Velocidad de reacción química

Velocidad de reacción química- cambio en la cantidad de una de las sustancias reaccionantes por unidad de tiempo en una unidad de espacio de reacción. Es un concepto clave en cinética química. La velocidad de una reacción química es siempre un valor positivo, por lo tanto, si está determinada por la sustancia de partida (cuya concentración disminuye durante la reacción), entonces el valor resultante se multiplica por −1.

Por ejemplo para la reacción:

la expresión de velocidad se verá así:

.

La velocidad de una reacción química en un momento dado es proporcional a las concentraciones de los reactivos elevadas a potencias iguales a sus coeficientes estequiométricos.

• Para reacciones elementales, el exponente de la concentración de cada sustancia suele ser igual a su coeficiente estequiométrico; para reacciones complejas, esta regla no se observa. Además de la concentración, los siguientes factores influyen en la velocidad de una reacción química:
• la naturaleza de los reactivos,
• la presencia de un catalizador,
• temperatura (regla de Van't Hoff),
• presión,

Área de superficie de sustancias que reaccionan. Si consideramos la reacción química más simple A + B → C, notaremos que instante

La velocidad de una reacción química no es constante.

• Literatura
• Kubasov A. A. Cinética química y catálisis.
• Prigogine I., Defey R. Termodinámica química. Novosibirsk: Nauka, 1966. 510 p.

Yablonsky G.S., Bykov V.I., Gorban A.N., Modelos cinéticos de reacciones catalíticas, Novosibirsk: Nauka (departamento sib.), 1983. - 255 p.

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2010. Vea qué es "Velocidad de una reacción química" en otros diccionarios:

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La velocidad de las reacciones químicas. Equilibrio químico

Plan:

1. El concepto de velocidad de una reacción química.

2. Factores que afectan la velocidad de una reacción química.

3. Equilibrio químico. Factores que influyen en el equilibrio de desplazamiento. El principio de Le Chatelier.

Las reacciones químicas ocurren a diferentes velocidades. Las reacciones ocurren muy rápidamente en soluciones acuosas. Por ejemplo, si se drenan soluciones de cloruro de bario y sulfato de sodio, inmediatamente precipita un precipitado blanco de sulfato de bario. El etileno decolora rápidamente, pero no instantáneamente, el agua con bromo. El óxido se forma lentamente en los objetos de hierro, aparece placa en los productos de cobre y bronce y el follaje se pudre.

La ciencia estudia la velocidad de una reacción química, además de identificar su dependencia de las condiciones del proceso. cinética química.

Si las reacciones ocurren en un medio homogéneo, por ejemplo, en una solución o en fase gaseosa, entonces la interacción de las sustancias que reaccionan ocurre en todo el volumen. Este tipo de reacciones se denominan homogéneo.

Si se produce una reacción entre sustancias en diferentes estados de agregación (por ejemplo, entre un sólido y un gas o líquido) o entre sustancias que no son capaces de formar un medio homogéneo (por ejemplo, entre dos líquidos inmiscibles), entonces tiene lugar sólo en la superficie de contacto de las sustancias. Este tipo de reacciones se denominan heterogéneo.

υ de una reacción homogénea está determinada por el cambio en la cantidad de sustancia por unidad por unidad de volumen:

υ =Δn / Δt ∙V

donde Δ n es el cambio en el número de moles de una de las sustancias (más a menudo la original, pero también puede ser un producto de reacción), (mol);

V – volumen de gas o solución (l)

Dado que Δ n / V = ​​​​ΔC (cambio de concentración), entonces

υ =Δ C / Δt (mol/l∙ s)

υ de una reacción heterogénea está determinada por el cambio en la cantidad de sustancia por unidad de tiempo en una unidad de superficie de contacto de sustancias.

υ =Δn / Δt ∙ S

donde Δ n – cambio en la cantidad de sustancia (reactivo o producto), (mol);

Δt – intervalo de tiempo (s, min);

S – superficie de contacto de sustancias (cm 2, m 2)

¿Por qué las velocidades de diferentes reacciones no son las mismas?

