Od czego zależy szybkość reakcji chemicznych? Szybkość reakcji, jej zależność od różnych czynników

Pojęcie „prędkości” spotykane jest w literaturze dość często. Z fizyki wiadomo, że im większą odległość przebywa ciało materialne (człowiek, pociąg, statek kosmiczny) w określonym przedziale czasu, tym większa jest prędkość tego ciała.

Jak zmierzyć prędkość reakcji chemicznej, która „nie prowadzi donikąd” i nie przebiega na żadnej odległości? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz dowiedzieć się, co Zawsze zmiany w każdy reakcja chemiczna? Ponieważ każda reakcja chemiczna jest procesem zmiany substancji, pierwotna substancja w niej znika, zamieniając się w produkty reakcji. Zatem podczas reakcji chemicznej ilość substancji zawsze się zmienia, liczba cząstek substancji wyjściowych maleje, a zatem jej stężenie (C).

Zadanie z ujednoliconego egzaminu państwowego. Szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do zmiany:

1. stężenie substancji na jednostkę czasu;
2. ilość substancji na jednostkę objętości;
3. masa substancji na jednostkę objętości;
4. objętość substancji podczas reakcji.

Teraz porównaj swoją odpowiedź z poprawną:

szybkość reakcji chemicznej jest równa zmianie stężenia reagenta w jednostce czasu

Gdzie C 1 I Od 0- stężenia reagentów odpowiednio końcowe i początkowe; t 1 I t 2- czas trwania doświadczenia, odpowiednio okres końcowy i początkowy.

Pytanie. Jak myślisz, która wartość jest większa: C 1 Lub Od 0? t 1 Lub t 0?

Ponieważ reagenty są zawsze zużywane w danej reakcji

Zatem stosunek tych wielkości jest zawsze ujemny, a prędkość nie może być wielkością ujemną. Dlatego we wzorze pojawia się znak minus, który jednocześnie wskazuje, że prędkość każdy reakcje w czasie (w stałych warunkach) są zawsze maleje.

Zatem szybkość reakcji chemicznej wynosi:

Powstaje pytanie: w jakich jednostkach należy mierzyć stężenie reagentów (C) i dlaczego? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musisz zrozumieć, jaki jest warunek główny aby nie zaszła żadna reakcja chemiczna.

Aby cząstki mogły zareagować, muszą przynajmniej zderzyć się. Dlatego im większa liczba cząstek* (liczba moli) na jednostkę objętości, tym częściej się zderzają, tym większe jest prawdopodobieństwo reakcji chemicznej.

* Przeczytaj, czym jest „kret” w lekcji 29.1.

Dlatego przy pomiarze szybkości procesów chemicznych używają stężenie molowe substancje w mieszaninach reakcyjnych.

Stężenie molowe substancji pokazuje, ile jej moli znajduje się w 1 litrze roztworu

Zatem im większe stężenie molowe reagujących substancji, tym więcej cząstek znajduje się na jednostkę objętości, tym częściej się zderzają i tym większa (przy założeniu, że wszystkie inne czynniki są równe) szybkość reakcji chemicznej. Dlatego podstawowe prawo kinetyki chemicznej (jest to nauka o szybkości reakcji chemicznych) brzmi prawo akcji masowej.

Szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów.

Dla reakcji typu A + B →... matematycznie prawo to można wyrazić następująco:

Jeśli reakcja jest bardziej złożona, na przykład 2A + B → lub, co jest takie samo, A + A + B → ..., to

W ten sposób w równaniu prędkości pojawił się wykładnik « dwa» , co odpowiada współczynnikowi 2 w równaniu reakcji. W przypadku bardziej złożonych równań zwykle nie stosuje się dużych wykładników. Wynika to z faktu, że prawdopodobieństwo jednoczesnego zderzenia, powiedzmy, trzech cząsteczek A i dwóch cząsteczek B jest niezwykle małe. Dlatego wiele reakcji zachodzi w kilku etapach, podczas których zderzają się nie więcej niż trzy cząstki, a każdy etap procesu przebiega z określoną prędkością. Prędkość tę i równanie prędkości kinetycznej dla niej wyznacza się eksperymentalnie.

Powyższe równania szybkości reakcji chemicznej (3) lub (4) obowiązują tylko dla jednorodny reakcje, tj. dla takich reakcji, w których reagujące substancje nie są oddzielone powierzchnią. Na przykład reakcja zachodzi w roztworze wodnym, a oba reagenty są dobrze rozpuszczalne w wodzie lub dowolnej mieszaninie gazów.

To inna sprawa, kiedy to nastąpi heterogeniczny reakcja. W tym przypadku istnieje interfejs między reagującymi substancjami, na przykład dwutlenkiem węgla gaz reaguje z wodą rozwiązanie alkalia. W tym przypadku każda cząsteczka gazu ma równie duże szanse na reakcję, ponieważ cząsteczki te poruszają się szybko i chaotycznie. A co z cząsteczkami ciekłego roztworu? Cząstki te poruszają się niezwykle wolno, a cząstki zasadowe znajdujące się „na dnie” praktycznie nie mają szans na reakcję z dwutlenkiem węgla, chyba że roztwór będzie stale mieszany. Zareagują tylko te cząsteczki, które „leżą na powierzchni”. Więc dla heterogeniczny reakcje -

szybkość reakcji zależy od wielkości powierzchni styku, która zwiększa się w miarę szlifowania.

Dlatego bardzo często reagujące substancje są rozdrabniane (np. rozpuszczane w wodzie), żywność jest dokładnie przeżuwana, a podczas gotowania - mielona, ​​przepuszczana przez maszynę do mięsa itp. Nierozdrobniony produkt spożywczy praktycznie nie jest strawny!

Tak więc przy maksymalnej prędkości (przy innych czynnikach równych) zachodzą reakcje jednorodne w roztworach i między gazami (jeśli gazy te reagują w warunkach otoczenia), ponadto w roztworach, w których cząsteczki znajdują się „obok siebie”, a mielenie przebiega tak samo podobnie jak w przypadku gazów (a nawet więcej!), szybkość reakcji jest większa.

