Szybkość reakcji chemicznej

Temat „Szybkość reakcji chemicznej” jest prawdopodobnie najbardziej złożonym i kontrowersyjnym tematem w szkolnym programie nauczania. Wynika to ze złożoności samej kinetyki chemicznej, jednej z gałęzi chemii fizycznej. Już sama definicja pojęcia „szybkość reakcji chemicznej” jest już niejednoznaczna (patrz np. artykuł L.S. Guzeya w gazecie „Khimiya”, 2001, nr 28,
Z. 12). Jeszcze więcej problemów pojawia się przy próbie zastosowania prawa działania mas do szybkości reakcji do dowolnych układów chemicznych, gdyż zakres obiektów, dla których możliwy jest ilościowy opis procesów kinetycznych w ramach szkolnego programu nauczania, jest bardzo wąski. Chciałbym szczególnie zwrócić uwagę na niepoprawność stosowania prawa działania masy do określenia szybkości reakcji chemicznej w równowadze chemicznej.
Jednocześnie błędem byłoby całkowicie odmawiać rozważenia tego tematu w szkole. Pomysły na temat szybkości reakcji chemicznej są bardzo ważne przy badaniu wielu procesów naturalnych i technologicznych, bez nich nie da się mówić o katalizie i katalizatorach, w tym o enzymach. Choć przy omawianiu przemian substancji wykorzystuje się głównie jakościowe wyobrażenia o szybkości reakcji chemicznej, to jednak nadal pożądane jest wprowadzenie najprostszych zależności ilościowych, szczególnie w przypadku reakcji elementarnych.
W opublikowanym artykule szczegółowo omówiono zagadnienia kinetyki chemicznej, które można omawiać na szkolnych lekcjach chemii. Wyłączenie kontrowersyjnych i kontrowersyjnych aspektów tej tematyki ze szkolnego kursu chemii jest szczególnie ważne dla tych uczniów, którzy zamierzają kontynuować naukę chemii na uniwersytecie. Przecież wiedza zdobyta w szkole często koliduje z rzeczywistością naukową.

Reakcje chemiczne mogą znacznie różnić się czasem trwania. Mieszanina wodoru i tlenu w temperaturze pokojowej może pozostać praktycznie niezmieniona przez długi czas, ale w przypadku uderzenia lub zapalenia nastąpi eksplozja. Żelazna płyta powoli rdzewieje, a kawałek białego fosforu samorzutnie zapala się w powietrzu. Ważne jest, aby wiedzieć, jak szybko pojawia się dana reakcja, aby móc kontrolować jej przebieg.

Podstawowe koncepcje

Ilościową cechą szybkości przebiegu danej reakcji 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 omawiana, ponieważ wszystkie są ze sobą powiązane równaniem reakcji. Zmieniając ilość jednej z substancji, można ocenić odpowiadające zmiany ilości wszystkich pozostałych.

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

= /(V ).

Szybkość reakcji w tym przypadku wyraża się zwykle w mol/(l s).

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

2SO2 + O2 = 2SO3,

BaCl2 + H2SO4 = BaSO4 + 2HCl.

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

Fe + 2HCl = 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 mol/(m 2 s).

Aby kontrolować reakcje chemiczne, ważna jest nie tylko możliwość określenia ich szybkości, ale także dowiedzenie się, jakie warunki na nie wpływają. Dział chemii zajmujący się badaniem szybkości reakcji chemicznych i wpływem na nie różnych czynników nazywa się Kinetyka chemiczna.

Częstotliwość zderzeń reagujących cząstek

Najważniejszym czynnikiem determinującym szybkość reakcji chemicznej jest stężenie.

Wraz ze wzrostem stężenia reagentów szybkość reakcji zwykle wzrasta. Aby zaszła reakcja, dwie cząstki chemiczne muszą się połączyć, 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 większej liczby reagentów zwiększy szybkość reakcji. Gdy stężenie maleje, obserwuje się efekt odwrotny. Stężenie substancji w roztworze można zmieniać dodając lub usuwając reagenty lub rozpuszczalnik ze sfery reakcyjnej. W gazach stężenie jednej z substancji można zwiększyć wprowadzając do mieszaniny reakcyjnej dodatkowe ilości tej substancji. Stężenia wszystkich substancji gazowych można zwiększyć jednocześnie zmniejszając objętość zajmowaną przez mieszaninę. Jednocześnie wzrośnie szybkość reakcji. Zwiększanie głośności prowadzi do odwrotnego rezultatu.

