Viteza unei reacții chimice

Tema „Viteza unei reacții chimice” este poate cea mai complexă și controversată din programa școlară. Acest lucru se datorează complexității cineticii chimice în sine, una dintre ramurile chimiei fizice. Însăși definiția conceptului de „viteză a unei reacții chimice” este deja ambiguă (a se vedea, de exemplu, articolul lui L.S. Guzey din ziarul „Chimie”, 2001, nr. 28,
Cu. 12). Și mai multe probleme apar atunci când se încearcă aplicarea legii acțiunii în masă pentru viteza de reacție oricăror sisteme chimice, deoarece gama de obiecte pentru care este posibilă o descriere cantitativă a proceselor cinetice în cadrul programului școlar este foarte îngustă. Aș dori să subliniez incorectitudinea utilizării legii acțiunii masei pentru viteza unei reacții chimice la echilibru chimic.
În același timp, ar fi greșit să refuzi deloc să luăm în considerare acest subiect în școală. Ideile despre viteza unei reacții chimice sunt foarte importante în studiul multor procese naturale și tehnologice; fără ele, este imposibil să vorbim despre catalizatori și catalizatori, inclusiv enzime. Deși atunci când se discută despre transformările substanțelor se folosesc în principal idei calitative despre viteza unei reacții chimice, introducerea celor mai simple rapoarte cantitative este totuși de dorit, mai ales pentru reacțiile elementare.
Articolul publicat discută suficient de detaliat problemele cineticii chimice, care pot fi discutate la lecțiile de chimie din școală. Excluderea de la cursul de chimie școlară a aspectelor controversate și controversate ale acestui subiect este deosebit de importantă pentru acei studenți care urmează să-și continue studiile de chimie la universitate. La urma urmei, cunoștințele dobândite la școală intră adesea în conflict cu realitatea științifică.

Reacțiile chimice pot varia semnificativ în timp. Un amestec de hidrogen și oxigen la temperatura camerei poate rămâne practic neschimbat mult timp, dar la impact sau aprindere va avea loc o explozie. Placa de fier ruginește încet, iar o bucată de fosfor alb se aprinde spontan în aer. Este important să știți cât de repede se desfășoară o anumită reacție pentru a putea controla progresul acesteia.

Noțiuni de bază

O caracteristică cantitativă a cât de repede se desfășoară o anumită reacție este viteza unei reacții chimice, adică rata de consum de reactivi sau rata de apariție a produselor. În acest caz, nu contează care dintre substanțele implicate în reacție este în discuție, deoarece toate sunt interconectate prin ecuația reacției. Prin modificarea cantității uneia dintre substanțe, se pot judeca modificările corespunzătoare în cantitățile tuturor celorlalte.

Viteza unei reacții chimice () numită modificarea cantității de substanță a reactivului sau a produsului () pe unitatea de timp () pe unitate de volum (V):

= /(V ).

Viteza de reacție în acest caz este de obicei exprimată în mol/(l s).

Expresia de mai sus se referă la reacții chimice omogene care au loc într-un mediu omogen, de exemplu, între gaze sau în soluție:

2SO 2 + O 2 \u003d 2SO 3,

BaCl2 + H2SO4 \u003d BaSO4 + 2HCl.

Reacțiile chimice eterogene au loc pe suprafețele de contact dintre un solid și un gaz, un solid și un lichid etc. Reacțiile eterogene includ, de exemplu, reacțiile metalelor cu acizi:

Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2.

În acest caz viteza unei reacții este modificarea cantității de reactant sau produs () pe unitatea de timp() pe unitate de suprafață (S):

= /(S ).

Viteza unei reacții eterogene este exprimată în mol/(m 2 s).

Pentru a controla reacțiile chimice, este important nu numai să le poți determina viteza, ci și să afli ce condiții le afectează. Se numește ramura chimiei care studiază viteza reacțiilor chimice și influența diferiților factori asupra acesteia cinetica chimică.

Frecvența de coliziune a particulelor care reacţionează

Cel mai important factor care determină viteza unei reacții chimice este concentraţie.

Pe măsură ce concentrația reactanților crește, viteza reacției crește de obicei. Pentru a intra într-o reacție, două particule chimice trebuie să se apropie una de cealaltă, astfel încât viteza de reacție depinde de numărul de ciocniri dintre ele. O creștere a numărului de particule într-un anumit volum duce la ciocniri mai frecvente și la o creștere a vitezei de reacție.

Pentru reacțiile omogene, creșterea concentrației unuia sau mai multor reactanți va crește viteza reacției. Cu o scădere a concentrației, se observă efectul opus. Concentrația substanțelor într-o soluție poate fi modificată prin adăugarea sau îndepărtarea reactanților sau a unui solvent din sfera de reacție. În gaze, concentrația uneia dintre substanțe poate fi crescută prin introducerea unei cantități suplimentare din această substanță în amestecul de reacție. Concentrațiile tuturor substanțelor gazoase pot fi crescute simultan prin scăderea volumului ocupat de amestec. În acest caz, viteza de reacție va crește. Creșterea volumului are efectul opus.