Zadanie z ujednoliconego egzaminu państwowego. Która reakcja zachodzi najszybciej w temperaturze pokojowej:

1. węgiel z tlenem;
2. żelazo z kwasem solnym;
3. żelazo roztworem kwasu octowego
4. roztwory alkaliów i kwasu siarkowego.

W takim przypadku musisz ustalić, który proces jest jednorodny.

Należy zauważyć, że szybkość reakcji chemicznej między gazami lub reakcji heterogenicznej, w której uczestniczy gaz, zależy również od ciśnienia, ponieważ wraz ze wzrostem ciśnienia gazy ulegają sprężaniu i wzrasta stężenie cząstek (patrz wzór 2). Zmiany ciśnienia nie wpływają na szybkość reakcji, w których nie biorą udziału gazy.

Zadanie z ujednoliconego egzaminu państwowego. Nie ma to wpływu na szybkość reakcji chemicznej pomiędzy roztworem kwasu i żelazem

1. stężenie kwasu;
2. szlifowanie żelaza;
3. temperatura reakcji;
4. wzrost ciśnienia.

Wreszcie szybkość reakcji zależy również od reaktywności substancji. Na przykład, jeśli tlen reaguje z substancją, to przy niezmienionych innych czynnikach szybkość reakcji będzie większa niż w przypadku interakcji tej samej substancji z azotem. Faktem jest, że reaktywność tlenu jest zauważalnie wyższa niż reaktywność azotu. Przyczynie tego zjawiska przyjrzymy się w dalszej części tutoriala (lekcja 14).

Zadanie z ujednoliconego egzaminu państwowego. Reakcja chemiczna między kwasem solnym a

1. miedź;
2. żelazo;
3. magnez;
4. cynk

Należy zaznaczyć, że nie każde zderzenie cząsteczek prowadzi do ich interakcji chemicznej (reakcji chemicznej). W mieszaninie gazów wodoru i tlenu w normalnych warunkach dochodzi do kilku miliardów zderzeń na sekundę. Jednak pierwsze oznaki reakcji (kropelki wody) pojawią się w kolbie dopiero po kilku latach. W takich przypadkach mówią, że reakcja praktycznie nie działa. Ale ona możliwy bo inaczej jak wytłumaczyć fakt, że po podgrzaniu tej mieszaniny do 300°C kolba szybko zaparowuje, a już przy temperaturze 700°C następuje straszliwa eksplozja! Nie bez powodu mieszaninę wodoru i tlenu nazywa się „gazem wybuchowym”.

Pytanie. Jak myślisz, dlaczego szybkość reakcji wzrasta tak gwałtownie po podgrzaniu?

Szybkość reakcji wzrasta, ponieważ po pierwsze wzrasta liczba zderzeń cząstek, a po drugie liczba zderzeń aktywny kolizje. To aktywne zderzenia cząstek prowadzą do ich interakcji. Aby doszło do takiego zderzenia, cząstki muszą posiadać określoną ilość energii.

Energię, jaką cząstki muszą posiadać, aby zaszła reakcja chemiczna, nazywamy energią aktywacji.

Energia ta jest zużywana na pokonanie sił odpychania pomiędzy zewnętrznymi elektronami atomów i cząsteczek oraz na zniszczenie „starych” wiązań chemicznych.

Powstaje pytanie: jak zwiększyć energię reagujących cząstek? Odpowiedź jest prosta - zwiększ temperaturę, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury wzrasta prędkość ruchu cząstek, a co za tym idzie, ich energia kinetyczna.

Reguła van't Hoff*:

Przy wzroście temperatury o każde 10 stopni szybkość reakcji wzrasta 2–4 ​​razy.

VANT-HOFF Jacob Hendrik(30.08.1852–03.01.1911) – holenderski chemik. Jeden z twórców chemii fizycznej i stereochemii. Nagroda Nobla w dziedzinie chemii nr 1 (1901).

Należy zaznaczyć, że zasada ta (nie prawo!) została ustalona eksperymentalnie dla reakcji „wygodnych” do pomiaru, czyli takich, które nie przebiegają ani za szybko, ani za wolno i w temperaturach dostępnych eksperymentatorowi (nie za wysoka i niezbyt niska).

Pytanie. Jak myślisz, jak najszybciej ugotować ziemniaki: ugotować je czy usmażyć na warstwie oleju?

Aby właściwie zrozumieć znaczenie opisywanych zjawisk, można porównać reagujące cząsteczki z grupą uczniów, którzy zaraz podskoczą wysoko. Jeśli zostanie im wyznaczona bariera o wysokości 1 m, uczniowie będą musieli podbiec (zwiększyć swoją „temperaturę”), aby pokonać barierę. Niemniej jednak zawsze znajdą się studenci („nieaktywne cząsteczki”), którzy nie będą w stanie pokonać tej bariery.

Co robić? Jeśli będziesz trzymać się zasady: „Mądry nie wejdzie na górę, mądry ją ominie”, to wystarczy obniżyć barierę, powiedzmy, do 40 cm. Wtedy każdy uczeń będzie w stanie ją pokonać bariera. Na poziomie molekularnym oznacza to: aby zwiększyć szybkość reakcji, należy w danym układzie zmniejszyć energię aktywacji.

W rzeczywistych procesach chemicznych funkcję tę pełni katalizator.

Katalizator jest substancją, która podczas pozostawania zmienia szybkość reakcji chemicznej niezmienione pod koniec reakcji chemicznej.

Katalizator uczestniczy w reakcji chemicznej, oddziałującej z jedną lub większą liczbą substancji wyjściowych. W tym przypadku powstają związki pośrednie i zmienia się energia aktywacji. Jeśli półprodukt jest bardziej aktywny (aktywny kompleks), wówczas energia aktywacji maleje, a szybkość reakcji wzrasta.

