Condiții care afectează viteza reacțiilor chimice. Conceptul vitezei unei reacții chimice

Principalele concepte studiate:

Viteza reacțiilor chimice

Concentrația molară

Cinetica

Reacții omogene și eterogene

Factori care afectează viteza reacțiilor chimice

Catalizator, inhibitor

Cataliză

Reacții reversibile și ireversibile

Echilibru chimic

Reacțiile chimice sunt reacții în urma cărora se obțin alte substanțe dintr-o substanță (din substanțele originale se formează substanțe noi). Unele reacții chimice au loc într-o fracțiune de secundă (explozie), în timp ce altele durează minute, zile, ani, decenii etc.

De exemplu: reacția de ardere a prafului de pușcă are loc instantaneu cu aprindere și explozie, iar reacția de întunecare a argintului sau ruginirea fierului (coroziune) are loc atât de lent, încât rezultatul său poate fi monitorizat doar după mult timp.

Pentru a caracteriza viteza unei reacții chimice, se folosește conceptul de viteză a reacției chimice - υ.

Viteza de reacție chimică este modificarea concentrației unuia dintre reactanții unei reacții pe unitatea de timp.

Formula pentru calcularea vitezei unei reacții chimice:

υ =	de la 2 - de la 1	=	∆s
t 2 – t 1	∆ t

c 1 – concentrația molară a substanței la momentul inițial t 1

c 2 – concentrația molară a substanței la momentul inițial t 2

deoarece viteza unei reacții chimice se caracterizează printr-o modificare a concentrației molare a reactanților (substanțe inițiale), atunci t 2 > t 1 și c 2 > c 1 (concentrația substanțelor inițiale scade pe măsură ce reacția continuă) .

Concentrația (e) molară– este cantitatea de substanță pe unitatea de volum. Unitatea de măsură pentru concentrația molară este [mol/l].

Ramura chimiei care studiază viteza reacțiilor chimice se numește cinetica chimică. Cunoscând legile sale, o persoană poate controla procesele chimice și le poate seta la o anumită viteză.

Când se calculează viteza unei reacții chimice, este necesar să ne amintim că reacțiile sunt împărțite în omogene și eterogene.

Reacții omogene– reacții care au loc în același mediu (adică reactanții sunt în aceeași stare de agregare; de exemplu: gaz + gaz, lichid + lichid).

Reacții eterogene– acestea sunt reacții care au loc între substanțe într-un mediu eterogen (există o interfață de fază, adică substanțele care reacţionează sunt în diferite stări de agregare; de exemplu: gaz + lichid, lichid + solid).

Formula de mai sus pentru calcularea vitezei unei reacții chimice este valabilă numai pentru reacții omogene. Dacă reacția este eterogenă, atunci ea poate avea loc numai la suprafața reactanților.

Pentru o reacție eterogenă, viteza se calculează folosind formula:

∆ν – modificarea cantității de substanță

S – zona de interfață

∆ t – perioada de timp în care a avut loc reacția

Viteza reacțiilor chimice depinde de diverși factori: natura reactanților, concentrația substanțelor, temperatură, catalizatori sau inhibitori.

Dependența vitezei de reacție de natura substanțelor care reacţionează.

Să analizăm această dependență a vitezei de reacție folosind un exemplu: să aruncăm granule metalice cu suprafață egală în două eprubete care conțin aceeași cantitate de soluție de acid clorhidric (HCl): o granulă de fier (Fe) în prima eprubetă și o granulă de magneziu (Mg) în a doua. Ca urmare a observațiilor, pe baza ratei de eliberare a hidrogenului (H2), se poate observa că magneziul reacţionează cu acidul clorhidric la cea mai mare viteză decât fierul.. Viteza acestei reacții chimice este influențată de natura metalului (adică magneziul este un metal mai reactiv decât fierul și, prin urmare, reacționează mai puternic cu acidul).

Dependența vitezei reacțiilor chimice de concentrația reactanților.

Cu cât este mai mare concentrația substanței (de pornire) în reacție, cu atât reacția se desfășoară mai repede. În schimb, cu cât concentrația reactantului este mai mică, cu atât reacția este mai lentă.

De exemplu: turnați o soluție concentrată de acid clorhidric (HCl) într-o eprubetă și o soluție diluată de acid clorhidric în cealaltă. Să punem o granulă de zinc (Zn) în ambele eprubete. Vom observa, după rata de degajare a hidrogenului, că reacția va decurge mai rapid în prima eprubetă, deoarece concentrația de acid clorhidric în acesta este mai mare decât în ​​a doua eprubetă.