Viteza reacțiilor eterogene depinde de suprafața de contact a substanțelor, adică asupra gradului de măcinare a substanțelor, completitudinea amestecării reactivilor, precum și asupra stării structurilor cristaline a solidelor. Orice perturbări ale structurii cristaline determină o creștere a reactivității solidelor, deoarece este necesară o energie suplimentară pentru a distruge o structură cristalină puternică.

Luați în considerare arderea lemnului. Un buștean întreg arde relativ lent în aer. Dacă creșteți suprafața de contact a lemnului cu aerul, împărțind bușteanul în așchii, viteza de ardere va crește. În același timp, lemnul arde mult mai repede în oxigen pur decât în ​​aer, care conține doar aproximativ 20% oxigen.

Pentru ca o reacție chimică să aibă loc, particulele trebuie să se ciocnească - atomi, molecule sau ioni. Ca urmare a ciocnirilor, atomii se rearanjează și apar noi legături chimice, ceea ce duce la formarea de noi substanțe. Probabilitatea unei coliziuni a două particule este destul de mare, probabilitatea unei coliziuni simultane a trei particule este mult mai mică. O coliziune simultană a patru particule este extrem de puțin probabilă. Prin urmare, majoritatea reacțiilor se desfășoară în mai multe etape, în fiecare dintre acestea nu interacționează mai mult de trei particule.

Reacția de oxidare a bromurii de hidrogen se desfășoară cu o viteză vizibilă la 400-600 °C:

4HBr + O 2 \u003d 2H 2 O + 2Br 2.

Conform ecuației reacției, cinci molecule trebuie să se ciocnească în același timp. Cu toate acestea, probabilitatea unui astfel de eveniment este practic zero. Mai mult, studiile experimentale au arătat că creșterea concentrației - fie oxigen, fie bromură de hidrogen - crește viteza de reacție de același număr de ori. Și asta în ciuda faptului că se consumă patru molecule de bromură de hidrogen pentru fiecare moleculă de oxigen.

O examinare detaliată a acestui proces arată că acesta se desfășoară în mai multe etape:

1) HBr + O2 = HOOVr (reacție lentă);

2) HOOVr + HBr = 2NOVr (reacție rapidă);

3) NOVr + HBr = H2O + Br2 (reacție rapidă).

Aceste reacții, așa-numitele reacții elementare, Reflectați mecanism de reacție oxidarea bromurii de hidrogen cu oxigen. Este important de menționat că doar două molecule sunt implicate în fiecare dintre reacțiile intermediare. Adăugând primele două ecuații și de două ori pe a treia, rezultă ecuația generală a reacției. Viteza totală de reacție este determinată de cea mai lentă reacție intermediară, în care o moleculă de bromură de hidrogen și o moleculă de oxigen interacționează.

Viteza reacțiilor elementare este direct proporțională cu produsul concentrațiilor molare Cu (Cu este cantitatea de substanță pe unitatea de volum, Cu = /V) reactivi luați în puteri egale cu coeficienții lor stoichiometrici ( legea acțiunii în masă pentru viteza unei reacții chimice). Acest lucru este valabil numai pentru ecuațiile de reacție care reflectă mecanismele proceselor chimice reale, când coeficienții stoichiometrici din fața formulelor reactivilor corespund numărului de particule care interacționează.

În funcție de numărul de molecule care interacționează în reacție, reacțiile se disting ca monomoleculare, bimoleculare și trimoleculare. De exemplu, disocierea iodului molecular în atomi: I 2 \u003d 2I - o reacție monomoleculară.

Interacțiunea iodului cu hidrogenul: I 2 + H 2 \u003d 2HI - o reacție bimoleculară. Legea acțiunii în masă pentru reacțiile chimice cu molecularitate diferită este scrisă în moduri diferite.

Reacții monomoleculare:

A = B + C,

= kc A ,

Unde k este constanta vitezei de reacție.

Reacții bimoleculare:

= kc A cÎN.

Reacții trimoleculare:

= kc 2A cÎN.

Energie activatoare

Ciocnirea particulelor chimice duce la o interacțiune chimică numai dacă particulele care se ciocnesc au o energie care depășește o anumită valoare. Luați în considerare interacțiunea substanțelor gazoase constând din molecule A 2 și B 2:

A 2 + B 2 \u003d 2AB.

În cursul unei reacții chimice, are loc o rearanjare a atomilor, însoțită de ruperea legăturilor chimice în substanțele inițiale și formarea de legături în produșii de reacție. Când moleculele care reacţionează se ciocnesc, aşa-numitele complex activat, în care densitatea electronică este redistribuită și abia apoi se obține produsul final de reacție:

Se numește energia necesară pentru trecerea substanțelor la starea de complex activat energie activatoare.

Activitatea substanțelor chimice se manifestă prin energia scăzută de activare a reacțiilor care le implică. Cu cât energia de activare este mai mică, cu atât este mai mare viteza de reacție. De exemplu, în reacțiile dintre cationi și anioni, energia de activare este foarte scăzută, astfel încât astfel de reacții au loc aproape instantaneu. Dacă energia de activare este mare, atunci o parte foarte mică a coliziunilor duce la formarea de noi substanțe. Astfel, viteza de reacție între hidrogen și oxigen la temperatura camerei este practic zero.