Na przykład reakcja pomiędzy SO2 i O2 zachodzi bardzo powoli w normalnych warunkach praktycznie nie działa. Jednak w obecności NO szybkość reakcji gwałtownie wzrasta. Pierwsze NIE bardzo szybko reaguje z O2:

powstały dwutlenek azotu szybko reaguje z tlenkiem siarki (IV):

Zadanie 5.1. Na tym przykładzie wskaż, która substancja jest katalizatorem, a która kompleksem aktywnym.

I odwrotnie, jeśli powstanie więcej związków pasywnych, energia aktywacji może wzrosnąć tak bardzo, że w tych warunkach reakcja praktycznie nie zajdzie. Takie katalizatory nazywane są inhibitory.

W praktyce stosuje się oba typy katalizatorów. Tak specjalne katalizatory organiczne - enzymy- uczestniczyć w absolutnie wszystkich procesach biochemicznych: trawieniu pokarmu, skurczach mięśni, oddychaniu. Życie nie może istnieć bez enzymów!

Inhibitory są niezbędne do ochrony wyrobów metalowych przed korozją, a żywności zawierającej tłuszcz przed utlenianiem (jełczeniem). Niektóre leki zawierają również inhibitory, które hamują funkcje życiowe mikroorganizmów, a tym samym je niszczą.

Kataliza może być jednorodna lub niejednorodna. Przykładem katalizy jednorodnej jest wpływ NO (jest to katalizator) na utlenianie dwutlenku siarki. Przykładem katalizy heterogenicznej jest działanie podgrzanej miedzi na alkohol:

Reakcja ta przebiega w dwóch etapach:

Zadanie 5.2. Określ, która substancja jest w tym przypadku katalizatorem? Dlaczego ten typ katalizy nazywany jest heterogenicznym?

W praktyce najczęściej stosuje się katalizę heterogeniczną, gdzie jako katalizatory pełnią substancje stałe: metale, ich tlenki itp. Na powierzchni tych substancji znajdują się specjalne punkty (węzły sieci krystalicznej), w których faktycznie zachodzi reakcja katalityczna. Jeśli te punkty zostaną pokryte obcymi substancjami, kataliza zatrzymuje się. Substancja ta, szkodliwa dla katalizatora, nazywa się trucizna katalityczna. Inne substancje - promotorzy- wręcz przeciwnie, wzmagają aktywność katalityczną.

Katalizator może zmienić kierunek reakcji chemicznej, czyli zmieniając katalizator, można otrzymać różne produkty reakcji. Zatem z alkoholu C2H5OH w obecności tlenków cynku i glinu można otrzymać butadien, a w obecności stężonego kwasu siarkowego można otrzymać etylen.

Zatem podczas reakcji chemicznej zmienia się energia układu. Jeśli podczas reakcji uwalniana jest energia w postaci ciepła Q, proces ten nazywa się egzotermiczny:

Dla endo procesy termiczne ciepło jest pochłaniane, czyli efekt termiczny Q< 0 .

Zadanie 5.3. Określ, który z proponowanych procesów jest egzotermiczny, a który endotermiczny:

Równanie reakcji chemicznej, w której efekt termiczny, nazywa się termochemicznym równaniem reakcji. Aby utworzyć takie równanie, należy obliczyć efekt cieplny na 1 mol reagenta.

Zadanie. Podczas spalania 6 g magnezu wydziela się 153,5 kJ ciepła. Zapisz równanie termochemiczne tej reakcji.

Rozwiązanie. Stwórzmy równanie reakcji i wskażmy POWYŻEJ podanych wzorów:

Po uzupełnieniu proporcji znajdujemy pożądany efekt termiczny reakcji:

Równanie termochemiczne tej reakcji to:

Takie zadania są podane w zadaniach większość Ujednolicone opcje egzaminu państwowego! Na przykład.

Zadanie z ujednoliconego egzaminu państwowego. Zgodnie z równaniem reakcji termochemicznej

ilość ciepła wydzielonego podczas spalania 8 g metanu jest równa:

Odwracalność procesów chemicznych. Zasada Le Chateliera

* LE CHATELIER Henri Louis(8.10.1850–17.09.1936) – francuski fizykochemik i metalurg. Sformułował ogólne prawo przemieszczenia równowagi (1884).

Reakcje mogą być odwracalne lub nieodwracalne.

Nieodwracalny Są to reakcje, dla których nie ma warunków, w których możliwy byłby proces odwrotny.

Przykładem takich reakcji są reakcje, które pojawiają się, gdy mleko się kwasi, lub gdy przypala się pyszny kotlet. Tak jak nie da się przepuścić mięsa mielonego przez maszynkę do mięsa (i dostać z powrotem kawałek mięsa), tak też nie da się „ożywić” kotleta, ani doprawić mleka świeżym.

Zadajmy sobie jednak proste pytanie: czy jest to proces nieodwracalny?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, spróbujmy sobie przypomnieć, czy można przeprowadzić proces odwrotny? Tak! Na skalę przemysłową stosuje się rozkład wapienia (kredy) w celu uzyskania wapna palonego CaO:

Zatem reakcja jest odwracalna, ponieważ istnieją warunki, w których Zarówno proces:

Co więcej, istnieją warunki, pod którymi prędkość reakcji w przód jest równa szybkości reakcji odwrotnej.

W tych warunkach ustala się równowaga chemiczna. W tym momencie reakcja nie zatrzymuje się, ale liczba otrzymanych cząstek jest równa liczbie cząstek rozłożonych. Dlatego w stanie równowagi chemicznej stężenia reagujących cząstek nie zmieniają się. Na przykład dla naszego procesu w momencie równowagi chemicznej

znak oznacza stężenie równowagowe.

Powstaje pytanie, co stanie się z równowagą, jeśli temperatura wzrośnie lub obniży się lub zmienią się inne warunki? Na to pytanie można odpowiedzieć wiedząc Zasada Le Chateliera:

jeśli zmienisz warunki (t, p, c), w których układ znajduje się w stanie równowagi, wówczas równowaga przesunie się w stronę procesu, który opiera się zmianom.

Innymi słowy, system równowagi zawsze opiera się wszelkim wpływom z zewnątrz, tak jak kapryśne dziecko, które postępuje „odwrotnie”, opiera się woli swoich rodziców.