Pentru a determina dependența vitezei unei reacții chimice, utilizați legea de acţiune a maselor (acţionante). : viteza unei reacţii chimice este direct proporţională cu produsul concentraţiilor substanţelor care reacţionează, luate în puteri care sunt egale cu coeficienţii acestora.

De exemplu, pentru o reacție care se desfășoară conform schemei: nA + mB → D, viteza unei reacții chimice este determinată de formula:

υ h.r. = k · C (A) n · C (B) m , Unde

υ x.r - viteza de reactie chimica

C (A) – A

C (B) – concentrația molară a unei substanțeÎN

n și m – coeficienții acestora

k – constanta de viteză a unei reacții chimice (valoarea de referință).

Legea acțiunii în masă nu se aplică substanțelor în stare solidă, deoarece concentratia lor este constanta (datorita faptului ca reactioneaza doar la suprafata, care ramane neschimbata).

De exemplu: pentru reacție 2 Cu + O 2 = 2 CuO viteza de reacție este determinată de formula:

υ h.r. = k C(O 2)

PROBLEMA: Constanta de viteză pentru reacția 2A + B = D este 0,005. se calculează viteza de reacție la concentrația molară a substanței A = 0,6 mol/l, a substanței B = 0,8 mol/l.

Dependența vitezei unei reacții chimice de temperatură.

Această dependență este determinată regula van't Hoff (1884): cu fiecare creștere de 10°C a temperaturii, viteza unei reacții chimice crește în medie de 2-4 ori.

Astfel, interacțiunea hidrogenului (H2) și oxigenului (O2) la temperatura camerei aproape că nu are loc, viteza acestei reacții chimice este atât de scăzută. Dar la o temperatură de 500 C o această reacție are loc în 50 de minute, iar la o temperatură de 700 C o are loc aproape instantaneu.

Formula pentru calcularea vitezei unei reacții chimice conform regulii Van't Hoff:

unde: υ t 1 și υ t 2 - viteze ale reacțiilor chimice la t 2 și t 1

γ este coeficientul de temperatură, care arată de câte ori crește viteza de reacție odată cu creșterea temperaturii cu 10 C o.

Modificarea vitezei de reacție:

2. Înlocuiți datele din enunțul problemei în formula:

Dependența vitezei de reacție de substanțe speciale - catalizatori și inhibitori.

Catalizator- o substanță care crește viteza unei reacții chimice, dar nu participă ea însăși la ea.

Inhibitor- o substanță care încetinește o reacție chimică, dar nu participă ea însăși la ea.

Exemplu: într-o eprubetă cu o soluție de peroxid de hidrogen 3% (H 2 O 2), care a fost încălzită, adăugați o așchie care mocnește - nu se va aprinde, deoarece viteza de reacție de descompunere a peroxidului de hidrogen în apă (H 2 O) și oxigen (O 2) este foarte scăzută, iar oxigenul rezultat nu este suficient pentru a realiza o reacție de înaltă calitate la oxigen (susține arderea). Acum să adăugăm puțină pulbere neagră de oxid de mangan (IV) (MnO 2) în eprubetă și să vedem că eliberarea rapidă a bulelor de gaz (oxigen) a început, iar așchia mocnitoare adusă în eprubetă se ardează puternic. MnO 2 este catalizatorul pentru această reacție; a accelerat viteza reacției, dar nu a participat la ea în sine (acest lucru poate fi dovedit cântărind catalizatorul înainte și după reacție - masa sa nu se va modifica).

La definirea conceptului viteza de reactie chimica este necesar să se facă distincția între reacțiile omogene și eterogene. Dacă o reacție are loc într-un sistem omogen, de exemplu, într-o soluție sau într-un amestec de gaze, atunci ea are loc în întregul volum al sistemului. Viteza de reacție omogenă este cantitatea de substanță care reacționează sau se formează ca urmare a unei reacții pe unitatea de timp pe unitatea de volum a sistemului. Deoarece raportul dintre numărul de moli ai unei substanțe și volumul în care este distribuită este concentrația molară a substanței, viteza unei reacții omogene poate fi, de asemenea, definită ca modificarea concentrației pe unitatea de timp a oricăreia dintre substanțe: reactivul inițial sau produsul de reacție. Pentru a vă asigura că rezultatul calculului este întotdeauna pozitiv, indiferent dacă se bazează pe un reactiv sau pe un produs, semnul „±” este utilizat în formulă:

În funcție de natura reacției, timpul poate fi exprimat nu numai în secunde, așa cum este cerut de sistemul SI, ci și în minute sau ore. În timpul reacției, mărimea vitezei sale nu este constantă, ci se modifică continuu: scade pe măsură ce concentrațiile substanțelor inițiale scad. Calculul de mai sus oferă valoarea medie a vitezei de reacție pe un anumit interval de timp Δτ = τ 2 – τ 1. Viteza adevărată (instantanee) este definită ca limita la care tinde raportul Δ CU/ Δτ la Δτ → 0, adică viteza adevărată este egală cu derivata concentrației în raport cu timpul.