Szybkość reakcji heterogenicznych zależy od powierzchnia kontaktu między substancjami, tj. od stopnia rozdrobnienia substancji, kompletności wymieszania odczynników, a także od stanu struktur krystalicznych ciał stałych. Wszelkie zaburzenia w strukturze kryształu powodują wzrost reaktywności ciał stałych, ponieważ do zniszczenia mocnej struktury krystalicznej wymagana jest dodatkowa energia.

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

Aby zaszła reakcja chemiczna, cząstki – atomy, cząsteczki lub jony – muszą się zderzyć. W wyniku zderzeń atomy przestawiają się i powstają nowe wiązania chemiczne, co prowadzi do powstania nowych substancji. Prawdopodobieństwo zderzenia dwóch cząstek jest dość wysokie, prawdopodobieństwo jednoczesnego zderzenia trzech cząstek jest znacznie mniejsze. Jest bardzo mało prawdopodobne, aby cztery cząstki zderzyły się w tym samym czasie. Dlatego większość reakcji zachodzi w kilku etapach, z których każdy oddziałuje nie więcej niż trzy cząstki.

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

4НВr + O 2 = 2Н 2 О + 2Вr 2 .

Zgodnie z równaniem reakcji pięć cząsteczek musi zderzyć się jednocześnie. Prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest jednak praktycznie zerowe. Co więcej, badania eksperymentalne wykazały, że zwiększenie stężenia – tlenu lub bromowodoru – zwiększa szybkość reakcji o tę samą liczbę razy. I to pomimo faktu, że na każdą cząsteczkę tlenu zużywane są cztery cząsteczki bromowodoru.

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

1) HBr + O 2 = HOOBr (powolna reakcja);

2) HOOBr + HBr = 2HOVr (szybka reakcja);

3) HOWr + HBr = H 2 O + Br 2 (szybka reakcja).

Powyższe reakcje, tzw reakcje elementarne, odbijać mechanizm reakcji utlenianie bromowodoru tlenem. Należy zauważyć, że w każdej z reakcji pośrednich biorą udział tylko dwie cząsteczki. Dodanie dwóch pierwszych równań i dwukrotności trzeciego równania daje ogólne równanie reakcji. O całkowitej szybkości reakcji decyduje najwolniejsza reakcja pośrednia, 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 przyjmowane w mocach równych ich współczynnikom stechiometrycznym ( prawo akcji masowej dla szybkości reakcji chemicznej). Dotyczy to tylko równań reakcji odzwierciedlających mechanizmy rzeczywistych procesów chemicznych, gdy współczynniki stechiometryczne przed wzorami odczynników odpowiadają liczbie oddziałujących cząstek.

W zależności od liczby cząsteczek wchodzących w interakcję reakcje dzieli się na jednocząsteczkowe, dwucząsteczkowe i trójcząsteczkowe. Na przykład dysocjacja jodu cząsteczkowego na atomy: I 2 = 2I jest reakcją monocząsteczkową.

Oddziaływanie jodu z wodorem: I 2 + H 2 = 2HI – reakcja dwucząsteczkowa. Prawo działania mas dla reakcji chemicznych o różnych cząsteczkach jest napisane inaczej.

Reakcje monocząsteczkowe:

A = B + C,

= kc A,

Gdzie k– stała szybkości reakcji.

Reakcje dwucząsteczkowe:

= kc A C W.

Reakcje trójcząsteczkowe:

= kc 2 A C W.

Energia aktywacji

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

ZA 2 + B 2 = 2AB.

Podczas reakcji chemicznej następuje przegrupowanie atomów, któremu towarzyszy rozerwanie wiązań chemicznych w substancjach wyjściowych i utworzenie wiązań w produktach reakcji. Podczas reakcji cząsteczki zderzają się, tzw aktywowany kompleks, w którym następuje redystrybucja gęstości elektronów i dopiero wówczas otrzymuje się końcowy produkt reakcji:

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

Aktywność substancji chemicznych objawia się niską energią aktywacji reakcji z nimi związanych. Im niższa energia aktywacji, tym większa szybkość reakcji. Na przykład w reakcjach pomiędzy kationami i anionami energia aktywacji jest bardzo mała, więc takie reakcje zachodzą niemal natychmiast. Jeżeli energia aktywacji jest wysoka, wówczas bardzo mała część zderzeń prowadzi do powstania nowych substancji. Zatem szybkość reakcji wodoru z tlenem w temperaturze pokojowej wynosi praktycznie zero.