Spójrzmy na przykład. Niech ustali się równowaga w reakcji wytwarzającej amoniak:

Pytania. Czy liczba moli reagujących gazów jest taka sama przed i po reakcji? Jeżeli reakcja zachodzi w zamkniętej objętości, kiedy ciśnienie jest większe: przed czy po reakcji?

Jest oczywiste, że proces ten zachodzi wraz ze spadkiem liczby cząsteczek gazu, co oznacza ciśnienie maleje podczas reakcji bezpośredniej. W odwracać reakcje - wręcz przeciwnie, ciśnienie w mieszaninie wzrasta.

Zadajmy sobie pytanie, co się stanie, jeśli w tym systemie zwiększyć ciśnienie? Zgodnie z zasadą Le Chateliera będzie zachodziła reakcja, która „zadziała odwrotnie”, tj. obniża ciśnienie. Jest to reakcja bezpośrednia: mniej cząsteczek gazu – mniejsze ciśnienie.

Więc, Na zwiększyć ciśnienia równowaga przesuwa się w stronę procesu bezpośredniego, gdzie ciśnienie spada, w miarę zmniejszania się liczby cząsteczek gazy

Zadanie z ujednoliconego egzaminu państwowego. Na zwiększyć zmiany równowagi ciśnienia Prawidłowy w systemie:

Jeśli w wyniku reakcji liczba cząsteczek gazy nie ulegają zmianie, to zmiana ciśnienia nie wpływa na położenie równowagi.

Zadanie z ujednoliconego egzaminu państwowego. Zmiana ciśnienia wpływa na zmianę równowagi w układzie:

Położenie równowagi tej i każdej innej reakcji zależy od stężenia reagujących substancji: zwiększając stężenie substancji wyjściowych i zmniejszając stężenie substancji powstałych, zawsze przesuwamy równowagę w stronę reakcji bezpośredniej (w prawo).

Zadanie z ujednoliconego egzaminu państwowego.

przesunie się w lewo, gdy:

1. podwyższone ciśnienie krwi;
2. spadek temperatury;
3. zwiększenie stężenia CO;
4. zmniejszenie stężenia CO.

Proces syntezy amoniaku jest egzotermiczny, to znaczy towarzyszy mu wydzielanie ciepła wzrost temperatury w mieszance.

Pytanie. Jak zmieni się równowaga w tym układzie, kiedy spadek temperatury?

Argumentując podobnie, my tak robimy wniosek: podczas zmniejszania temperatura, równowaga przesunie się w kierunku tworzenia amoniaku, ponieważ w tej reakcji uwalniane jest ciepło i temperatura wzrasta.

Pytanie. Jak zmienia się szybkość reakcji chemicznej wraz ze spadkiem temperatury?

Oczywiście wraz ze spadkiem temperatury szybkość obu reakcji gwałtownie spadnie, co oznacza, że ​​​​na ustalenie pożądanej równowagi trzeba będzie bardzo długo czekać. Co robić? W tym przypadku jest to konieczne katalizator. Chociaż on nie wpływa na położenie równowagi, ale przyspiesza początek tego stanu.

Zadanie z ujednoliconego egzaminu państwowego. Równowaga chemiczna w układzie

przesuwa się w kierunku tworzenia produktu reakcji, gdy:

1. podwyższone ciśnienie krwi;
2. wzrost temperatury;
3. spadek ciśnienia;
4. zastosowanie katalizatora.

Wnioski

Szybkość reakcji chemicznej zależy od:

• charakter reagujących cząstek;
• stężenie lub obszar rozdziału faz reagentów;
• temperatura;
• obecność katalizatora.

Równowaga zachodzi, gdy szybkość reakcji w przód jest równa szybkości procesu odwrotnego. W tym przypadku równowagowe stężenie reagentów nie ulega zmianie. Stan równowagi chemicznej zależy od warunków i jest zgodny z zasadą Le Chateliera.

Reakcje chemiczne zachodzą z różną szybkością: przy małej prędkości podczas tworzenia stalaktytów i stalagmitów, przy średniej prędkości podczas gotowania żywności, natychmiast podczas eksplozji. W roztworach wodnych reakcje zachodzą bardzo szybko.

Określenie szybkości reakcji chemicznej, a także wyjaśnienie jej zależności od warunków procesu, to zadanie kinetyki chemicznej - nauki o wzorcach reakcji chemicznych w czasie.

Jeżeli reakcje chemiczne zachodzą w ośrodku jednorodnym, np. w roztworze lub w fazie gazowej, wówczas oddziaływanie reagujących substancji zachodzi w całej objętości. Takie reakcje nazywane są jednorodny.

(v homog) definiuje się jako zmianę ilości substancji w jednostce czasu na jednostkę objętości:

gdzie Δn jest zmianą liczby moli jednej substancji (najczęściej substancji pierwotnej, ale może to być również produkt reakcji); Δt - przedział czasu (s, min); V to objętość gazu lub roztworu (l).

Ponieważ stosunek ilości substancji do objętości oznacza stężenie molowe C, wówczas

Zatem szybkość reakcji jednorodnej definiuje się jako zmianę stężenia jednej z substancji w jednostce czasu:

jeśli głośność systemu nie ulegnie zmianie.

Jeżeli reakcja zachodzi pomiędzy substancjami w różnych stanach skupienia (np. pomiędzy ciałem stałym a gazem lub cieczą) lub pomiędzy substancjami, które nie są w stanie utworzyć jednorodnego ośrodka (np. pomiędzy niemieszającymi się cieczami), to zachodzi ona tylko na powierzchni styku substancji. Takie reakcje nazywane są heterogeniczny.

Definiowana jako zmiana ilości substancji w jednostce czasu na jednostkowej powierzchni.

gdzie S jest powierzchnią kontaktu substancji (m 2, cm 2).