Para que comience una reacción química, las moléculas de las sustancias que reaccionan deben chocar. Pero no todas las colisiones resultan en una reacción química. Para que una colisión dé lugar a una reacción química, las moléculas deben tener una energía suficientemente alta. Las partículas que pueden sufrir una reacción química al chocar se llaman activo. Tienen un exceso de energía en comparación con la energía promedio de la mayoría de las partículas: energía de activación. E acto. Hay muchas menos partículas activas en una sustancia que con energía promedio, por lo que para que comiencen muchas reacciones, se debe proporcionar algo de energía al sistema (un destello de luz, calentamiento, choque mecánico).

Barrera energética (valor mi acto) es diferente para diferentes reacciones, cuanto más bajo es, más fácil y rápida avanza la reacción.

2. Factores que influyen en υ(número de colisiones de partículas y su eficiencia).

1) Naturaleza de los reactivos: su composición, estructura => energía de activación

▪ cuanto menos mi acto, mayor υ;

Si mi acto < 40 кДж/моль, то это значит, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к их взаимодействию, и скорость такой реакции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, т.к. в этих реакциях участвуют разноименнозаряженные частицы, и энергия активации в этих случаях ничтожно мала.

Si mi acto> 120 kJ/mol, esto significa que sólo una pequeña fracción de las colisiones entre partículas que interactúan conducen a una reacción. La tasa de tales reacciones es muy baja. Por ejemplo, oxidación del hierro o

Es casi imposible notar la aparición de una reacción de síntesis de amoníaco a temperaturas normales.

Si mi acto tienen valores intermedios (40 – 120 kJ/mol), entonces la velocidad de tales reacciones será promedio. Tales reacciones incluyen la interacción del sodio con agua o etanol, la decoloración del agua con bromo con etileno, etc.

2) Temperatura: en t por cada 10 0 C, υ 2-4 veces (regla de van't Hoff).

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

En t, el número de partículas activas (s mi acto) y sus colisiones activas.

Tarea 1. La velocidad de una determinada reacción a 0 0 C es igual a 1 mol/l ∙ h, el coeficiente de temperatura de la reacción es 3. ¿Cuál será la velocidad de esta reacción a 30 0 C?

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

υ 2 =1∙3 30-0/10 = 3 3 =27 mol/l∙h

3) Concentración: cuanto más, más a menudo ocurren colisiones y υ. A temperatura constante para la reacción mA + nB = C según la ley de acción de masas:

υ = k ∙ C UN metro ∙ C B norte

donde k es la constante de velocidad;

C – concentración (mol/l)

Ley de acción de masas:

La velocidad de una reacción química es proporcional al producto de las concentraciones de las sustancias que reaccionan, tomadas en potencias iguales a sus coeficientes en la ecuación de reacción.

Z.d.m. no tiene en cuenta la concentración de sustancias reaccionantes en estado sólido, porque Reaccionan en las superficies y sus concentraciones suelen permanecer constantes.

Tarea 2. La reacción procede de acuerdo con la ecuación A + 2B → C. ¿Cuántas veces y cómo cambiará la velocidad de reacción cuando la concentración de la sustancia B aumente 3 veces?

Solución:υ = k ∙ C A m ∙ C B n

υ = k ∙ C A ∙ C B 2

υ 1 = k ∙ una ∙ segundo 2

υ 2 = k ∙ una ∙ 3 en 2

υ 1 / υ 2 = a ∙ en 2 / a ∙ 9 en 2 = 1/9

Respuesta: aumentará 9 veces

Para sustancias gaseosas, la velocidad de reacción depende de la presión.

Cuanto mayor sea la presión, mayor será la velocidad.

4) catalizadores– sustancias que cambian el mecanismo de reacción, reducen mi acto => υ .

▪ Los catalizadores permanecen sin cambios una vez completada la reacción.