Deci, viteza de reacție este afectată de natura reactanţilor. Luați în considerare, de exemplu, reacțiile metalelor cu acizii. Dacă punem bucăți identice de cupru, zinc, magneziu și fier în eprubete cu acid sulfuric diluat, putem observa că intensitatea eliberării bulelor de hidrogen gazos, care caracterizează viteza de reacție, diferă semnificativ pentru aceste metale. Într-o eprubetă cu magneziu se observă o evoluție rapidă a hidrogenului, într-o eprubetă cu zinc se eliberează bule de gaz oarecum mai calme. Reacția se desfășoară și mai lent într-o eprubetă cu fier (Fig.). Cuprul nu reacționează deloc cu acidul sulfuric diluat. Astfel, viteza de reacție depinde de activitatea metalului.

Când acidul sulfuric (acidul puternic) este înlocuit cu acidul acetic (acidul slab), viteza de reacție în toate cazurile încetinește semnificativ. Se poate concluziona că natura ambilor reactanți, atât metalul, cât și acidul, afectează viteza de reacție a unui metal cu un acid.

A ridica temperatura conduce la o creștere a energiei cinetice a particulelor chimice, adică crește numărul de particule având o energie mai mare decât energia de activare. Pe măsură ce temperatura crește, crește și numărul de ciocniri de particule, ceea ce crește rata reacției într-o oarecare măsură. Cu toate acestea, creșterea eficienței coliziunilor prin creșterea energiei cinetice are un efect mai mare asupra vitezei de reacție decât creșterea numărului de ciocniri.

Când temperatura crește cu zece grade, viteza crește cu un factor egal cu coeficientul de temperatură al vitezei:

= T+10 /T .

Când temperatura crește de la T inainte de T"
raportul vitezei de reacție T" Și T egală
coeficientul de temperatură al vitezei în putere ( T" – T)/10:

T" /T = (T"–T)/10.

Pentru multe reacții omogene, coeficientul de temperatură al vitezei este 24 (regula lui van't Hoff). Dependența vitezei de reacție de temperatură poate fi urmărită prin exemplul interacțiunii oxidului de cupru (II) cu acidul sulfuric diluat. La temperatura camerei, reacția decurge foarte lent. Când este încălzit, amestecul de reacție devine rapid albastru din cauza formării sulfatului de cupru (II):

CuO + H 2 SO 4 \u003d CuSO 4 + H 2 O.

Catalizatori și inhibitori

Multe reactii pot fi accelerate sau incetinite prin introducerea anumitor substante. Substanțele adăugate nu participă la reacție și nu sunt consumate în cursul acesteia, dar au un efect semnificativ asupra vitezei de reacție. Aceste substanțe modifică mecanismul de reacție (inclusiv compoziția complexului activat) și scad energia de activare, ceea ce asigură accelerarea reacțiilor chimice. Substanțele care accelerează reacțiile se numesc catalizatoriși chiar fenomenul unei astfel de accelerari a reacției - cataliză.

Multe reacții au loc foarte lent sau deloc în absența catalizatorilor. Una dintre aceste reacții este descompunerea peroxidului de hidrogen:

2H 2 O 2 \u003d 2H 2 O + O 2.

Dacă coborâți o bucată de dioxid de mangan solid într-un vas cu o soluție apoasă de peroxid de hidrogen, atunci va începe o eliberare rapidă de oxigen. După îndepărtarea dioxidului de mangan, reacția practic se oprește. Prin cântărire, este ușor de verificat că dioxidul de mangan nu este consumat în acest proces - doar catalizează reacția.

În funcție de faptul că catalizatorul și reactanții sunt în aceleași stări de agregare sau diferite, se disting cataliza omogenă și eterogenă.

În cataliza omogenă, catalizatorul poate accelera reacția formând intermediari prin interacțiunea cu unul dintre reactanții de pornire. De exemplu:

În cataliza eterogenă, reacția chimică are loc de obicei pe suprafața catalizatorului:

Catalizatorii sunt larg distribuiți în natură. Aproape toate transformările substanțelor în organismele vii au loc cu participarea catalizatorilor organici - enzime.

Catalizatorii sunt utilizați în producția chimică pentru a accelera anumite procese. Pe lângă acestea, se mai folosesc substanțe care încetinesc reacțiile chimice, - inhibitori. Cu ajutorul inhibitorilor, în special, aceștia protejează metalele de coroziune.

Factorii care afectează viteza unei reacții chimice

Mărește viteza	Reduce viteza
Prezența reactivilor activi chimic	Prezența reactivilor inactivi chimic
Creșterea concentrației de reactivi	Reducerea concentrației de reactivi
Creșterea suprafeței reactivilor solizi și lichizi	Reducerea suprafeței reactivilor solizi și lichizi
Creșterea temperaturii	Scădere de temperatură
Prezența unui catalizator	Prezența unui inhibitor

SARCINI

1. Definiți viteza unei reacții chimice. Scrieți expresia legii cinetice a acțiunii masei pentru următoarele reacții:

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

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

2. Ce determină viteza unei reacții chimice? Dați o expresie matematică pentru dependența vitezei unei reacții chimice de temperatură.