Zmiana ilości substancji, od której zależy szybkość reakcji, jest czynnikiem zewnętrznym obserwowanym przez badacza. Tak naprawdę wszystkie procesy realizowane są na poziomie mikro. Oczywiście, aby niektóre cząstki mogły zareagować, muszą najpierw się zderzyć, i to zderzają się skutecznie: nie rozproszyć się jak kule w różnych kierunkach, ale w taki sposób, aby „stare wiązania” zostały zniszczone lub osłabione w cząstkach, a „nowe” mogły formę.” i do tego cząstki muszą mieć wystarczającą energię.

Z obliczonych danych wynika, że ​​np. w gazach zderzenia cząsteczek pod ciśnieniem atmosferycznym wynoszą miliardy na sekundę, czyli wszystkie reakcje powinny zachodzić natychmiast. Ale to nieprawda. Okazuje się, że tylko bardzo mała część cząsteczek posiada energię niezbędną do doprowadzenia do skutecznych zderzeń.

Minimalna nadwyżka energii, jaką musi posiadać cząstka (lub para cząstek), aby doszło do skutecznego zderzenia, nazywa się energia aktywacji Ech.

Zatem na drodze wszystkich cząstek wchodzących do reakcji znajduje się bariera energetyczna równa energii aktywacji E a. Kiedy jest mały, istnieje wiele cząstek, które mogą go pokonać, a szybkość reakcji jest wysoka. W przeciwnym razie wymagane jest „pchnięcie”. Przynosząc zapałkę, aby zapalić lampę alkoholową, przekazujesz dodatkową energię E a niezbędną do skutecznego zderzenia cząsteczek alkoholu z cząsteczkami tlenu (pokonania bariery).

Szybkość reakcji chemicznej zależy od wielu czynników. Do najważniejszych z nich należą: charakter i stężenie reagujących substancji, ciśnienie (w reakcjach z udziałem gazów), temperatura, działanie katalizatorów oraz powierzchnia reagujących substancji w przypadku reakcji heterogenicznych.

Temperatura

Wraz ze wzrostem temperatury w większości przypadków szybkość reakcji chemicznej znacznie wzrasta. W XIX wieku Holenderski chemik J. X. van't Hoff sformułował regułę:

Wzrost temperatury o każde 10°C powoduje wzrost temperaturyszybkość reakcji 2-4 razy(wartość ta nazywana jest współczynnikiem temperaturowym reakcji).

Wraz ze wzrostem temperatury średnia prędkość cząsteczek, ich energia i liczba zderzeń nieznacznie wzrastają, ale gwałtownie wzrasta odsetek „aktywnych” cząsteczek uczestniczących w skutecznych zderzeniach, które pokonują barierę energetyczną reakcji. Matematycznie zależność tę wyraża zależność:

gdzie v t 1 i v t 2 to odpowiednio szybkości reakcji w końcowej temperaturze t 2 i początkowej temperaturze t 1, a γ to współczynnik temperaturowy szybkości reakcji, który pokazuje, ile razy szybkość reakcji wzrasta przy każdym wzroście o 10 °C w temperaturze.

Jednakże, aby zwiększyć szybkość reakcji, nie zawsze można zastosować podwyższenie temperatury, ponieważ substancje wyjściowe mogą zacząć się rozkładać, rozpuszczalniki lub same substancje mogą odparować itp.

Reakcje endotermiczne i egzotermiczne

Wiadomo, że reakcji metanu z tlenem atmosferycznym towarzyszy wydzielanie dużej ilości ciepła. Dlatego jest używany w życiu codziennym do gotowania, podgrzewania wody i podgrzewania. Gaz ziemny dostarczany do domów rurami składa się w 98% z metanu. Reakcji tlenku wapnia (CaO) z wodą towarzyszy także wydzielenie dużej ilości ciepła.

O czym mogą świadczyć te fakty? Kiedy w produktach reakcji tworzą się nowe wiązania chemiczne, więcej energii niż jest potrzebna do rozerwania wiązań chemicznych w odczynnikach. Nadmiar energii jest uwalniany w postaci ciepła, a czasami światła.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (energia (światło, ciepło));

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (energia (ciepło)).

Takie reakcje powinny zachodzić łatwo (jak kamień łatwo toczy się w dół).

Reakcje, w których uwalniana jest energia, nazywane są reakcjami EGZOTERMICZNY(od łacińskiego „exo” - na zewnątrz).

Na przykład wiele reakcji redoks ma charakter egzotermiczny. Jedną z tych pięknych reakcji jest wewnątrzcząsteczkowa redukcja utleniania zachodząca wewnątrz tej samej soli – dichromianu amonu (NH 4) 2 Cr 2 O 7:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O + Q (energia).

Kolejna rzecz to reakcja. Są one analogiczne do wtaczania kamienia pod górę. Nadal nie udało się uzyskać metanu z CO 2 i wody, a uzyskanie wapna palonego CaO z wodorotlenku wapnia Ca(OH) 2 wymaga silnego ogrzewania. Reakcja ta zachodzi tylko przy stałym przepływie energii z zewnątrz:

Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (energia (ciepło))

Sugeruje to, że rozerwanie wiązań chemicznych w Ca(OH) 2 wymaga więcej energii, niż może zostać uwolnione podczas tworzenia nowych wiązań chemicznych w cząsteczkach CaO i H 2 O.

Reakcje, w których absorbowana jest energia, nazywane są reakcjami ENDARMALNY(od „endo” - do wewnątrz).

Stężenie reagentów

Zmiana ciśnienia, gdy w reakcji biorą udział substancje gazowe, prowadzi również do zmiany stężenia tych substancji.

Aby doszło do interakcji chemicznych pomiędzy cząsteczkami, muszą one skutecznie zderzyć się. Im wyższe stężenie reagentów, tym więcej zderzeń i tym samym większa szybkość reakcji.

Na przykład acetylen spala się bardzo szybko w czystym tlenie. W tym przypadku powstaje temperatura wystarczająca do stopienia metalu. Na podstawie dużej ilości materiału doświadczalnego Norwegowie K. Guldenberg i P. Waage w 1867 r. oraz niezależnie od nich w 1865 r. rosyjski naukowiec N.I. Beketow sformułowali podstawowe prawo kinetyki chemicznej, ustalając zależność szybkości reakcji od stężenia substancji reagujących.

Szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do iloczynu stężeń reagujących substancji, przyjętych w potęgach równych ich współczynnikom w równaniu reakcji. To prawo jest również nazywane

prawo akcji masowej.

Dla reakcji A + B = D prawo to zostanie wyrażone w następujący sposób:

Dla reakcji 2A + B = D prawo to zostanie wyrażone w następujący sposób:

Tutaj C A, C B to stężenia substancji A i B (mol/l); k 1 i k 2 to współczynniki proporcjonalności, zwane stałymi szybkości reakcji.

Fizyczne znaczenie stałej szybkości reakcji nie jest trudne do ustalenia - jest ona liczbowo równa szybkości reakcji, w której stężenia reagentów wynoszą 1 mol/l lub ich iloczyn jest równy jedności. W tym przypadku jasne jest, że stała szybkości reakcji zależy tylko od temperatury i nie zależy od stężenia substancji. Prawo akcji masowej nie uwzględnia stężenia reagentów w stanie stałym

, ponieważ reagują z powierzchniami, a ich stężenia są zwykle stałe.

Na przykład dla reakcji spalania węgla wyrażenie szybkości reakcji należy zapisać w następujący sposób:

tj. szybkość reakcji jest proporcjonalna tylko do stężenia tlenu.

Jeżeli równanie reakcji opisuje jedynie całkowitą reakcję chemiczną przebiegającą w kilku etapach, to szybkość takiej reakcji może w sposób złożony zależeć od stężeń substancji wyjściowych. Zależność tę wyznacza się eksperymentalnie lub teoretycznie na podstawie zaproponowanego mechanizmu reakcji.

Można zwiększyć szybkość reakcji stosując specjalne substancje, które zmieniają mechanizm reakcji i kierują ją energetycznie korzystniejszą drogą przy niższej energii aktywacji. Nazywa się je katalizatorami (od łacińskiego kataliza – zniszczenie).

Katalizator pełni rolę doświadczonego przewodnika, prowadząc grupę turystów nie przez wysoką przełęcz w górach (pokonanie jej wymaga wiele wysiłku i czasu i nie jest dostępne dla każdego), ale po znanych mu ścieżkach obejściowych, po których górę można pokonać znacznie łatwiej i szybciej.

Co prawda, korzystając z okrężnej trasy, nie można dotrzeć dokładnie tam, gdzie prowadzi główna przełęcz. Ale czasami jest to dokładnie to, czego potrzeba! Właśnie tak działają katalizatory zwane selektywnymi. Oczywiste jest, że nie ma potrzeby spalania amoniaku i azotu, ale tlenek azotu (II) wykorzystuje się do produkcji kwasu azotowego.

Katalizatory- są to substancje, które biorą udział w reakcji chemicznej i zmieniają jej prędkość lub kierunek, ale po zakończeniu reakcji pozostają niezmienione ilościowo i jakościowo.

Zmiana szybkości reakcji chemicznej lub jej kierunku za pomocą katalizatora nazywa się katalizą. Katalizatory znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu i transporcie (katalizatory przekształcające tlenki azotu ze spalin samochodowych w nieszkodliwy azot).

Istnieją dwa rodzaje katalizy.

Kataliza homogeniczna, w którym zarówno katalizator, jak i reagenty znajdują się w tym samym stanie skupienia (fazie).

Kataliza heterogeniczna, w którym katalizator i reagenty znajdują się w różnych fazach. Na przykład rozkład nadtlenku wodoru w obecności stałego katalizatora w postaci tlenku manganu (IV):

Sam katalizator nie ulega zużyciu w wyniku reakcji, lecz jeśli na jego powierzchni zaadsorbowane zostaną inne substancje (nazywa się je truciznami katalitycznymi), wówczas powierzchnia staje się niesprawna i konieczna jest regeneracja katalizatora. Dlatego przed przeprowadzeniem reakcji katalitycznej materiały wyjściowe są dokładnie oczyszczane.

Na przykład przy produkcji kwasu siarkowego metodą kontaktową stosuje się katalizator stały - tlenek wanadu (V) V 2 O 5:

Do produkcji metanolu wykorzystuje się stały katalizator „cynkowo-chromowy” (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

Katalizatory biologiczne – enzymy – działają bardzo skutecznie. Z natury chemicznej są to białka. Dzięki nim w organizmach żywych w niskich temperaturach z dużą szybkością zachodzą złożone reakcje chemiczne.

Znane są inne ciekawe substancje - inhibitory (od łac. inhibere - opóźniać). Reagują z cząsteczkami aktywnymi z dużą szybkością, tworząc związki o niskiej aktywności. W rezultacie reakcja gwałtownie zwalnia, a następnie zatrzymuje się. Inhibitory są często specjalnie dodawane do różnych substancji, aby zapobiec niepożądanym procesom.

Na przykład roztwory nadtlenku wodoru stabilizuje się za pomocą inhibitorów.

Charakter reagujących substancji (ich skład, struktura)

Oznaczający energie aktywacji jest czynnikiem, poprzez który wpływa charakter reagujących substancji na szybkość reakcji.

Jeśli energia aktywacji jest niska (< 40 кДж/моль), то это означает, 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, ибо в этих ре­акциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.

Jeśli energia aktywacji jest wysoka(> 120 kJ/mol), oznacza to, że tylko niewielki ułamek zderzeń pomiędzy oddziałującymi cząstkami prowadzi do reakcji. Szybkość takiej reakcji jest zatem bardzo mała. Na przykład postęp reakcji syntezy amoniaku w zwykłych temperaturach jest prawie niemożliwy do zauważenia.

Jeżeli energie aktywacji reakcji chemicznych mają wartości pośrednie (40120 kJ/mol), wówczas szybkości takich reakcji będą średnie. Takie reakcje obejmują oddziaływanie sodu z wodą lub alkoholem etylowym, odbarwianie wody bromowej z etylenem, oddziaływanie cynku z kwasem solnym itp.