Pentru o reacție a cărei ecuație conține coeficienți stoichiometrici care diferă de unitate, valorile ratei exprimate pentru diferite substanțe nu sunt aceleași. De exemplu, pentru reacția A + 3B = D + 2E, consumul de substanță A este de un mol, aportul de substanță B este de trei moli și aportul de substanță E este de doi moli. De aceea υ (A) = ⅓ υ (B) = υ (D) =½ υ (E) sau υ (E). = ⅔ υ (IN) .

Dacă are loc o reacție între substanțe situate în diferite faze ale unui sistem eterogen, atunci ea poate avea loc doar la interfața dintre aceste faze. De exemplu, interacțiunea dintre o soluție acidă și o bucată de metal are loc numai pe suprafața metalului. Viteza reacției eterogene este cantitatea de substanță care reacționează sau se formează ca rezultat al unei reacții pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață de interfață:

.

Dependența vitezei unei reacții chimice de concentrația reactanților este exprimată prin legea acțiunii masei: la o temperatură constantă, viteza unei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor molare ale substanțelor care reacţionează ridicate la puteri egale cu coeficienții din formulele acestor substanțe din ecuația reacției.. Apoi pentru reacție

2A + B → produse

raportul este valabil υ ~ · CU A 2 · CU B, iar pentru trecerea la egalitate se introduce un coeficient de proporționalitate k, numit constanta vitezei de reacție:

υ = k· CU A 2 · CU B = k·[A] 2 ·[B]

(concentrațiile molare în formule pot fi notate cu litera CU cu indicele corespunzător și formula substanței cuprinse între paranteze drepte). Sensul fizic al constantei vitezei de reacție este viteza de reacție la concentrații ale tuturor reactanților egale cu 1 mol/l. Dimensiunea constantei vitezei de reacție depinde de numărul de factori din partea dreaptă a ecuației și poate fi c –1 ; s –1 ·(l/mol); s –1 · (l 2 /mol 2), etc., adică astfel încât în ​​orice caz, în calcule, viteza de reacție să fie exprimată în mol · l –1 · s –1.

Pentru reacțiile eterogene, ecuația legii acțiunii masei include concentrațiile numai acelor substanțe care se află în fază gazoasă sau în soluție. Concentrația unei substanțe în faza solidă este o valoare constantă și este inclusă în constanta de viteză, de exemplu, pentru procesul de ardere a cărbunelui C + O 2 = CO 2, legea acțiunii masei se scrie:

υ = k eu·const··= k·,

Unde k= k eu const.

În sistemele în care una sau mai multe substanțe sunt gaze, viteza de reacție depinde și de presiune. De exemplu, atunci când hidrogenul interacționează cu vaporii de iod H 2 + I 2 = 2HI, viteza reacției chimice va fi determinată de expresia:

υ = k··.

Dacă creșteți presiunea, de exemplu, de 3 ori, atunci volumul ocupat de sistem va scădea cu aceeași cantitate și, în consecință, concentrațiile fiecăreia dintre substanțele care reacţionează vor crește cu aceeași cantitate. Viteza de reacție în acest caz va crește de 9 ori

Dependența vitezei de reacție de temperatură descris de regula lui van't Hoff: cu fiecare creștere de 10 grade a temperaturii, viteza de reacție crește de 2-4 ori. Aceasta înseamnă că, pe măsură ce temperatura crește într-o progresie aritmetică, viteza unei reacții chimice crește exponențial. Baza în formula de progresie este coeficientul de temperatură al vitezei de reacțieγ, care arată de câte ori crește viteza unei reacții date (sau, ceea ce este același lucru, constanta vitezei) cu o creștere a temperaturii cu 10 grade. Din punct de vedere matematic, regula lui Van't Hoff este exprimată prin formulele:

sau

unde și sunt ratele de reacție, respectiv, la inițială t 1 si finala t 2 temperaturi. Regula lui Van't Hoff poate fi exprimată și prin următoarele relații:

; ; ; ,

unde și sunt, respectiv, viteza și constanta de viteză a reacției la temperatură t; și – aceleași valori la temperatură t +10n; n– numărul de intervale de „zece grade” ( n =(t 2 –t 1)/10), prin care temperatura s-a modificat (poate fi un număr întreg sau fracționar, pozitiv sau negativ).