▪ Las enzimas son catalizadores biológicos, proteínas por naturaleza.

▪ Inhibidores – sustancias que ↓ υ

5) Para reacciones heterogéneas, υ también depende:

▪ sobre el estado de la superficie de contacto de las sustancias reaccionantes.

Compárese: se vertieron volúmenes iguales de solución de ácido sulfúrico en 2 tubos de ensayo y al mismo tiempo se dejó caer un clavo de hierro en uno y limaduras de hierro en el otro. La molienda de un sólido conduce a un aumento en el número de moléculas que pueden reaccionar simultáneamente. . Por tanto, en el segundo tubo de ensayo la velocidad de reacción será mayor que en el primero.

En la vida nos encontramos con diferentes reacciones químicas. Algunos de ellos, como la oxidación del hierro, pueden durar varios años. Otros, como fermentar el azúcar hasta convertirlo en alcohol, tardan varias semanas. La leña en una estufa se quema en un par de horas y la gasolina en un motor se quema en una fracción de segundo.

Para reducir los costos de equipos, las plantas químicas aumentan la velocidad de las reacciones. Y es necesario frenar algunos procesos, por ejemplo el deterioro de los alimentos y la corrosión de los metales.

Velocidad de reacción química se puede expresar como cambio en la cantidad de materia (n, módulo) por unidad de tiempo (t): compare la velocidad de un cuerpo en movimiento en física como un cambio en las coordenadas por unidad de tiempo: υ = Δx/Δt. Para que la velocidad no dependa del volumen del recipiente en el que tiene lugar la reacción, dividimos la expresión por el volumen de las sustancias reaccionantes (v), es decir, obtenemos cambio en la cantidad de una sustancia por unidad de tiempo por unidad de volumen, o cambio en la concentración de una de las sustancias por unidad de tiempo:

norte 2 − norte 1 Δnorte
υ = –––––––––– = –––––––– = Δс/Δt (1)
(t 2 − t 1) v Δt v

donde c = n / v es la concentración de la sustancia,

Δ (léase “delta”) es una designación generalmente aceptada para un cambio de valor.

Si las sustancias tienen coeficientes diferentes en la ecuación, la velocidad de reacción para cada una de ellas calculada mediante esta fórmula será diferente. Por ejemplo, 2 moles de dióxido de azufre reaccionaron completamente con 1 mol de oxígeno en 10 segundos en 1 litro:

2SO2 + O2 = 2SO3

La tasa de oxígeno será: υ = 1: (10 1) = 0,1 mol/l s

Velocidad para el dióxido de azufre: υ = 2: (10 1) = 0,2 mol/l s- No es necesario memorizar esto y decirlo durante el examen, se da el ejemplo para no confundirse si surge esta pregunta.

La velocidad de reacciones heterogéneas (que involucran sólidos) a menudo se expresa por unidad de área de superficies en contacto:

Δn
υ = –––––– (2)
ΔtS

Las reacciones se llaman heterogéneas cuando los reactivos se encuentran en diferentes fases:

• un sólido con otro sólido, líquido o gas,
• dos líquidos inmiscibles
• líquido con gas.

Se producen reacciones homogéneas entre sustancias en una fase:

• entre líquidos bien mezclados,
• gases,
• sustancias en soluciones.

Condiciones que afectan la velocidad de las reacciones químicas.

1) La velocidad de reacción depende de naturaleza de los reactivos. En pocas palabras, diferentes sustancias reaccionan a diferentes velocidades. Por ejemplo, el zinc reacciona violentamente con el ácido clorhídrico, mientras que el hierro reacciona con bastante lentitud.

2) Cuanto mayor sea la velocidad de reacción, más rápida concentración sustancias. El zinc reaccionará mucho más tiempo con un ácido muy diluido.

3) La velocidad de reacción aumenta significativamente al aumentar temperatura. Por ejemplo, para que el combustible se queme, es necesario encenderlo, es decir, se debe aumentar la temperatura. Para muchas reacciones, un aumento de temperatura de 10°C va acompañado de un aumento de velocidad de 2 a 4 veces.

