba helyezése is lehetséges.

A modern kísérleti kinetika fizikai-kémiai elemzési módszereit gyakrabban használják, mint a kémiai módszereket. Segítségükkel valós időben figyelheti meg az anyagok koncentrációjának változásait. Ebben az esetben nincs szükség a reakció leállítására és mintavételre.

A fizikai-kémiai módszerek egy olyan fizikai tulajdonság mérésén alapulnak, amely egy bizonyos vegyület mennyiségi mennyiségétől függ a rendszerben, és idővel változik. Például, ha gázok vesznek részt egy reakcióban, akkor a nyomás lehet ilyen tulajdonság. Mérik az anyagok elektromos vezetőképességét, törésmutatóját és abszorpciós spektrumát is.

A kémiai reakció sebessége

A kémiai reakció sebessége- az egyik reagáló anyag mennyiségének változása egységnyi idő alatt egységnyi reakciótérben. A kémiai kinetika kulcsfogalma. A kémiai reakció sebessége mindig pozitív érték, ezért ha azt a kiindulási anyag határozza meg (amelynek koncentrációja a reakció során csökken), akkor a kapott értéket megszorozzuk -1-gyel.

Például a reakcióhoz:

a sebesség kifejezése így fog kinézni:

. A kémiai reakció sebessége bármely adott időpontban arányos a reagensek sztöchiometrikus együtthatóival egyenlő teljesítményre emelt koncentrációjával.

Az elemi reakciók esetében az egyes anyagok koncentrációjának kitevője gyakran megegyezik a sztöchiometrikus együtthatójával, összetett reakciók esetén ezt a szabályt nem tartják be. A koncentráció mellett a következő tényezők befolyásolják a kémiai reakció sebességét:

• a reagensek természete,
• katalizátor jelenléte,
• hőmérséklet (van't Hoff-szabály),
• nyomás,
• a reagáló anyagok felülete.

Ha figyelembe vesszük a legegyszerűbb kémiai reakciót A + B → C, akkor azt fogjuk észrevenni azonnali A kémiai reakció sebessége nem állandó.

Irodalom

• Kubasov A. A. Kémiai kinetika és katalízis.
• Prigogine I., Defey R. Kémiai termodinamika. Novoszibirszk: Nauka, 1966. 510 p.
• Yablonsky G.S., Bykov V.I., Gorban A.N., katalitikus reakciók kinetikai modelljei, Novoszibirszk: Nauka (Sib. Department), 1983. - 255 p.

Wikimédia Alapítvány. 2010.

• Az angol walesi dialektusai
• Fűrész (filmsorozat)

Nézze meg, mi a „kémiai reakció sebessége” más szótárakban:

A KÉMIAI REAKCIÓ SEBESSÉGE- a kémiai kinetika alapfogalma. Egyszerű homogén reakcióknál a kémiai reakció sebességét a reagált anyag mólszámának változásával (a rendszer állandó térfogata mellett) vagy bármely kiindulási anyag koncentrációjának változásával mérjük... Nagy enciklopédikus szótár

A KÉMIAI REAKCIÓ SEBESSÉGE- a kémia alapfogalma. kinetika, amely a reagált anyag mennyiségének (mólokban) és a kölcsönhatás létrejöttének időtartamának arányát fejezi ki. Mivel a reagensek koncentrációja a kölcsönhatás során változik, a sebesség általában ... Nagy Politechnikai Enciklopédia

kémiai reakció sebessége- a kémiai reakció intenzitását jellemző mennyiség. A reakciótermék képződésének sebessége ennek a terméknek a reakció eredményeként keletkező mennyisége egységnyi idő/térfogat (ha a reakció homogén) vagy... ...

kémiai reakció sebessége- a kémiai kinetika alapfogalma. Egyszerű homogén reakcióknál a kémiai reakció sebességét a reagált anyag mólszámának változásával (a rendszer állandó térfogata mellett) vagy bármely kiindulási anyag koncentrációjának változásával mérjük... enciklopédikus szótár

A kémiai reakció sebessége- a kémiai reakció intenzitását jellemző mennyiség (lásd: Kémiai reakciók). A reakciótermék képződésének sebessége ennek a terméknek a reakcióból eredő mennyisége egységnyi idő és térfogategység alatt (ha... ...

A KÉMIAI REAKCIÓ SEBESSÉGE- alap kémia fogalma kinetika. Az S. x egyszerű homogén reakcióihoz. R. a va-ban reagált mólszám változásával (a rendszer állandó térfogatával) vagy bármely kezdeti va vagy reakciótermék koncentrációjának változásával mérve (ha a rendszer térfogata ...

A KÉMIAI REAKCIÓ MECHANIZMUSA- Többből álló összetett reakciókhoz. szakaszok (egyszerű vagy elemi reakciók), a mechanizmus olyan szakaszok összessége, amelyek eredményeként a kiindulási anyagok termékekké alakulnak. A molekulák intermedierként működhetnek ezekben a reakciókban... Természettudomány. enciklopédikus szótár

Nukleofil szubsztitúciós reakciók- (angol. nukleofil szubsztitúciós reakció) szubsztitúciós reakciók, amelyekben a támadást magányos elektronpárt hordozó nukleofil reagens hajtja végre. A nukleofil szubsztitúciós reakciókban a kilépő csoportot nukleofúgnak nevezzük. Minden... Wikipédia

Kémiai reakciók- egyes anyagok átalakulása más anyagokká, amelyek kémiai összetételében vagy szerkezetében különböznek az eredeti anyagoktól. Az egyes elemek atomjainak teljes száma, valamint maguk az anyagokat alkotó kémiai elemek R. x-ben maradnak. változatlan; ez az R. x... Nagy Szovjet Enciklopédia

rajzolási sebesség- a fém mozgásának lineáris sebessége a szerszámból való kilépésnél, m/s. A modern húzógépeken a húzási sebesség eléri az 50-80 m/s-ot. A sebesség azonban még huzalhúzáskor sem haladja meg a 30-40 m/s-ot. Nál nél… … Enciklopédiai Kohászati ​​Szótár