Zatem na szybkość reakcji wpływa natura reagentów. Rozważmy jako przykład reakcje metali z kwasami. Jeśli do probówek z rozcieńczonym kwasem siarkowym wrzucisz identyczne kawałki miedzi, cynku, magnezu i żelaza, zobaczysz, że intensywność uwalniania 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. W probówce z żelazem reakcja przebiega jeszcze wolniej (ryc.). Miedź w ogóle nie reaguje z rozcieńczonym kwasem siarkowym. Zatem szybkość reakcji zależy od aktywności metalu.

Po zastąpieniu kwasu siarkowego (mocnego kwasu) kwasem octowym (słabym kwasem) szybkość reakcji we wszystkich przypadkach znacznie spada. Można stwierdzić, że na szybkość reakcji metalu z kwasem wpływa charakter obu odczynników – zarówno metalu, jak i kwasu.

Awans 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 liczbę równą temperaturowemu współczynnikowi prędkości:

= T+10 /T .

Gdy temperatura wzrośnie od T zanim T"
stosunek szybkości reakcji T" I T równa się
współczynnik temperaturowy prędkości do mocy ( T" – T)/10:

T" /T = (T"–T)/10.

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

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

Katalizatory i inhibitory

Wiele reakcji można przyspieszyć lub spowolnić poprzez wprowadzenie pewnych substancji. Dodane substancje nie biorą udziału w reakcji i nie są zużywane w jej trakcie, ale mają istotny wpływ na szybkość reakcji. Substancje te zmieniają mechanizm reakcji (w tym skład aktywowanego kompleksu) i obniżają energię aktywacji, co przyspiesza reakcje chemiczne. Substancje przyspieszające reakcje nazywa się katalizatory, a samo zjawisko takiego przyspieszenia reakcji jest kataliza.

Wiele reakcji bez katalizatora przebiega bardzo wolno lub wcale. Jedną z takich reakcji jest rozkład nadtlenku wodoru:

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

Jeśli wrzucisz 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, a jedynie katalizuje reakcję.

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

W katalizie jednorodnej katalizator może przyspieszyć reakcję, tworząc produkty pośrednie w reakcji z jednym z pierwotnych reagentów. Na przykład:

W katalizie heterogenicznej reakcja chemiczna zwykle zachodzi na powierzchni katalizatora:

Katalizatory są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie. Niemal wszystkie przemiany substancji w organizmach żywych zachodzą przy udziale katalizatorów organicznych – enzymów.

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

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej

Zwiększ prędkość	Zmniejsz prędkość
Obecność odczynników aktywnych chemicznie	Obecność odczynników nieaktywnych chemicznie
Zwiększanie 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 prawo kinetyczne działania mas dla następujących reakcji:

a) 2C (sol) + O2 (g) = 2CO (g);

b) 2НI (g.) = H 2 (g.) + I 2 (g.).

2. Od czego zależy szybkość reakcji chemicznej? Podaj matematyczne wyrażenie zależności 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) spadek temperatury;
d) wprowadzenie katalizatora;
e) zmniejszenie stężenia odczynników;
f) wzrost temperatury;
g) wprowadzenie inhibitora;
h) zmniejszenie stężenia produktów.

4. Oblicz szybkość reakcji chemicznej

CO (np.) + H 2 O (np.) = CO 2 (np.) + H 2 (np.)

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

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

6. Określ szybkość reakcji

CO (np.) + Cl 2 (np.) = COCl 2 (np.),

jeżeli po 20 s od rozpoczęcia reakcji początkowa ilość tlenku węgla zmniejszyła się z 6 moli do 3 razy (objętość reaktora wynosi 100 l). Jak zmieni się szybkość reakcji, jeśli zamiast chloru użyje się mniej aktywnego bromu? Jak zmieni się szybkość reakcji po podaniu?
a) katalizator; b) inhibitor?

7. W jakim przypadku jest reakcja

CaO (tv.) + CO2 (g.) = CaCO3 (tv.)

płynie szybciej: przy użyciu dużych kawałków lub proszku tlenku wapnia? Oblicz:
a) ilość substancji; b) masa węglanu wapnia powstałego w ciągu 10 s, jeśli szybkość reakcji wynosi 0,1 mol/(l s), objętość reaktora wynosi 1 l.