3. Indicați cum afectează viteza de reacție (la volum constant):

a) creşterea concentraţiei de reactivi;

b) măcinarea unui reactiv solid;
c) scăderea temperaturii;
d) introducerea unui catalizator;
e) scăderea concentraţiei de reactivi;
e) creşterea temperaturii;
g) introducerea unui inhibitor;
h) scăderea concentraţiei produselor.

4. Calculați viteza unei reacții chimice

CO (g) + H 2 O (g) \u003d CO 2 (g) + H 2 (g)

într-un vas cu o capacitate de 1 litru, dacă după 1 min 30 s după începerea sa cantitatea de substanță hidrogenă a fost de 0,32 mol, iar după 2 min 10 s a devenit 0,44 mol. Cum va afecta o creștere a concentrației de CO viteza de reacție?

5. Ca rezultat al unei reacții, s-au format 6,4 g de iodură de hidrogen într-o anumită perioadă de timp, iar într-o altă reacție în aceleași condiții, 6,4 g de dioxid de sulf. Comparați vitezele acestor reacții. Cum se vor schimba vitezele acestor reacții odată cu creșterea temperaturii?

6. Determinați viteza de reacție

CO (g.) + Cl 2 (g.) \u003d COCl 2 (g.),

dacă la 20 s după începerea reacției, cantitatea inițială de substanță monoxid de carbon (II) a scăzut de la 6 mol de 3 ori (volumul reactorului este de 100 l). Cum se va schimba viteza de reacție dacă se folosește brom mai puțin activ în loc de clor? Cum se va schimba viteza de reacție odată cu introducerea
a) un catalizator b) un inhibitor?

7. În care caz este reacția

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

rulează mai repede: când folosiți bucăți mari sau pulbere de oxid de calciu? Calculati:
a) cantitatea de substanță; b) masa de carbonat de calciu formată în 10 s, dacă viteza de reacție este de 0,1 mol/(l s), volumul reactorului este de 1 litru.

8. Interacțiunea unei probe de magneziu cu acid clorhidric HCl vă permite să obțineți 0,02 moli de clorură de magneziu la 30 s după începerea reacției. Determinați cât timp este nevoie pentru a obține 0,06 mol de clorură de magneziu.

E) de la 70 la 40 °C, viteza de reacție a scăzut de 8 ori;
g) de la 60 la 40 °C, viteza de reacție a scăzut de 6,25 ori;
h) de la 40 la 10 °C, viteza de reacție a scăzut de 27 de ori.

11. Proprietarul mașinii a vopsit-o cu vopsea nouă și apoi a constatat că, conform instrucțiunilor, ar trebui să se usuce timp de 3 ore la 105 ° C. Cât timp se va usca vopseaua la 25 °C dacă coeficientul de temperatură al reacției de polimerizare care stă la baza acestui proces este: a) 2; b) 3; la 4?

RĂSPUNSURI LA SARCINI

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

2. T+10 = T .

3. Viteza de reacție crește în cazurile a, b, d, f; scade - c, e, g; nu se schimba -

4. 0,003 mol/(l s). Pe măsură ce concentrația de CO crește, viteza reacției crește.

5. Viteza primei reacții este de 2 ori mai mică.

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

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

9. Vitezele reacțiilor e, g, h vor crește de 2 ori; de 4 ori - a, b, e; De 8 ori - în oraș.

10. Coeficient de temperatură:

2 pentru reacțiile b, f; = 2,5 – c, g; = 3 – e, h; = 3,5 – a, d.

a) 768 de ore (32 de zile, adică mai mult de 1 lună);
b) 19.683 ore (820 zile, adică mai mult de 2 ani);
c) 196.608 ore (8192 zile, adică 22 de ani).

O reacție chimică este transformarea unei substanțe în alta.

Indiferent de tipul de reacții chimice, acestea se desfășoară la viteze diferite. De exemplu, transformările geochimice din intestinele Pământului (formarea hidraților cristalini, hidroliza sărurilor, sinteza sau descompunerea mineralelor) durează mii, milioane de ani. Și reacții precum arderea prafului de pușcă, a hidrogenului, a salitrului și a clorurii de potasiu apar în câteva fracțiuni de secundă.

Viteza unei reacții chimice este înțeleasă ca modificarea cantităților de substanțe (sau produși de reacție) care reacţionează pe unitatea de timp. Conceptul cel mai des folosit viteza medie de reacție (Δc p) în intervalul de timp.

vav = ± ∆C/∆t

Pentru produsele ∆С > 0, pentru substanțele inițiale -∆С< 0. Наиболее употребляемая единица измерения - моль на литр в секунду (моль/л*с).

Viteza fiecărei reacții chimice depinde de mulți factori: natura reactanților, concentrația reactanților, modificarea temperaturii de reacție, gradul de finețe al reactanților, modificarea presiunii, introducerea unui catalizator în mediu de reacție.

Natura reactanților afectează semnificativ viteza unei reacții chimice. Ca exemplu, luați în considerare interacțiunea anumitor metale cu o componentă constantă - apa. Să definim metalele: Na, Ca, Al, Au. Sodiul reacționează cu apa la temperaturi obișnuite foarte violent, cu degajarea unei cantități mari de căldură.