Exemple de rezolvare a problemelor

Exemplul 1. Cum se va schimba viteza reacției 2CO + O 2 = 2CO 2, care are loc într-un vas închis, dacă presiunea se dublează?

Soluţie:

Viteza acestei reacții chimice este determinată de expresia:

υ începe = k· [CO] 2 · [O 2 ].

O creștere a presiunii duce la o creștere de 2 ori a concentrației ambilor reactivi. Ținând cont de acest lucru, rescriem expresia legii acțiunii în masă:

υ 1 = k· 2 · = k·22[CO]2·2[O2] = 8 k·[CO]2 ·[O2] = 8 υ început

Răspuns: Viteza de reacție va crește de 8 ori.

Exemplul 2. Calculați de câte ori va crește viteza de reacție dacă temperatura sistemului crește de la 20 °C la 100 °C, luând valoarea coeficientului de temperatură al vitezei de reacție egală cu 3.

Soluţie:

Raportul vitezelor de reacție la două temperaturi diferite este legat de coeficientul de temperatură și modificarea temperaturii prin formula:

Calcul:

Răspuns: Viteza de reacție va crește de 6561 de ori.

Exemplul 3. La studierea reacției omogene A + 2B = 3D, s-a constatat că pe parcursul a 8 minute de reacție, cantitatea de substanță A din reactor a scăzut de la 5,6 moli la 4,4 moli. Volumul masei de reacție a fost de 56 l. Calculați viteza medie a unei reacții chimice pentru perioada de timp studiată pentru substanțele A, B și D.

Soluţie:

Folosim formula în conformitate cu definiția conceptului de „viteză medie a unei reacții chimice” și înlocuim valorile numerice, obținând rata medie pentru reactivul A:

Din ecuația reacției rezultă că, în comparație cu rata de pierdere a substanței A, rata de pierdere a substanței B este de două ori mai mare, iar rata de creștere a cantității de produs D este de trei ori mai mare. Prin urmare:

υ (A) = ½ υ (B) =⅓ υ (D)

și apoi υ (B) = 2 υ (A) = 2 2,68 10 –3 = 6,36 10 –3 mol l –1 min –1 ;

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

Răspuns: υ(A) =2,68.10 –3 mol.l–1 ·min–1; υ (B) = 6,36.10–3 mol.l–1 min–1; υ (D) = 8,04·10–3 mol·l–1 min–1.

Exemplul 4. Pentru a determina constanta de viteză a reacției omogene A + 2B → produse, s-au efectuat două experimente la concentrații diferite de substanță B și s-a măsurat viteza de reacție.

Una dintre domeniile chimiei fizice, cinetica chimică, studiază viteza unei reacții chimice și condițiile care afectează schimbarea acesteia. De asemenea, examinează mecanismele acestor reacții și validitatea lor termodinamică. Aceste studii sunt importante nu numai în scopuri științifice, ci și pentru monitorizarea interacțiunii componentelor din reactoare în timpul producției de tot felul de substanțe.

Conceptul de viteză în chimie

Viteza de reacție este de obicei numită o anumită modificare a concentrațiilor compușilor care au intrat în reacție (ΔC) pe unitatea de timp (Δt). Formula matematică pentru viteza unei reacții chimice este următoarea:

ᴠ = ±ΔC/Δt.

Viteza de reacție se măsoară în mol/l∙s dacă are loc pe întregul volum (adică reacția este omogenă) și în mol/m 2 ∙s dacă interacțiunea are loc pe suprafața care separă fazele (adică, reacția este eterogenă). Semnul „-” din formulă se referă la modificări ale concentrațiilor reactanților inițiali, iar semnul „+” se referă la schimbarea concentrațiilor produselor aceleiași reacții.

Exemple de reacții cu viteze diferite

Interacțiunile chimice pot avea loc la viteze diferite. Astfel, rata de creștere a stalactitelor, adică formarea carbonatului de calciu, este de numai 0,5 mm la 100 de ani. Unele reacții biochimice apar lent, cum ar fi fotosinteza și sinteza proteinelor. Coroziunea metalelor are loc într-un ritm destul de scăzut.

Viteza medie poate fi folosită pentru a descrie reacții care necesită una până la câteva ore. Un exemplu ar fi gatirea, care presupune descompunerea si transformarea compusilor continuti in alimente. Sinteza polimerilor individuali necesită încălzirea amestecului de reacție pentru un anumit timp.