8. Oddziaływanie próbki magnezu z kwasem solnym HCl pozwala na otrzymanie 0,02 mola chlorku magnezu po 30 s od rozpoczęcia reakcji. Oblicz, ile czasu potrzeba na otrzymanie 0,06 mola chlorku magnezu.

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

11. Właściciel auta pomalował go nową farbą, po czym odkrył, że zgodnie z instrukcją powinien schnąć 3 godziny w temperaturze 105°C. Ile czasu zajmie wyschnięcie farby 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(O2); b) = kc(HI)2.

2. T+10 = T .

3. Szybkość reakcji wzrasta w przypadkach a, b, d, f; maleje – c, d, g; nie zmienia się – godz.

4. 0,003 mol/(l s). Wraz ze wzrostem stężenia CO wzrasta szybkość reakcji.

5. Szybkość pierwszej reakcji jest 2 razy mniejsza.

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

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

9. Szybkość reakcji d, g, h wzrośnie 2 razy; 4 razy – a, b, f; 8 razy - c, d.

10. Współczynnik temperaturowy:

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

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

Reakcja chemiczna to przemiana jednej substancji w drugą.

Niezależnie od rodzaju reakcji chemicznych, są one przeprowadzane z różną szybkością. Przykładowo przemiany geochemiczne we wnętrzu Ziemi (tworzenie się krystalicznych hydratów, hydroliza soli, synteza lub rozkład minerałów) zachodzą przez tysiące, miliony lat. Reakcje takie jak spalanie prochu, wodoru, saletry i soli bertholletowej zachodzą w ciągu ułamków sekund.

Szybkość reakcji chemicznej odnosi się do zmiany ilości reagentów (lub produktów reakcji) w jednostce czasu. Najczęściej stosowana koncepcja średnia szybkość reakcji (Δc p) w przedziale czasu.

v av = ± ∆C/∆t

Dla produktów ∆С > 0, dla substancji wyjściowych -∆С< 0. Наиболее употребляемая единица измерения - моль на литр в секунду (моль/л*с).

Szybkość każdej reakcji chemicznej zależy od wielu czynników: rodzaju reagujących substancji, stężenia reagujących substancji, zmian temperatury reakcji, stopnia rozdrobnienia reagujących substancji, zmian ciśnienia i wprowadzenia katalizatora do środowiska reakcyjnego.

Charakter reagentów znacząco wpływa na szybkość reakcji chemicznej. Jako przykład rozważmy interakcję niektórych metali ze stałym składnikiem - wodą. Zdefiniujmy metale: Na, Ca, Al, Au. Sód reaguje z wodą w zwykłej temperaturze bardzo gwałtownie, wydzielając dużą ilość ciepła.

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

Wapń reaguje mniej energicznie z wodą w zwykłych temperaturach:

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

Aluminium reaguje z wodą już w podwyższonych temperaturach:

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

Złoto należy do metali nieaktywnych, nie reaguje z wodą ani w normalnej, ani w podwyższonej temperaturze.

Szybkość reakcji chemicznej zależy bezpośrednio od stężenia reagentów . Zatem dla reakcji:

C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O;

Wyrażenie na szybkość reakcji to:

v = k**[O2]3;

Gdzie k jest stałą szybkości reakcji chemicznej, liczbowo równą szybkości tej reakcji, pod warunkiem, że stężenia reagujących składników są równe 1 g/mol; wartości [C 2 H 4 ] i [O 2 ] 3 odpowiadają stężeniom reagujących substancji podniesionym do potęgi ich współczynników stechiometrycznych. Im większe stężenie [C 2 H 4 ] lub [O 2 ], tym więcej zderzeń cząsteczek tych substancji w jednostce czasu, a co za tym idzie, większa szybkość reakcji chemicznej.

Szybkość reakcji chemicznych z reguły jest również bezpośrednio zależna na temperaturę reakcji . Naturalnie wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia kinetyczna cząsteczek, co również prowadzi do większych zderzeń cząsteczek w jednostce czasu. Liczne eksperymenty wykazały, że przy każdej zmianie temperatury o 10 stopni szybkość reakcji zmienia się 2-4 razy (reguła van't Hoffa):

gdzie V T 2 to szybkość reakcji chemicznej w T 2; Vti jest szybkością reakcji chemicznej w T1; g jest współczynnikiem temperaturowym szybkości reakcji.