4) Velocidad heterogéneo reacciones aumentan al aumentar superficies de sustancias reaccionantes. Para ello, normalmente se muelen los sólidos. Por ejemplo, para que los polvos de hierro y azufre reaccionen cuando se calientan, el hierro debe estar en forma de aserrín fino.

¡Tenga en cuenta que en este caso la fórmula (1) está implícita! La fórmula (2) expresa la velocidad por unidad de área, por lo tanto no puede depender del área.

5) La velocidad de reacción depende de la presencia de catalizadores o inhibidores.

catalizadores- sustancias que aceleran reacciones quimicas, pero ellos mismos no se consumen. Un ejemplo es la rápida descomposición del peróxido de hidrógeno con la adición de un catalizador: el óxido de manganeso (IV):

2H2O2 = 2H2O + O2

El óxido de manganeso (IV) permanece en el fondo y puede reutilizarse.

Inhibidores- sustancias que ralentizan la reacción. Por ejemplo, se añaden inhibidores de corrosión a un sistema de calentamiento de agua para prolongar la vida útil de tuberías y radiadores. En los automóviles, se añaden inhibidores de corrosión al líquido de frenos y al líquido refrigerante.

Algunos ejemplos más.

Velocidad de reacción química- cambio en la cantidad de una de las sustancias reaccionantes por unidad de tiempo en una unidad de espacio de reacción.

La velocidad de una reacción química está influenciada por los siguientes factores:

• la naturaleza de las sustancias que reaccionan;
• concentración de reactivos;
• superficie de contacto de sustancias que reaccionan (en reacciones heterogéneas);
• temperatura;
• acción de los catalizadores.

Teoría de la colisión activa nos permite explicar la influencia de ciertos factores en la velocidad de una reacción química. Las principales disposiciones de esta teoría:

• Las reacciones ocurren cuando chocan partículas de reactivos que tienen cierta energía.
• Cuantas más partículas reactivas haya, cuanto más cerca estén unas de otras, más probabilidades habrá de que choquen y reaccionen.
• Sólo las colisiones efectivas provocan una reacción, es decir aquellos en los que las “viejas conexiones” se destruyen o debilitan y por tanto se pueden formar “nuevas”. Para ello, las partículas deben tener suficiente energía.
• El exceso de energía mínimo requerido para una colisión efectiva de partículas reactivas se llama energía de activación Ea.
• Actividad quimicos se manifiesta en la baja energía de activación de las reacciones que los involucran. Cuanto menor sea la energía de activación, mayor será la velocidad de reacción. Por ejemplo, en las reacciones entre cationes y aniones, la energía de activación es muy baja, por lo que dichas reacciones ocurren casi instantáneamente.

La influencia de la concentración de reactivos en la velocidad de reacción.

A medida que aumenta la concentración de reactivos, aumenta la velocidad de reacción. Para que se produzca una reacción, dos partículas químicas deben unirse, por lo que la velocidad de la reacción depende del número de colisiones entre ellas. Un aumento en el número de partículas en un volumen determinado conduce a colisiones más frecuentes y a un aumento en la velocidad de reacción.

Un aumento en la velocidad de reacción que ocurre en la fase gaseosa resultará de un aumento de presión o una disminución del volumen ocupado por la mezcla.

Basado en datos experimentales en 1867, los científicos noruegos K. Guldberg y P. Waage, e independientemente de ellos en 1865, el científico ruso N.I. Beketov formuló la ley básica de la cinética química, estableciendo dependencia de la velocidad de reacción de las concentraciones de los reactivos -

Ley de acción de masas (LMA):

La velocidad de una reacción química es proporcional al producto de las concentraciones de las sustancias que reaccionan, tomadas en potencias iguales a sus coeficientes en la ecuación de reacción. (“masa efectiva” es sinónimo del concepto moderno de “concentración”)

aa +bB =cС +dD, Dónde k– constante de velocidad de reacción

ZDM se realiza solo para reacciones químicas elementales que ocurren en una etapa. Si una reacción transcurre secuencialmente a través de varias etapas, entonces la velocidad total de todo el proceso está determinada por su parte más lenta.