Powierzchnia kontaktu substancji reagujących

Szybkość reakcji zachodzących na powierzchni substancji, czyli heterogenicznych, zależy, przy innych czynnikach, od właściwości tej powierzchni. Wiadomo, że sproszkowana kreda rozpuszcza się w kwasie solnym znacznie szybciej niż kawałek kredy o tej samej masie.

Wzrost szybkości reakcji wynika przede wszystkim z zwiększenie powierzchni kontaktu substancji wyjściowych, a także wiele innych przyczyn, na przykład naruszenie struktury „prawidłowej” sieci krystalicznej. Prowadzi to do tego, że cząstki na powierzchni powstałych mikrokryształów są znacznie bardziej reaktywne niż te same cząstki na „gładkiej” powierzchni.

W przemyśle do przeprowadzania reakcji heterogenicznych stosuje się „złoże fluidalne” w celu zwiększenia powierzchni kontaktu substancji reagujących, dostarczenia substancji wyjściowych i usunięcia produktów. Na przykład przy produkcji kwasu siarkowego piryty wypala się w „złożu fluidalnym”.

Materiał referencyjny do przystąpienia do testu:

Układ okresowy

Tabela rozpuszczalności

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

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

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej

Następujące czynniki mogą mieć wpływ na szybkość wystąpienia reakcji chemicznej:

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

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

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

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

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

υ = k ∙С ZA ∙С B,

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

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

Charakter odczynników

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

Powierzchnia kontaktu odczynników

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

Temperatura reakcji

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

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

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

Wzór matematyczny opisujący regułę van't Hoffa jest następujący:

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

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

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

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

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

Działanie katalizatora

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

Ciśnienie

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

Eksperymentalne wyznaczanie szybkości reakcji chemicznej

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

• chemiczny,
• fizykochemiczne.

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

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

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

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

Reakcje chemiczne zachodzą z różną szybkością. Niektóre z nich są realizowane w ciągu małych ułamków sekundy, inne w ciągu minut, godzin, dni; znane są reakcje, których wystąpienie wymaga kilku lat. Ponadto ta sama reakcja może przebiegać szybko w pewnych warunkach, na przykład w podwyższonych temperaturach, a wolno w innych, na przykład po ochłodzeniu; Co więcej, różnica w szybkości tej samej reakcji może być bardzo duża.

Rozważając szybkość reakcji chemicznej, należy rozróżnić reakcje zachodzące w układzie jednorodnym (reakcje jednorodne) i reakcje zachodzące w układzie heterogenicznym (reakcje heterogeniczne).

DEFINICJA

System w chemii zwyczajowo nazywa się daną substancję lub zbiór substancji. W tym przypadku system zostaje skontrastowany ze środowiskiem zewnętrznym – substancjami otaczającymi system.

Istnieją systemy jednorodne i heterogeniczne. Jednorodny nazywa się układ składający się z jednej fazy heterogeniczny- układ składający się z kilku faz. Faza jest częścią systemu oddzieloną od innych części interfejsem, podczas przejścia, przez który następuje gwałtowna zmiana właściwości.

Przykładem układu jednorodnego jest dowolna mieszanina gazów (wszystkie gazy pod niezbyt wysokim ciśnieniem rozpuszczają się w sobie bez ograniczeń) lub roztwór kilku substancji w jednym rozpuszczalniku.

Przykładami układów heterogenicznych są układy: woda z lodem, roztwór nasycony z osadem, węgiel i siarka w atmosferze powietrza.

Jeżeli reakcja zachodzi w układzie jednorodnym, to zachodzi w całej objętości tego układu. Jeżeli pomiędzy substancjami tworzącymi układ heterogeniczny zachodzi reakcja, to może ona zachodzić jedynie na styku faz tworzących układ. Pod tym względem szybkość reakcji jednorodnej i szybkość reakcji heterogenicznej są definiowane inaczej.

DEFINICJA

Szybkość jednorodnej reakcji to ilość substancji, która reaguje lub powstaje podczas reakcji w jednostce czasu na jednostkę objętości układu.

Szybkość reakcji heterogenicznej to ilość substancji, która reaguje lub powstaje podczas reakcji w jednostce czasu na jednostkę powierzchni fazy.

Obie te definicje można zapisać w formie matematycznej. Wprowadźmy następującą notację: υ homogen – szybkość reakcji w układzie jednorodnym; υ h etero gen – szybkość reakcji w układzie heterogenicznym n – liczba moli dowolnej substancji powstałej w wyniku reakcji; V jest objętością układu; czas t; S jest polem powierzchni fazy, na której zachodzi reakcja; Δ - znak przyrostu (Δn = n 2 -n 1; Δt = t 2 -t 1). Następnie

υ homogen = Δn / (V× Δt);

υ heterogen = Δn / (S× Δt).

Pierwsze z tych równań można uprościć. Stosunek ilości substancji (n) do objętości (V) układu to stężenie molowe (c) substancji: c=n/V, skąd Δc=Δn/V i ostatecznie:

υ homogen = Δc / Δt.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia	Uzupełnij wzory dwóch tlenków żelaza, jeśli udział masowy żelaza w nich wynosi 77,8% i 70,0%.
Rozwiązanie	Znajdźmy ułamek masowy każdego z tlenków miedzi: ω 1 (O) = 100% - ω 1 (Fe) = 100% - 77,8% = 22,2%; ω 2 (O) = 100% - ω 2 (Fe) = 100% - 70,0% = 30,0%. Oznaczmy liczbę moli pierwiastków wchodzących w skład związku przez „x” (żelazo) i „y” (tlen). Wtedy stosunek molowy będzie wyglądał następująco (zaokrąglamy do liczb całkowitych wartości względnych mas atomowych wziętych z układu okresowego D.I. Mendelejewa): x:y = ω 1 (Fe)/Ar(Fe): ω 1 (O)/Ar(O); x:y = 77,8/56: 22,2/16; x:y = 1,39: 1,39 = 1:1. Oznacza to, że wzorem pierwszego tlenku żelaza będzie FeO. x:y = ω 2 (Fe)/Ar (Fe): ω 2 (O)/Ar (O); x:y = 70/56: 30/16; x:y = 1,25: 1,875 = 1: 1,5 = 2: 3. Oznacza to, że wzorem drugiego tlenku żelaza będzie Fe 2 O 3.
Odpowiedź	FeO, Fe2O3