2Na + 2H2O \u003d 2NaOH + H2 + Q;

Calciul reacționează mai puțin puternic cu apa la temperaturi obișnuite:

Ca + 2H2O \u003d Ca (OH)2 + H2 + Q;

Aluminiul reacționează cu apa chiar și la temperaturi ridicate:

2Al + 6H2O \u003d 2Al (OH)3 + ZH2-Q;

Și aurul este unul dintre metalele inactive, nu reacționează cu apa nici la temperaturi normale, nici la temperaturi ridicate.

Viteza unei reacții chimice este direct legată de concentrațiile reactanților . Deci pentru reactie:

C2H4 + 3O2 \u003d 2CO2 + 2H2O;

Expresia vitezei de reacție este:

v \u003d k ** [O 2 ] 3;

Unde k este constanta de viteză a unei reacții chimice, numeric egală cu viteza acestei reacții, cu condiția ca concentrațiile componentelor care reacţionează să fie de 1 g/mol; valorile [C 2 H 4 ] și [O 2 ] 3 corespund concentrațiilor de reactanți crescute la puterea coeficienților lor stoichiometrici. Cu cât concentrația de [C 2 H 4 ] sau [O ​​2 ] este mai mare, cu atât mai multe ciocniri ale moleculelor acestor substanțe pe unitatea de timp, prin urmare, cu atât viteza reacției chimice este mai mare.

Vitezele reacțiilor chimice, de regulă, sunt, de asemenea, direct legate asupra temperaturii de reacție . Desigur, pe măsură ce temperatura crește, energia cinetică a moleculelor crește, ceea ce duce, de asemenea, la o mare coliziune a moleculelor pe unitatea de timp. Numeroase experimente au arătat că, cu o schimbare a temperaturii la fiecare 10 grade, viteza de reacție se modifică de 2-4 ori (regula lui Vant Hoff):

unde VT2 este viteza unei reacţii chimice la T2; V ti este viteza unei reacții chimice la T 1 ; g este coeficientul de temperatură al vitezei de reacție.

Influență gradul de măcinare a substanțelor de asemenea direct legat de viteza de reacție. Cu cât starea particulelor substanțelor care reacţionează este mai fină, cu atât mai mult sunt în contact unele cu altele pe unitatea de timp, cu atât viteza reacției chimice este mai mare. Prin urmare, de regulă, reacțiile dintre substanțele sau soluțiile gazoase au loc mai repede decât în ​​stare solidă.

O modificare a presiunii afectează viteza de reacție între substanțele în stare gazoasă. Fiind într-un volum închis la o temperatură constantă, reacția se desfășoară cu o viteză de V 1. Dacă în acest sistem creștem presiunea (deci, reducem volumul), concentrațiile reactanților vor crește, ciocnirea moleculelor lor per unitatea de timp va crește, viteza de reacție va crește la V 2 (v 2 > v1).

Catalizatori Substanțe care modifică viteza unei reacții chimice, dar rămân neschimbate după terminarea reacției chimice. Efectul catalizatorilor asupra vitezei de reacție se numește cataliză Catalizatorii fie pot accelera un proces chimico-dinamic, fie îl pot încetini. Când substanțele care interacționează și catalizatorul sunt în aceeași stare de agregare, atunci se vorbește de cataliză omogenă, în timp ce în cataliza eterogenă, reactanții și catalizatorul sunt în stări diferite de agregare. Catalizatorul și reactanții formează un complex intermediar. De exemplu, pentru o reacție:

Catalizatorul (K) formează un complex cu A sau B - AK, VC, care eliberează K atunci când interacționează cu o particulă liberă A sau B:

AK + B = AB + K

VK + A \u003d VA + K;

site-ul, cu copierea integrală sau parțială a materialului, este necesară un link către sursă.

Reacția rapidă este determinată de modificarea concentrației molare a unuia dintre reactanți:

V \u003d ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) \u003d ± (DC / Dt)

Unde C 1 și C 2 sunt concentrațiile molare ale substanțelor în timpii t 1 și respectiv t 2 (semnul (+) - dacă viteza este determinată de produsul de reacție, semnul (-) - de substanța originală).

Reacțiile apar atunci când moleculele reactanților se ciocnesc. Viteza sa este determinată de numărul de ciocniri și de probabilitatea ca acestea să conducă la o transformare. Numărul de ciocniri este determinat de concentrațiile substanțelor care reacţionează, iar probabilitatea unei reacții este determinată de energia moleculelor care se ciocnesc.
Factori care afectează viteza reacțiilor chimice.
1. Natura reactanților. Un rol important îl joacă natura legăturilor chimice și structura moleculelor reactivilor. Reacțiile se desfășoară în direcția distrugerii legăturilor mai puțin puternice și a formării de substanțe cu legături mai puternice. Astfel, sunt necesare energii mari pentru a rupe legăturile din moleculele de H2 și N2; astfel de molecule nu sunt foarte reactive. Pentru a rupe legăturile în moleculele foarte polare (HCl, H 2 O), este necesară mai puțină energie, iar viteza de reacție este mult mai mare. Reacțiile dintre ionii din soluțiile de electroliți au loc aproape instantaneu.
Exemple
Fluorul reacționează exploziv cu hidrogenul la temperatura camerei; bromul reacționează lent cu hidrogenul chiar și atunci când este încălzit.
Oxidul de calciu reactioneaza energic cu apa, eliberand caldura; oxid de cupru - nu reacționează.