Un exemplu de reacții chimice a căror viteză este destul de mare sunt reacțiile de neutralizare, interacțiunea bicarbonatului de sodiu cu o soluție de acid acetic, însoțită de eliberarea de dioxid de carbon. Se mai poate menționa și interacțiunea azotatului de bariu cu sulfatul de sodiu, în care se observă eliberarea unui precipitat de sulfat de bariu insolubil.

Un număr mare de reacții pot apărea cu viteza fulgerului și sunt însoțite de o explozie. Un exemplu clasic este interacțiunea potasiului cu apa.

Factorii care afectează viteza unei reacții chimice

Este de remarcat faptul că aceleași substanțe pot reacționa între ele la viteze diferite. De exemplu, un amestec de oxigen gazos și hidrogen poate să nu prezinte semne de interacțiune pentru o perioadă destul de lungă de timp, dar atunci când recipientul este scuturat sau lovit, reacția devine explozivă. Prin urmare, cinetica chimică identifică anumiți factori care au capacitatea de a influența viteza unei reacții chimice. Acestea includ:

• natura substanțelor care interacționează;
• concentrația de reactivi;
• schimbarea temperaturii;
• prezența unui catalizator;
• schimbarea presiunii (pentru substanțe gazoase);
• zona de contact a substanțelor (dacă vorbim de reacții eterogene).

Influența naturii substanței

O astfel de diferență semnificativă în ratele reacțiilor chimice se explică prin valori diferite ale energiei de activare (Ea). Este înțeles ca o anumită cantitate de energie în exces în comparație cu valoarea medie necesară unei molecule în timpul unei coliziuni pentru a avea loc o reacție. Se măsoară în kJ/mol și valorile sunt de obicei în intervalul 50-250.

Se acceptă în general că dacă E a = 150 kJ/mol pentru orice reacție, atunci la n. u. practic nu curge. Această energie este cheltuită pentru a depăși repulsia dintre moleculele de substanțe și pentru a slăbi legăturile din substanțele originale. Cu alte cuvinte, energia de activare caracterizează puterea legăturilor chimice din substanțe. Pe baza valorii energiei de activare, puteți estima preliminar viteza unei reacții chimice:

• E a< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
• 40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
• E a >120, doar o parte foarte mică din ciocnirile de particule vor duce la o reacție, iar viteza acesteia va fi scăzută.

Efectul concentrării

Dependența vitezei de reacție de concentrație este cel mai precis caracterizată de legea acțiunii masei (LMA), care spune:

Viteza unei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor substanțelor care reacţionează, ale căror valori sunt luate în puteri corespunzătoare coeficienţilor lor stoichiometrici.

Această lege este potrivită pentru reacții elementare într-o etapă sau pentru orice etapă a interacțiunii substanțelor caracterizate printr-un mecanism complex.

Dacă trebuie să determinați viteza unei reacții chimice, a cărei ecuație poate fi scrisă condiționat ca:

αA+ bB = ϲС, atunci

în conformitate cu formularea de mai sus a legii, viteza poate fi găsită folosind ecuația:

V=k·[A]a·[B]b, unde

a și b sunt coeficienți stoichiometrici,

[A] și [B] sunt concentrațiile compușilor de pornire,

k este constanta de viteză a reacției luate în considerare.

Semnificația coeficientului de viteză al unei reacții chimice este că valoarea sa va fi egală cu viteza dacă concentrațiile compușilor sunt egale cu unități. Trebuie remarcat faptul că pentru calcularea corectă folosind această formulă, merită să se țină cont de starea de agregare a reactivilor. Concentrația solidului este considerată unitate și nu este inclusă în ecuație deoarece rămâne constantă în timpul reacției. Astfel, în calculele conform ZDM sunt incluse doar concentrațiile de substanțe lichide și gazoase. Astfel, pentru reacția de producere a dioxidului de siliciu din substanțe simple, descrise de ecuație

Si (tv) + Ο 2(g) = SiΟ 2(tv) ,

viteza va fi determinată de formula:

Sarcina tipică

Cum s-ar schimba viteza reacției chimice a monoxidului de azot cu oxigenul dacă concentrațiile compușilor de pornire ar fi dublate?

Rezolvare: Acest proces corespunde ecuației reacției:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2.

Să notăm expresiile pentru viteza de reacție inițială (ᴠ 1) și finală (ᴠ 2):

ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ] și

ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ].

ᴠ 1 /ᴠ 2 = (k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ]) / (k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ]).