Wpływ stopień rozdrobnienia substancji szybkość reakcji jest również bezpośrednio zależna. Im drobniejsze są cząstki reagujących substancji, tym częściej stykają się ze sobą w jednostce czasu i tym większa jest szybkość reakcji chemicznej. Dlatego z reguły reakcje między substancjami lub roztworami gazowymi przebiegają szybciej niż w stanie stałym.

Zmiany ciśnienia wpływają na szybkość reakcji pomiędzy substancjami w stanie gazowym. Będąc w zamkniętej objętości w stałej temperaturze, reakcja przebiega z prędkością V 1. Jeśli w tym układzie zwiększymy ciśnienie (a zatem zmniejszymy objętość), stężenia reagujących substancji wzrosną, zderzenie ich cząsteczek na jednostkę czasu wzrośnie, szybkość reakcji wzrośnie do V 2 (v 2 > v 1).

Katalizatory to substancje, które zmieniają szybkość reakcji chemicznej, ale pozostają niezmienione po zakończeniu reakcji chemicznej. Wpływ katalizatorów na szybkość reakcji nazywa się katalizą. Katalizatory mogą zarówno przyspieszać dynamiczny proces chemiczny, jak i go spowalniać. Gdy substancje oddziałujące i katalizator znajdują się w tym samym stanie agregacji, mówimy o katalizie jednorodnej, a w przypadku katalizy heterogenicznej reagenty i katalizator znajdują się w różnych stanach agregacji. Katalizator i odczynniki tworzą kompleks pośredni. Na przykład dla reakcji:

Katalizator (K) tworzy kompleks z A lub B - AK, VK, który uwalnia K w wyniku oddziaływania z wolną cząstką A lub B:

AK + B = AB + K

VK + A = VA + K;

stronie internetowej, przy kopiowaniu materiału w całości lub w części wymagany jest link do źródła.

Reakcja szybkościowa określa się poprzez zmianę stężenia molowego jednego z reagentów:

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

Gdzie C 1 i C 2 to stężenia molowe substancji odpowiednio w czasach t 1 i t 2 (znak (+) - jeśli szybkość jest określona przez produkt reakcji, znak (-) - przez substancję wyjściową).

Reakcje zachodzą, gdy zderzają się cząsteczki reagujących substancji. Jego prędkość zależy od liczby zderzeń i prawdopodobieństwa, że ​​doprowadzą one do transformacji. O liczbie zderzeń decyduje stężenie reagujących substancji, a o prawdopodobieństwie reakcji decyduje energia zderzających się cząsteczek.
Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych.
1. Charakter substancji reagujących. Charakter wiązań chemicznych i struktura cząsteczek odczynnika odgrywają ważną rolę. Reakcje przebiegają w kierunku zniszczenia słabszych wiązań i powstania substancji z silniejszymi wiązaniami. Zatem zerwanie wiązań w cząsteczkach H2 i N2 wymaga wysokich energii; takie cząsteczki są lekko reaktywne. Rozerwanie wiązań w cząsteczkach silnie polarnych (HCl, H 2 O) wymaga mniej energii, a szybkość reakcji jest znacznie większa. Reakcje pomiędzy jonami w roztworach elektrolitów zachodzą niemal natychmiast.
Przykłady
Fluor reaguje wybuchowo z wodorem w temperaturze pokojowej, brom reaguje z wodorem powoli po podgrzaniu.
Tlenek wapnia reaguje energicznie z wodą, wydzielając ciepło; tlenek miedzi - nie reaguje.

2. Koncentracja. Wraz ze wzrostem stężenia (liczba cząstek na jednostkę objętości) coraz częściej dochodzi do zderzeń cząsteczek reagujących substancji - wzrasta szybkość reakcji.
Prawo działania masowego (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
Szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów.

AA + bB + . . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

Stała szybkości reakcji k zależy od rodzaju reagentów, temperatury i katalizatora, ale nie zależy od stężeń reagentów.
Fizyczne znaczenie stałej szybkości jest takie, że jest ona równa szybkości reakcji przy jednostkowych stężeniach reagentów.
W przypadku reakcji heterogenicznych stężenie fazy stałej nie jest uwzględniane w wyrażeniu szybkości reakcji.