2. Concentrarea. Odată cu creșterea concentrației (numărul de particule pe unitate de volum), ciocnirile moleculelor reactante apar mai des - viteza de reacție crește.
Legea maselor active (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
Viteza unei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor reactanților.

AA + bB + . . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

Constanta vitezei de reacție k depinde de natura reactanților, temperatură și catalizator, dar nu depinde de concentrațiile reactanților.
Sensul fizic al constantei de viteză este că este egală cu viteza de reacție la concentrațiile unitare ale reactanților.
Pentru reacțiile eterogene, concentrația fazei solide nu este inclusă în exprimarea vitezei de reacție.

3. Temperatura. Pentru fiecare creștere de 10°C a temperaturii, viteza de reacție crește cu un factor de 2-4 (regula lui Van't Hoff). Cu o creștere a temperaturii de la t 1 la t 2, modificarea vitezei de reacție poate fi calculată prin formula:

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

(unde Vt 2 și Vt 1 sunt vitezele de reacție la temperaturile t 2 și, respectiv, t 1; g este coeficientul de temperatură al acestei reacții).
Regula lui Van't Hoff este aplicabilă numai într-un interval restrâns de temperatură. Mai precisă este ecuația lui Arrhenius:

• e-Ea/RT

Unde
A este o constantă în funcție de natura reactanților;
R este constanta universală a gazului;

Ea este energia de activare, i.e. energia pe care trebuie să o aibă moleculele care se ciocnesc pentru ca ciocnirea să aibă ca rezultat o transformare chimică.
Diagrama energetică a unei reacții chimice.

reacție exotermă	Reacție endotermă

A - reactivi, B - complex activat (stare de tranziție), C - produse.
Cu cât energia de activare Ea este mai mare, cu atât viteza de reacție crește odată cu creșterea temperaturii.

4. Suprafața de contact a reactanților. Pentru sistemele eterogene (atunci când substanțele sunt în diferite stări de agregare), cu cât suprafața de contact este mai mare, cu atât reacția are loc mai rapid. Suprafața solidelor poate fi mărită prin măcinarea acestora, iar pentru substanțele solubile prin dizolvarea acestora.

5. Cataliza. Substanțele care participă la reacții și cresc viteza acesteia, rămânând neschimbate până la sfârșitul reacției, se numesc catalizatori. Mecanismul de acțiune al catalizatorilor este asociat cu o scădere a energiei de activare a reacției datorită formării de compuși intermediari. La cataliză omogenă reactivii si catalizatorul constituie o singura faza (sunt in aceeasi stare de agregare), cu cataliză eterogenă- diferite faze (sunt în diferite stări de agregare). În unele cazuri, cursul proceselor chimice nedorite poate fi încetinit drastic prin adăugarea de inhibitori în mediul de reacție (fenomenul cataliză negativă").

Mecanismele transformărilor chimice și ratele acestora sunt studiate prin cinetică chimică. Procesele chimice se desfășoară în timp cu viteze diferite. Unele se întâmplă rapid, aproape instantaneu, în timp ce altele durează foarte mult să apară.

Reacția rapidă- viteza cu care se consumă reactivii (concentrația lor scade) sau se formează produse de reacție pe unitate de volum.

Factori care pot afecta viteza unei reacții chimice

Următorii factori pot afecta cât de repede are loc o interacțiune chimică:

• concentrația de substanțe;
• natura reactivilor;
• temperatura;
• prezența unui catalizator;
• presiune (pentru reacții în mediu gazos).

Astfel, prin modificarea anumitor condiții pentru desfășurarea unui proces chimic, este posibil să se influențeze cât de repede va decurge procesul.

În procesul de interacțiune chimică, particulele substanțelor care reacţionează se ciocnesc unele cu altele. Numărul de astfel de coincidențe este proporțional cu numărul de particule de substanțe din volumul amestecului de reacție și, prin urmare, proporțional cu concentrațiile molare ale reactivilor.

Legea maselor care actioneaza descrie dependența vitezei de reacție de concentrațiile molare ale substanțelor care reacţionează.

Pentru o reacție elementară (A + B → ...), această lege se exprimă prin formula:

υ \u003d k ∙С A ∙С B,

unde k este constanta vitezei; C A și C B sunt concentrațiile molare ale reactanților, A și B.

Dacă una dintre substanțele care reacționează este în stare solidă, atunci interacțiunea are loc la interfața de fază și, prin urmare, concentrația substanței solide nu este inclusă în ecuația legii cinetice a maselor care acționează. Pentru a înțelege semnificația fizică a constantei de viteză, este necesar să luăm C, A și C B egal cu 1. Apoi devine clar că constanta de viteză este egală cu viteza de reacție la concentrații de reactiv egale cu unitatea.

Natura reactivilor

Deoarece legăturile chimice ale substanţelor care reacţionează sunt distruse în procesul de interacţiune şi se formează noi legături ale produselor de reacţie, natura legăturilor care participă la reacţia compuşilor şi structura moleculelor substanţelor care reacţionează vor juca un rol important. rol important.