Expresiones para las velocidades de varios tipos de reacciones.

ZDM se refiere a reacciones homogéneas. Si la reacción es heterogénea (los reactivos se encuentran en diferentes estados de agregación), entonces la ecuación ZDM incluye solo reactivos líquidos o gaseosos, y se excluyen los sólidos, lo que afecta solo la constante de velocidad k.

Molecularidad de la reacción. es el número mínimo de moléculas involucradas en un proceso químico elemental. Según la molecularidad, las reacciones químicas elementales se dividen en moleculares (A →) y bimoleculares (A + B →); Las reacciones trimoleculares son extremadamente raras.

Tasa de reacciones heterogéneas.

• Depende de superficie de contacto entre sustancias, es decir. sobre el grado de molienda de sustancias y la integridad de la mezcla de reactivos.
• Un ejemplo es la quema de leña. Un tronco entero arde relativamente lentamente en el aire. Si aumenta la superficie de contacto entre la madera y el aire, dividiendo el tronco en astillas, aumentará la velocidad de combustión.
• Se vierte hierro pirofórico sobre una hoja de papel de filtro. Durante la caída, las partículas de hierro se calientan y prenden fuego al papel.

Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción.

En el siglo XIX, el científico holandés Van't Hoff descubrió experimentalmente que con un aumento de temperatura de 10 o C, la velocidad de muchas reacciones aumenta de 2 a 4 veces.

La regla de Van't Hoff

Por cada aumento de temperatura de 10 ◦ C, la velocidad de reacción aumenta de 2 a 4 veces.

Aquí γ (letra griega "gamma"), el llamado coeficiente de temperatura o coeficiente de Van't Hoff, toma valores de 2 a 4.

Para cada reacción específica, el coeficiente de temperatura se determina experimentalmente. Muestra exactamente cuántas veces aumenta la velocidad de una reacción química determinada (y su constante de velocidad) con cada aumento de 10 grados en la temperatura.

La regla de Van't Hoff se utiliza para aproximar el cambio en la constante de velocidad de reacción al aumentar o disminuir la temperatura. El químico sueco Svante Arrhenius estableció una relación más precisa entre la constante de velocidad y la temperatura:

Cómo más E una reacción específica, entonces menos(a una temperatura dada) será la constante de velocidad k (y la velocidad) de esta reacción. Un aumento de T conduce a un aumento de la constante de velocidad, esto se explica por el hecho de que un aumento de temperatura conduce a un rápido aumento en el número de moléculas "energéticas" capaces de superar la barrera de activación Ea.

Efecto del catalizador sobre la velocidad de reacción.

Puede cambiar la velocidad de una reacción utilizando sustancias especiales que cambian el mecanismo de reacción y la dirigen por un camino energéticamente más favorable con una energía de activación más baja.

catalizadores- Son sustancias que participan en una reacción química y aumentan su velocidad, pero al final de la reacción permanecen sin cambios cualitativa y cuantitativamente.

Inhibidores– sustancias que ralentizan las reacciones químicas.

Cambiar la velocidad de una reacción química o su dirección utilizando un catalizador se llama catálisis .

Velocidad de reacción está determinado por un cambio en la concentración molar de uno de los reactivos:

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

Donde C 1 y C 2 son concentraciones molares de sustancias en los tiempos t 1 y t 2, respectivamente (signo (+) - si la velocidad está determinada por el producto de reacción, signo (-) - por la sustancia de partida).