3. Temperatura. Na każde 10°C wzrostu temperatury szybkość reakcji wzrasta 2-4 razy (reguła van't Hoffa). Wraz ze wzrostem temperatury od t 1 do t 2 zmianę szybkości reakcji można obliczyć ze wzoru:

		(t 2 - t 1) / 10
Vt 2 / Vt 1	= gł

(gdzie Vt 2 i Vt 1 to szybkości reakcji odpowiednio w temperaturach t 2 i t 1; g to współczynnik temperaturowy tej reakcji).
Reguła Van't Hoffa ma zastosowanie tylko w wąskim zakresie temperatur. Dokładniejsze jest równanie Arrheniusa:

• e-Ea/RT

Gdzie
A jest stałą zależną od charakteru reagentów;
R jest uniwersalną stałą gazową;

Ea jest energią aktywacji, tj. energia, jaką muszą posiadać zderzające się cząsteczki, aby zderzenie doprowadziło do przemiany chemicznej.
Wykres energetyczny reakcji chemicznej.

Reakcja egzotermiczna	Reakcja endotermiczna

A - odczynniki, B - kompleks aktywowany (stan przejściowy), C - produkty.
Im wyższa energia aktywacji Ea, tym bardziej szybkość reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

4. Powierzchnia kontaktu substancji reagujących. W przypadku układów heterogenicznych (gdy substancje znajdują się w różnych stanach skupienia) im większa powierzchnia kontaktu, tym szybciej zachodzi reakcja. Powierzchnię ciał stałych można zwiększyć poprzez ich rozdrobnienie, a w przypadku substancji rozpuszczalnych poprzez ich rozpuszczenie.

5. Kataliza. Substancje biorące udział w reakcjach i zwiększające ich prędkość, pozostając niezmienione po zakończeniu reakcji, nazywane są katalizatorami. Mechanizm działania katalizatorów związany jest ze spadkiem energii aktywacji reakcji na skutek tworzenia się związków pośrednich. Na kataliza jednorodna odczynniki i katalizator stanowią jedną fazę (są w tym samym stanie skupienia), przy czym kataliza heterogeniczna- różne fazy (są w różnych stanach agregacji). W niektórych przypadkach występowanie niepożądanych procesów chemicznych można gwałtownie spowolnić poprzez dodanie do środowiska reakcji inhibitorów („zjawisko” kataliza ujemna").

Mechanizmy przemian chemicznych i ich szybkość bada się za pomocą kinetyki chemicznej. Procesy chemiczne zachodzą w czasie z różną szybkością. Niektóre dzieją się szybko, niemal natychmiast, podczas gdy inne wymagają bardzo długiego czasu.

Reakcja szybkościowa- szybkość, z jaką odczynniki są zużywane (ich stężenie maleje) lub powstają produkty reakcji na jednostkę objętości.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej

Następujące czynniki mogą mieć wpływ na szybkość wystąpienia reakcji chemicznej:

• stężenie substancji;
• charakter odczynników;
• temperatura;
• obecność katalizatora;
• ciśnienie (dla reakcji w środowisku gazowym).

Zatem zmieniając pewne warunki procesu chemicznego, możesz wpłynąć na szybkość jego przebiegu.

W procesie oddziaływania chemicznego cząsteczki reagujących substancji zderzają się ze sobą. Liczba takich koincydencji jest proporcjonalna do liczby cząstek substancji w objętości reagującej mieszaniny, a zatem proporcjonalna do stężeń molowych reagentów.

Prawo akcji masowej opisuje zależność szybkości reakcji od stężeń molowych substancji wchodzących w interakcję.

Dla reakcji elementarnej (A + B → ...) prawo to wyraża się wzorem:

υ = k ∙С ZA ∙С B,

gdzie k jest stałą szybkości; CA i C B to stężenia molowe odczynników A i B.

Jeśli jedna z reagujących substancji jest w stanie stałym, wówczas oddziaływanie zachodzi na granicy faz, dlatego też stężenie substancji stałej nie jest uwzględniane w równaniu kinetycznego prawa działania mas. Aby zrozumieć fizyczne znaczenie stałej szybkości, należy przyjąć, że C, A i C B są równe 1. Wtedy staje się jasne, że stała szybkości jest równa szybkości reakcji przy stężeniach reagentów równych jedności.

Charakter odczynników

Ponieważ podczas interakcji wiązania chemiczne reagujących substancji ulegają zniszczeniu i powstają nowe wiązania produktów reakcji, dużą rolę odegra charakter wiązań biorących udział w reakcji związków i struktura cząsteczek reagujących substancji .