Suprafața de contact a reactivilor

O astfel de caracteristică precum suprafața de contact a reactivilor solizi, uneori destul de semnificativ, afectează cursul reacției. Măcinarea unui solid vă permite să creșteți suprafața de contact a reactivilor și, prin urmare, să accelerați procesul. Zona de contact a substanțelor dizolvate este ușor crescută prin dizolvarea substanței.

Temperatura de reacție

Pe măsură ce temperatura crește, energia particulelor care se ciocnesc va crește, este evident că, odată cu creșterea temperaturii, procesul chimic în sine se va accelera. Un exemplu clar al modului în care o creștere a temperaturii afectează procesul de interacțiune a substanțelor poate fi considerat datele prezentate în tabel.

Tabelul 1. Efectul schimbării temperaturii asupra ratei de formare a apei (О 2 +2Н 2 →2Н 2 О)

Pentru o descriere cantitativă a modului în care temperatura poate afecta rata de interacțiune a substanțelor, se folosește regula van't Hoff. Regula lui Van't Hoff este că atunci când temperatura crește cu 10 grade, are loc o accelerație de 2-4 ori.

Formula matematică care descrie regula van't Hoff este următoarea:

Unde γ este coeficientul de temperatură al vitezei de reacție chimică (γ = 2−4).

Dar ecuația lui Arrhenius descrie mult mai precis dependența de temperatură a constantei vitezei:

Unde R este constanta universală a gazului, A este un factor determinat de tipul de reacție, E, A este energia de activare.

Energia de activare este energia pe care o moleculă trebuie să o dobândească pentru a avea loc o transformare chimică. Adică, este un fel de barieră energetică care va trebui depășită de molecule care se ciocnesc în volumul de reacție pentru a redistribui legăturile.

Energia de activare nu depinde de factori externi, ci depinde de natura substanței. Valoarea energiei de activare de până la 40 - 50 kJ / mol permite substanțelor să reacționeze între ele destul de activ. Dacă energia de activare depăşeşte 120 kJ/mol, atunci substanțele (la temperaturi obișnuite) vor reacționa foarte lent. O modificare a temperaturii duce la o modificare a numărului de molecule active, adică molecule care au atins o energie mai mare decât energia de activare și, prin urmare, capabile de transformări chimice.

Acțiune catalizatoare

Un catalizator este o substanță care poate accelera un proces, dar nu face parte din produsele sale. Cataliza (accelerarea cursului unei transformări chimice) se împarte în · omogenă, · eterogenă. Dacă reactanții și catalizatorul sunt în aceeași stare de agregare, atunci cataliza se numește omogenă, dacă se află în stări diferite, atunci eterogenă. Mecanismele de acțiune ale catalizatorilor sunt diverse și destul de complexe. În plus, trebuie remarcat faptul că catalizatorii sunt caracterizați prin selectivitatea acțiunii. Adică, același catalizator, care accelerează o reacție, poate să nu modifice viteza alteia în niciun fel.

Presiune

Dacă substanțele gazoase sunt implicate în transformare, atunci viteza procesului va fi afectată de o schimbare a presiunii în sistem. . Acest lucru se întâmplă pentru că că pentru reactanții gazoși, o modificare a presiunii duce la o modificare a concentrației.

Determinarea experimentală a vitezei unei reacții chimice

Este posibil să se determine viteza unei transformări chimice în mod experimental, obținând date despre modul în care se modifică concentrația substanțelor sau a produselor care reacţionează pe unitatea de timp. Metodele de obținere a unor astfel de date sunt împărțite în

• chimic,
• fizice si chimice.

Metodele chimice sunt destul de simple, accesibile și precise. Cu ajutorul lor, viteza este determinată prin măsurarea directă a concentrației sau cantității unei substanțe de reactanți sau produse. În cazul unei reacții lente, se prelevează probe pentru a monitoriza modul în care este consumat reactivul. După aceea, se determină conținutul de reactiv din probă. Prin prelevarea de probe la intervale regulate, este posibil să se obțină date despre modificarea cantității unei substanțe în timpul interacțiunii. Cele mai utilizate tipuri de analiză sunt titrimetria și gravimetria.

Dacă reacția decurge rapid, atunci pentru a preleva o probă, aceasta trebuie oprită. Acest lucru se poate face prin răcire îndepărtarea bruscă a catalizatorului, este de asemenea posibil să se dilueze sau să se transfere unul dintre reactivi într-o stare nereactivă.

Metodele de analiză fizico-chimică în cinetica experimentală modernă sunt utilizate mai des decât cele chimice. Cu ajutorul lor, puteți observa schimbarea concentrațiilor de substanțe în timp real. Nu este nevoie să opriți reacția și să luați probe.

Metodele fizico-chimice se bazează pe măsurarea unei proprietăți fizice care depinde de conținutul cantitativ al unui anumit compus din sistem și se modifică în timp. De exemplu, dacă gazele sunt implicate în reacție, atunci presiunea poate fi o astfel de proprietate. Conductivitatea electrică, indicele de refracție și spectrele de absorbție ale substanțelor sunt, de asemenea, măsurate.