ᴠ 2 /ᴠ 1 = 4 2/1 = 8.

Răspuns: a crescut de 8 ori.

Efectul temperaturii

Dependența vitezei unei reacții chimice de temperatură a fost determinată experimental de omul de știință olandez J. H. Van't Hoff. El a descoperit că rata multor reacții crește de 2-4 ori cu fiecare creștere de 10 grade a temperaturii. Există o expresie matematică pentru această regulă care arată astfel:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10, unde

ᴠ 1 și ᴠ 2 - viteze corespunzătoare la temperaturile Τ 1 și Τ 2;

γ - coeficient de temperatură, egal cu 2-4.

În același timp, această regulă nu explică mecanismul influenței temperaturii asupra vitezei unei anumite reacții și nu descrie întregul set de modele. Este logic să concluzionam că odată cu creșterea temperaturii, mișcarea haotică a particulelor se intensifică și acest lucru provoacă un număr mai mare de ciocniri. Cu toate acestea, acest lucru nu afectează în mod special eficiența coliziunilor moleculare, deoarece depinde în principal de energia de activare. De asemenea, corespondența lor spațială între ele joacă un rol semnificativ în eficiența ciocnirilor de particule.

Dependența vitezei unei reacții chimice de temperatură, ținând cont de natura reactivilor, respectă ecuația Arrhenius:

k = A 0 e -Ea/RΤ, unde

A o este un multiplicator;

E a - energia de activare.

Un exemplu de problemă folosind legea lui Van't Hoff

Cum ar trebui modificată temperatura astfel încât viteza unei reacții chimice, al cărei coeficient de temperatură este numeric egal cu 3, să crească de 27 de ori?

Soluţie. Să folosim formula

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10.

Din condiția ᴠ 2 /ᴠ 1 = 27 și γ = 3. Trebuie să găsiți ΔΤ = Τ 2 -Τ 1.

Transformând formula originală obținem:

V2/V1 =y ΔΤ/10.

Inlocuim valorile: 27 = 3 ΔΤ/10.

Din aceasta este clar că ΔΤ/10 = 3 și ΔΤ = 30.

Răspuns: temperatura trebuie crescută cu 30 de grade.

Efectul catalizatorilor

În chimia fizică, viteza reacțiilor chimice este, de asemenea, studiată activ printr-o secțiune numită cataliză. El este interesat de cum și de ce cantități relativ mici de anumite substanțe cresc semnificativ rata de interacțiune a altora. Substanțele care pot accelera o reacție, dar nu sunt consumate în ea însele, se numesc catalizatori.

S-a dovedit că catalizatorii modifică mecanismul interacțiunii chimice în sine și contribuie la apariția unor noi stări de tranziție, care se caracterizează prin înălțimi mai mici ale barierei energetice. Adică, ajută la reducerea energiei de activare și, prin urmare, la creșterea numărului de impacturi efective ale particulelor. Un catalizator nu poate provoca o reacție imposibilă din punct de vedere energetic.

Astfel, peroxidul de hidrogen se poate descompune pentru a forma oxigen și apă:

N 2 Ο 2 = N 2 Ο + Ο 2.

Dar această reacție este foarte lentă și în trusele noastre de prim ajutor există neschimbată de destul de mult timp. Când deschideți doar sticle foarte vechi de peroxid, este posibil să observați un ușor zgomot cauzat de presiunea oxigenului pe pereții vasului. Adăugarea doar a câtorva boabe de oxid de magneziu va provoca eliberarea de gaz activ.

Aceeași reacție de descompunere a peroxidului, dar sub influența catalazei, are loc la tratarea rănilor. Organismele vii conțin multe substanțe diferite care cresc viteza reacțiilor biochimice. Ele sunt de obicei numite enzime.

Inhibitorii au efectul opus asupra cursului reacțiilor. Cu toate acestea, acesta nu este întotdeauna un lucru rău. Inhibitorii sunt utilizați pentru a proteja produsele metalice de coroziune, pentru a prelungi durata de valabilitate a alimentelor, de exemplu, pentru a preveni oxidarea grăsimilor.

Zona de contact cu substanța

În cazul în care interacțiunea are loc între compuși care au stări diferite de agregare, sau între substanțe care nu sunt capabile să formeze un mediu omogen (lichide nemiscibile), atunci acest factor afectează semnificativ și viteza reacției chimice. Acest lucru se datorează faptului că reacțiile eterogene au loc direct la interfața dintre fazele substanțelor care interacționează. Evident, cu cât această limită este mai largă, cu atât mai multe particule au posibilitatea de a se ciocni și cu atât reacția are loc mai rapid.