Powierzchnia kontaktu odczynników

Taka cecha jak powierzchnia kontaktu stałych odczynników wpływa na przebieg reakcji, czasem dość znacząco. Mielenie ciała stałego pozwala zwiększyć powierzchnię kontaktu odczynników, a co za tym idzie, przyspieszyć proces. Powierzchnię kontaktu substancji rozpuszczalnych można łatwo zwiększyć poprzez rozpuszczenie substancji.

Temperatura reakcji

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia zderzających się cząstek, oczywiste jest, że wraz ze wzrostem temperatury sam proces chemiczny będzie przyspieszał. Wyraźnym przykładem tego, jak wzrost temperatury wpływa na proces interakcji substancji, można uznać dane podane w tabeli.

Tabela 1. Wpływ zmian temperatury na szybkość tworzenia się wody (O 2 +2H 2 →2H 2 O)

Aby ilościowo opisać, jak temperatura może wpływać na szybkość interakcji substancji, stosuje się regułę Van't Hoffa. Zasada Van't Hoffa mówi, że gdy temperatura wzrośnie o 10 stopni, przyspieszenie następuje 2-4 razy.

Wzór matematyczny opisujący regułę van't Hoffa jest następujący:

Gdzie γ jest współczynnikiem temperaturowym szybkości reakcji chemicznej (γ = 2-4).

Ale równanie Arrheniusa znacznie dokładniej opisuje zależność stałej szybkości od temperatury:

Gdzie R jest uniwersalną stałą gazową, A jest współczynnikiem określonym przez rodzaj reakcji, E, A jest energią aktywacji.

Energia aktywacji to energia, którą cząsteczka musi pozyskać, aby nastąpiła przemiana chemiczna. Oznacza to, że jest to rodzaj bariery energetycznej, którą cząsteczki zderzające się w objętości reakcji będą musiały pokonać, aby dokonać redystrybucji wiązań.

Energia aktywacji nie zależy od czynników zewnętrznych, ale zależy od charakteru substancji. Wartość energii aktywacji wynosząca do 40 - 50 kJ/mol pozwala substancjom na dość aktywną reakcję ze sobą. Jeśli energia aktywacji przekracza 120 kJ/mol, wówczas substancje (w zwykłych temperaturach) będą reagować bardzo powoli. Zmiana temperatury powoduje zmianę liczby cząsteczek aktywnych, czyli takich, które osiągnęły energię większą od energii aktywacji, a zatem są zdolne do przemian chemicznych.

Działanie katalizatora

Katalizator to substancja, która może przyspieszyć proces, ale nie jest częścią jego produktów. Katalizę (przyspieszenie przemiany chemicznej) dzielimy na jednorodną i niejednorodną. Jeśli odczynniki i katalizator znajdują się w tym samym stanie skupienia, wówczas katalizę nazywa się jednorodną, ​​jeśli w różnych stanach, to jest ona niejednorodna. Mechanizmy działania katalizatorów są różnorodne i dość złożone. Dodatkowo warto zaznaczyć, że katalizatory charakteryzują się selektywnością działania. Oznacza to, że ten sam katalizator, przyspieszając jedną reakcję, nie może zmieniać szybkości innej.

Ciśnienie

Jeżeli w przemianie biorą udział substancje gazowe, na szybkość procesu będą miały wpływ zmiany ciśnienia w układzie . Dzieje się tak, ponieważże w przypadku odczynników gazowych zmiana ciśnienia prowadzi do zmiany stężenia.

Eksperymentalne wyznaczanie szybkości reakcji chemicznej

Szybkość przemiany chemicznej można wyznaczyć eksperymentalnie, uzyskując dane o tym, jak zmienia się stężenie substancji wchodzących do reakcji lub produktów w jednostce czasu. Metody pozyskiwania takich danych dzielą się na

• chemiczny,
• fizykochemiczne.

Metody chemiczne są dość proste, dostępne i dokładne. Za ich pomocą prędkość określa się poprzez bezpośredni pomiar stężenia lub ilości substancji reagentów lub produktów. W przypadku powolnej reakcji pobierane są próbki w celu monitorowania zużycia odczynnika. Następnie określa się zawartość odczynnika w próbce. Pobierając próbki w regularnych odstępach czasu, można uzyskać dane o zmianach ilości substancji w procesie interakcji. Najczęściej stosowanymi rodzajami analiz są miareczkowanie i grawimetria.