Viteza unei reacții chimice

Viteza unei reacții chimice- modificarea cantităţii uneia dintre substanţele care reacţionează pe unitatea de timp într-o unitate de spaţiu de reacţie. Este un concept cheie al cineticii chimice. Viteza unei reacții chimice este întotdeauna pozitivă, prin urmare, dacă este determinată de substanța inițială (a cărei concentrație scade în timpul reacției), atunci valoarea rezultată este înmulțită cu −1.

De exemplu, pentru o reacție:

expresia pentru viteza va arata astfel:

. Viteza unei reacții chimice în fiecare moment în timp este proporțională cu concentrațiile reactanților, ridicate la puteri egale cu coeficienții lor stoichiometrici.

Pentru reacțiile elementare, exponentul la valoarea concentrației fiecărei substanțe este adesea egal cu coeficientul său stoechiometric; pentru reacțiile complexe, această regulă nu este respectată. Pe lângă concentrație, următorii factori influențează viteza unei reacții chimice:

• natura reactanților,
• prezența unui catalizator
• temperatura (regula Van't Hoff),
• presiune,
• aria suprafeței reactanților.

Dacă luăm în considerare cea mai simplă reacție chimică A + B → C, atunci observăm că instant viteza unei reacții chimice nu este constantă.

Literatură

• Kubasov A. A. Cinetică chimică și cataliză.
• Prigogine I., Defey R. Termodinamică chimică. Novosibirsk: Nauka, 1966. 510 p.
• Yablonsky G. S., Bykov V. I., Gorban A. N., Kinetic models of catalitic reactions, Novosibirsk: Nauka (Siberian Branch), 1983.- 255 p.

Fundația Wikimedia. 2010 .

• Dialectele galeze ale englezei
• Saw (serie de filme)

Vedeți care este „Viteza unei reacții chimice” în alte dicționare:

RATE DE REACȚIE CHIMĂ- conceptul de bază al cineticii chimice. Pentru reacțiile omogene simple, viteza unei reacții chimice se măsoară prin modificarea numărului de moli ai substanței reactionate (la un volum constant al sistemului) sau prin modificarea concentrației oricăreia dintre substanțele inițiale... Dicţionar enciclopedic mare

RATE DE REACȚIE CHIMĂ- conceptul de bază de chimie. cinetica, care exprimă raportul dintre cantitatea de substanță reacționată (în moli) și durata de timp în care a avut loc interacțiunea. Deoarece concentrațiile reactanților se modifică în timpul interacțiunii, viteza este de obicei... Marea Enciclopedie Politehnică

viteza de reactie chimica- o valoare care caracterizeaza intensitatea unei reactii chimice. Viteza de formare a unui produs de reacție este cantitatea acestui produs ca rezultat al unei reacții pe unitatea de timp pe unitatea de volum (dacă reacția este omogenă) sau pe ... ...

viteza de reactie chimica- conceptul de bază al cineticii chimice. Pentru reacțiile omogene simple, viteza unei reacții chimice este măsurată printr-o modificare a numărului de moli ai substanței reacționate (la un volum constant al sistemului) sau printr-o modificare a concentrației oricăreia dintre substanțele inițiale... Dicţionar enciclopedic

Viteza unei reacții chimice- o valoare care caracterizează intensitatea unei reacții chimice (vezi Reacții chimice). Viteza de formare a unui produs de reacție este cantitatea din acest produs rezultată din reacția pe unitatea de timp în unitate de volum (dacă ... ...

RATE DE REACȚIE CHIMĂ- principal conceptul de chimie. cinetica. Pentru reacții omogene simple S. x. R. măsurată printr-o modificare a numărului de moli de reacție în va (la un volum constant al sistemului) sau printr-o modificare a concentrației oricăruia dintre inițialii in sau produșii de reacție (dacă volumul sistemului ...

MECANISM DE REACȚIE CHIMICĂ- Pentru reacții complexe formate din mai multe. etape (reacții simple, sau elementare), mecanismul este un ansamblu de etape, în urma cărora cele inițiale în va sunt transformate în produse. Intermediarul din tine în aceste reacții poate acționa ca molecule, ...... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

Reacții de substituție nucleofilă- (în engleză nucleophilic substitution reaction) reacții de substituție în care atacul este efectuat de un reactiv nucleofil care poartă o pereche de electroni neîmpărtășită. Gruparea care pleacă în reacțiile de substituție nucleofilă se numește nucleofug. Toate... Wikipedia

Reacții chimice- transformarea unor substanţe în altele, diferite de originalul ca compoziţie sau structură chimică. Numărul total de atomi ai fiecărui element dat, precum și elementele chimice în sine care alcătuiesc substanțele, rămân în R. x. neschimbat; acest R. x... Marea Enciclopedie Sovietică

viteza de desen- viteza liniară a mișcării metalului la ieșirea din matriță, m/s. La mașinile de tragere moderne, viteza de tragere ajunge la 50-80 m/s. Cu toate acestea, chiar și în timpul tragerii sârmei, viteza, de regulă, nu depășește 30-40 m/s. La…… Dicţionar enciclopedic de metalurgie