De exemplu, merge mult mai repede sub formă de chips-uri mici decât sub formă de buștean. În același scop, multe solide sunt măcinate într-o pulbere fină înainte de a fi adăugate la soluție. Astfel, creta sub formă de pudră (carbonat de calciu) acționează mai repede cu acidul clorhidric decât cu o bucată de aceeași masă. Cu toate acestea, pe lângă creșterea zonei, această tehnică duce și la o ruptură haotică a rețelei cristaline a substanței și, prin urmare, crește reactivitatea particulelor.

Din punct de vedere matematic, viteza unei reacții chimice eterogene se găsește ca modificarea cantității de substanță (Δν) care are loc pe unitate de timp (Δt) pe unitate de suprafață

(S): V = Δν/(S·Δt).

Efectul presiunii

O modificare a presiunii în sistem are efect numai atunci când gazele iau parte la reacție. O creștere a presiunii este însoțită de o creștere a moleculelor unei substanțe pe unitatea de volum, adică concentrația acesteia crește proporțional. În schimb, o scădere a presiunii duce la o scădere echivalentă a concentrației reactivului. În acest caz, formula corespunzătoare ZDM este potrivită pentru calcularea vitezei unei reacții chimice.

Sarcină. Cum va crește viteza reacției descrise de ecuație?

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2,

dacă volumul unui sistem închis este redus de trei ori (T=const)?

Soluţie. Pe măsură ce volumul scade, presiunea crește proporțional. Să notăm expresiile pentru vitezele de reacție inițiale (V 1) și finale (V 2):

V 1 = k 2 [Ο 2 ] și

V2 = k·(3·)2·3·[Ο2] = k·9[ΝΟ]2·3[Ο2].

Pentru a afla de câte ori noua viteză este mai mare decât cea inițială, ar trebui să separați părțile stânga și dreaptă ale expresiilor:

V 1 /V 2 = (k 9[ΝΟ] 2 3[Ο 2 ]) / (k [ΝΟ] 2 [Ο 2 ]).

Valorile concentrației și constantele vitezei sunt reduse, iar ceea ce rămâne este:

V 2 /V 1 = 9 3/1 = 27.

Răspuns: viteza a crescut de 27 de ori.

Pentru a rezuma, trebuie remarcat faptul că viteza de interacțiune a substanțelor, sau mai precis, cantitatea și calitatea ciocnirilor particulelor lor, este influențată de mulți factori. În primul rând, acestea sunt energia de activare și geometria moleculelor, care sunt aproape imposibil de corectat. În ceea ce privește condițiile rămase, pentru a crește viteza de reacție ar trebui:

• crește temperatura mediului de reacție;
• crește concentrația compușilor de pornire;
• crește presiunea în sistem sau reduce volumul acestuia dacă vorbim de gaze;
• aduce substanțe diferite într-o stare de agregare (de exemplu, prin dizolvarea lor în apă) sau crește aria de contact a acestora.

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

V = ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) = ± (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 inițială).

Reacțiile apar atunci când moleculele de substanțe care reacţionează se ciocnesc. Viteza sa este determinată de numărul de ciocniri și de probabilitatea ca acestea să ducă la 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 influențează viteza reacțiilor chimice.
1. Natura substanţelor care reacţionează. Natura legăturilor chimice și structura moleculelor de reactiv joacă un rol important. Reacțiile se desfășoară în direcția distrugerii legăturilor mai puțin puternice și a formării de substanțe cu legături mai puternice. Astfel, ruperea legăturilor din moleculele de H 2 și N 2 necesită energii mari; astfel de molecule sunt ușor reactive. Ruperea legăturilor în moleculele foarte polare (HCl, H 2 O) necesită mai puțină energie, iar viteza de reacție este mult mai mare. Reacțiile dintre ionii din soluțiile de electroliți apar aproape instantaneu.
Exemple
Fluorul reacționează exploziv cu hidrogenul la temperatura camerei; bromul reacționează lent cu hidrogenul când este încălzit.
Oxidul de calciu reacţionează puternic cu apa, eliberând căldură; oxid de cupru - nu reacționează.

2. Concentrarea. Odată cu creșterea concentrației (numărul de particule pe unitate de volum), ciocnirile moleculelor de substanțe care reacţionează apar mai des - viteza de reacție crește.
Legea acțiunii în masă (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 de 2-4 ori (regula lui van't Hoff). Pe măsură ce temperatura crește de la t 1 la t 2, modificarea vitezei de reacție poate fi calculată folosind 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 ducă la 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 cu creșterea temperaturii.