Las reacciones ocurren cuando las moléculas de sustancias que reaccionan chocan. Su velocidad está determinada por el número de colisiones y la probabilidad de que conduzcan a una transformación. El número de colisiones está determinado por las concentraciones de las sustancias que reaccionan y la probabilidad de una reacción está determinada por la energía de las moléculas que chocan.
Factores que influyen en la velocidad de las reacciones químicas.
1. La naturaleza de las sustancias reaccionantes. La naturaleza de los enlaces químicos y la estructura de las moléculas de los reactivos juegan un papel importante. Las reacciones proceden en la dirección de la destrucción de enlaces menos fuertes y la formación de sustancias con enlaces más fuertes. Por tanto, romper enlaces en las moléculas de H 2 y N 2 requiere altas energías; tales moléculas son ligeramente reactivas. Romper enlaces en moléculas altamente polares (HCl, H 2 O) requiere menos energía y la velocidad de reacción es mucho mayor. Las reacciones entre iones en soluciones de electrolitos ocurren casi instantáneamente.
Ejemplos
El flúor reacciona explosivamente con el hidrógeno a temperatura ambiente, el bromo reacciona lentamente con el hidrógeno cuando se calienta.
El óxido de calcio reacciona vigorosamente con el agua, liberando calor; Óxido de cobre: ​​no reacciona.

2. Concentración. A medida que aumenta la concentración (el número de partículas por unidad de volumen), las colisiones de moléculas de sustancias que reaccionan ocurren con mayor frecuencia: la velocidad de reacción aumenta.
Ley de acción de masas (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
La velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos.

AA+bB+. . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

La constante de velocidad de reacción k depende de la naturaleza de los reactivos, la temperatura y el catalizador, pero no depende de las concentraciones de los reactivos.
El significado físico de la constante de velocidad es que es igual a la velocidad de reacción en concentraciones unitarias de los reactivos.
Para reacciones heterogéneas, la concentración de la fase sólida no se incluye en la expresión de la velocidad de reacción.

3. Temperatura. Por cada aumento de 10°C en la temperatura, la velocidad de reacción aumenta de 2 a 4 veces (regla de Van't Hoff). A medida que la temperatura aumenta de t 1 a t 2, el cambio en la velocidad de reacción se puede calcular mediante la fórmula:

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

(donde Vt 2 y Vt 1 son las velocidades de reacción a temperaturas t 2 y t 1, respectivamente; g es el coeficiente de temperatura de esta reacción).
La regla de Van't Hoff sólo es aplicable en un rango de temperatura estrecho. Más precisa es la ecuación de Arrhenius:

• e-Ea/RT

Dónde
A es una constante que depende de la naturaleza de los reactivos;
R es la constante universal de los gases;

Ea es la energía de activación, es decir la energía que deben tener las moléculas en colisión para que la colisión conduzca a una transformación química.
Diagrama de energía de una reacción química.

Reacción exotérmica	Reacción endotérmica

A - reactivos, B - complejo activado (estado de transición), C - productos.
Cuanto mayor es la energía de activación Ea, más aumenta la velocidad de reacción al aumentar la temperatura.

4. Superficie de contacto de sustancias reaccionantes. Para sistemas heterogéneos (cuando las sustancias se encuentran en diferentes estados de agregación), cuanto mayor es la superficie de contacto, más rápida se produce la reacción. La superficie de los sólidos se puede aumentar triturándolos y de las sustancias solubles disolviéndolas.

5. Catálisis. Las sustancias que participan en las reacciones y aumentan su velocidad, permaneciendo sin cambios al final de la reacción, se denominan catalizadores. El mecanismo de acción de los catalizadores está asociado con una disminución de la energía de activación de la reacción debido a la formación de compuestos intermedios. En catálisis homogénea los reactivos y el catalizador constituyen una fase (están en el mismo estado de agregación), con catálisis heterogénea- diferentes fases (se encuentran en diferentes estados de agregación). En algunos casos, la aparición de procesos químicos indeseables se puede ralentizar drásticamente añadiendo inhibidores al medio de reacción (el fenómeno " catálisis negativa").