Jeśli reakcja przebiega szybko, należy ją zatrzymać w celu pobrania próbki. Można tego dokonać za pomocą chłodzenia, nagłe usunięcie katalizatora możliwe jest także rozcieńczenie lub przeniesienie jednego z odczynników do stanu niereaktywnego.

Metody analizy fizykochemicznej we współczesnej kinetyce doświadczalnej są stosowane częściej niż metody chemiczne. Za ich pomocą można w czasie rzeczywistym obserwować zmiany stężeń substancji. W takim przypadku nie ma potrzeby zatrzymywania reakcji i pobierania próbek.

Metody fizykochemiczne opierają się na pomiarze właściwości fizycznej, która zależy od ilościowej zawartości danego związku w układzie i zmienia się w czasie. Na przykład, jeśli w reakcji biorą udział gazy, wówczas taką właściwością może być ciśnienie. Mierzy się także przewodność elektryczną, współczynnik załamania światła i widma absorpcji substancji.

Szybkość reakcji chemicznej

Szybkość reakcji chemicznej- zmiana ilości jednej z reagujących substancji w jednostce czasu w jednostce przestrzeni reakcyjnej. Jest kluczowym pojęciem w kinetyce chemicznej. Szybkość reakcji chemicznej jest zawsze wartością dodatnią, dlatego jeśli określa ją substancja wyjściowa (której stężenie maleje w trakcie reakcji), to uzyskaną wartość mnoży się przez -1.

Na przykład dla reakcji:

wyrażenie na prędkość będzie wyglądać następująco:

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

W przypadku reakcji elementarnych wykładnik 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),
• ciśnienie,
• pole powierzchni reagujących substancji.

Jeśli weźmiemy pod uwagę najprostszą reakcję chemiczną A + B → C, 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 G.S., Bykov V.I., Gorban A.N., Kinetyczne modele reakcji katalitycznych, Nowosybirsk: Nauka (Wydział Sib.), 1983. - 255 s.

Fundacja Wikimedia. 2010.

• Walijskie dialekty języka angielskiego
• Piła (serial filmów)

Zobacz, co oznacza „Szybkość reakcji chemicznej” w innych słownikach:

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

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ- podstawowe pojęcia z chemii. kinetyka, wyrażająca stosunek ilości przereagowanej substancji (w molach) do okresu czasu, w którym zachodziło oddziaływanie. Ponieważ stężenia reagentów zmieniają się podczas interakcji, szybkość zwykle wynosi ... Wielka encyklopedia politechniczna

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

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

Szybkość reakcji chemicznej- wielkość charakteryzująca intensywność reakcji chemicznej (patrz Reakcje chemiczne). Szybkość tworzenia produktu reakcji to ilość tego produktu powstająca w wyniku reakcji w jednostce czasu na jednostkę objętości (jeśli... ...

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ- podstawowy pojęcie chemii kinetyka. Dla prostych jednorodnych reakcji S. x. R. mierzone zmianą liczby moli przereagowanego w va (przy stałej objętości układu) lub zmianą stężenia któregokolwiek z początkowych wartości va lub produktów reakcji (jeżeli objętość układu ...

MECHANIZM REAKCJI CHEMICZNEJ- Do złożonych reakcji składających się z kilku. etapy (reakcje proste lub elementarne) mechanizm to zespół etapów, w wyniku których materiały wyjściowe przekształcają się w produkty. Cząsteczki mogą działać jako półprodukty w tych reakcjach... ... Naturalna nauka. słownik encyklopedyczny

Reakcje podstawienia nukleofilowego- (ang. reakcja podstawienia nukleofilowego) reakcje podstawienia, w których atak przeprowadzany jest przez odczynnik nukleofilowy niosący samotną parę elektronów. Grupa opuszczająca w reakcjach podstawienia nukleofilowego nazywana jest nukleofugiem. Wszystko... Wikipedia

Reakcje chemiczne- przemiana jednych substancji w inne, różniące się od pierwotnych składem chemicznym lub strukturą. Całkowita liczba atomów każdego danego pierwiastka, a także same pierwiastki chemiczne tworzące substancje, pozostają w R. x. niezmieniony; ten R.x... Wielka encyklopedia radziecka

prędkość rysowania- prędkość liniowa ruchu metalu na wyjściu z matrycy, m/s. Na nowoczesnych maszynach ciągarskich prędkość ciągnienia sięga 50–80 m/s. Jednak nawet przy ciągnięciu drutu prędkość z reguły nie przekracza 30–40 m/s. Na… … Encyklopedyczny słownik metalurgii