4. Suprafața de contact a substanțelor care reacţionează. 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 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, apariția proceselor chimice nedorite poate fi încetinită brusc prin adăugarea de inhibitori în mediul de reacție („fenomenul” cataliză negativă").

O reacție chimică este transformarea unei substanțe în alta.

Indiferent de tipul de reacții chimice, acestea sunt efectuate la viteze diferite. De exemplu, transformările geochimice în intestinele Pământului (formarea hidraților cristalini, hidroliza sărurilor, sinteza sau descompunerea mineralelor) au loc de mii, milioane de ani. Și reacții precum arderea prafului de pușcă, a hidrogenului, a salitrului și a sării berthollet apar în câteva fracțiuni de secunde.

Viteza unei reacții chimice se referă la modificarea cantităților de reactanți (sau produși de reacție) pe unitatea de timp. Conceptul cel mai des folosit viteza medie de reacție (Δc p) în intervalul de timp.

v av = ± ∆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 substanțelor care reacţionează, concentrația substanțelor care reacţionează, modificări ale temperaturii de reacţie, gradul de măcinare a substanţelor care reacţionează, modificări ale presiunii și introducerea unui catalizator. în mediul de reacție.

Natura reactanților afectează semnificativ viteza unei reacții chimice. Ca exemplu, luați în considerare interacțiunea unor metale cu o componentă permanentă - apa. Să definim metalele: Na, Ca, Al, Au. Sodiul reacționează cu apa la temperaturi obișnuite foarte violent, eliberând o cantitate mare de căldură.

2Na + 2H20 = 2NaOH + H2 + Q;

Calciul reacționează mai puțin puternic cu apa la temperaturi obișnuite:

Ca + 2H20 = Ca(OH)2 + H2 + Q;

Aluminiul reacţionează cu apa deja la temperaturi ridicate:

2Al + 6H20 = 2Al(OH)z + 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 depinde direct de concentrațiile reactanților . Deci, pentru reacție:

C2H4 + 3O2 = 2C02 + 2H20;

Expresia vitezei de reacție este:

v = k**[02]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 egale cu 1 g/mol; valorile [C 2 H 4 ] și [O 2 ] 3 corespund concentrațiilor substanțelor de reacție ridicate la puterea coeficienților lor stoichiometrici. Cu cât este mai mare concentrația de [C 2 H 4 ] sau [O ​​2 ], cu atât mai multe ciocniri ale moleculelor acestor substanțe pe unitatea de timp și, prin urmare, cu atât este mai mare viteza reacției chimice.

Viteza reacțiilor chimice, de regulă, este, de asemenea, direct dependentă la temperatura de reacție . În mod natural, odată cu creșterea temperaturii, energia cinetică a moleculelor crește, ceea ce duce, de asemenea, la ciocniri mai mari de molecule pe unitatea de timp. Numeroase experimente au arătat că la fiecare schimbare de 10 grade a temperaturii, viteza de reacție se modifică de 2-4 ori (regula van't Hoff):

unde VT2 este viteza de reacție chimică la T2; V ti este viteza de reacție chimică la T 1 ; g este coeficientul de temperatură al vitezei de reacție.

Influență gradul de măcinare a substanțelor viteza de reacție este, de asemenea, direct dependentă. Cu cât particulele substanțelor care reacţionează sunt mai fine, cu atât intră mai mult în contact unele cu altele pe unitatea de timp și 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.

Modificările de presiune 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 substanțelor care reacţionează vor crește, ciocnirea moleculelor acestora. pe unitatea de timp va crește, viteza de reacție va crește la V 2 (v 2 > v 1).

Catalizatori sunt substanțe care modifică viteza unei reacții chimice, dar rămân neschimbate după terminarea reacției chimice. Influența catalizatorilor asupra vitezei unei reacții se numește cataliză.Catalizatorii pot accelera atât un proces dinamic chimic, cât și îl pot încetini. Când substanțele care interacționează și catalizatorul sunt în aceeași stare de agregare, vorbim de cataliză omogenă, iar cu cataliza eterogenă, reactanții și catalizatorul sunt în stări diferite de agregare. Catalizatorul și reactivii formează un complex intermediar. De exemplu, pentru o reacție:

Catalizatorul (K) formează un complex cu A sau B - AK, VK, care eliberează K la interacțiunea cu o particulă liberă A sau B:

AK + B = AB + K

VK + A = VA + K;

site-ul web, atunci când copiați materialul integral sau parțial, este necesar un link către sursă.