PRZYKŁAD 2

Ćwiczenia	Napisz wzór na związek wodoru, jodu i tlenu, jeśli ułamki masowe zawartych w nim pierwiastków wynoszą: ω(H) = 2,2%, ω(I) = 55,7%, ω(O) = 42,1%.
Rozwiązanie	Udział masowy pierwiastka X w cząsteczce o składzie NX oblicza się za pomocą następującego wzoru: ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Oznaczmy liczbę moli pierwiastków wchodzących w skład związku jako „x” (wodór), „y” (jod), „z” (tlen). Wtedy stosunek molowy będzie wyglądał następująco (wartości względnych mas atomowych wzięte z układu okresowego D.I. Mendelejewa zaokrągla się do liczb całkowitych): x:y:z = ω(H)/Ar(H): ω(I)/Ar(I): ω(O)/Ar(O); x:y:z= 2,2/1: 55,7/127: 42,1/16; x:y:z= 2,2: 0,44: 2,63 = 5: 1: 6. Oznacza to, że wzór związku wodoru, jodu i tlenu będzie następujący: H 5 IO 6 .
Odpowiedź	H5IO6

Tematy kodyfikatora ujednoliconego egzaminu państwowego:Szybkość reakcji. Jego zależność od różnych czynników.

Szybkość reakcji chemicznej pokazuje, jak szybko zachodzi dana reakcja. Interakcja zachodzi, gdy cząstki zderzają się w przestrzeni. W tym przypadku reakcja nie zachodzi przy każdym zderzeniu, a dopiero wtedy, gdy cząstka posiada odpowiednią energię.

Szybkość reakcji – liczba elementarnych zderzeń oddziałujących ze sobą cząstek zakończonych przemianą chemiczną w jednostce czasu.

Określenie szybkości reakcji chemicznej jest związane z warunkami, w jakich jest ona prowadzona. Jeśli reakcja jednorodny- tj. produkty i odczynniki znajdują się w tej samej fazie - wówczas szybkość reakcji chemicznej definiuje się jako zmianę substancji w jednostce czasu:

υ = ΔC / Δt.

Jeżeli reagenty lub produkty znajdują się w różnych fazach, a zderzenie cząstek następuje tylko na granicy faz, wówczas reakcję nazywamy heterogeniczny, a jego prędkość zależy od zmiany ilości substancji w jednostce czasu na jednostkę powierzchni reakcji:

υ = Δν / (S·Δt).

Jak sprawić, aby cząstki zderzały się częściej, tj. Jak zwiększyć szybkość reakcji chemicznej?

1. Najłatwiej jest zwiększyć temperatura . Jak zapewne wiesz z kursu fizyki, temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej ruchu cząstek substancji. Jeśli zwiększymy temperaturę, cząstki dowolnej substancji zaczną poruszać się szybciej i dlatego częściej się zderzają.

Jednak wraz ze wzrostem temperatury szybkość reakcji chemicznych wzrasta głównie ze względu na fakt, że wzrasta liczba efektywnych zderzeń. Wraz ze wzrostem temperatury gwałtownie wzrasta liczba aktywnych cząstek, które mogą pokonać barierę energetyczną reakcji. Jeśli obniżymy temperaturę, cząstki zaczną poruszać się wolniej, liczba cząstek aktywnych maleje, a liczba efektywnych zderzeń na sekundę maleje. Zatem, Gdy temperatura wzrasta, szybkość reakcji chemicznej wzrasta, a gdy temperatura spada, maleje..

Uważać na! Zasada ta działa tak samo dla wszystkich reakcji chemicznych (w tym egzotermicznych i endotermicznych). Szybkość reakcji jest niezależna od efektu termicznego. Szybkość reakcji egzotermicznych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze spadkiem temperatury. Szybkość reakcji endotermicznych również wzrasta wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze spadkiem temperatury.

Co więcej, już w XIX wieku holenderski fizyk Van't Hoff ustalił eksperymentalnie, że większość reakcji zwiększa swoją prędkość w przybliżeniu równomiernie (około 2-4 razy), gdy temperatura wzrasta o 10 o C. Reguła Van't Hoffa brzmi następująco: wzrost temperatury o 10 o C prowadzi do 2-4-krotnego wzrostu szybkości reakcji chemicznej (wartość ta nazywana jest temperaturowym współczynnikiem szybkości reakcji chemicznej γ). Dla każdej reakcji wyznaczana jest dokładna wartość współczynnika temperaturowego.

Tutaj w 2 - szybkość reakcji w temperaturze T 2, v 1 - szybkość reakcji w temperaturze T 1, γ — współczynnik temperaturowy szybkości reakcji, współczynnik Van't Hoffa.

W niektórych sytuacjach nie zawsze jest możliwe zwiększenie szybkości reakcji za pomocą temperatury, ponieważ niektóre substancje rozkładają się wraz ze wzrostem temperatury, niektóre substancje lub rozpuszczalniki odparowują w podwyższonych temperaturach itp., tj. warunki procesu zostały naruszone.

2. Koncentracja. Możesz także zwiększyć liczbę efektywnych kolizji, zmieniając stężenie reagenty . zwykle używany do gazów i cieczy, ponieważ w gazach i cieczach cząsteczki poruszają się szybko i aktywnie się mieszają. Im większe stężenie reagujących substancji (cieczy, gazów), tym większa liczba efektywnych zderzeń i większa szybkość reakcji chemicznej.

Na podstawie dużej liczby eksperymentów przeprowadzonych w 1867 r. w pracach norweskich naukowców P. Guldenberga i P. Waage'a oraz niezależnie od nich w 1865 r. rosyjskiego naukowca N.I. Beketow wyprowadził podstawowe prawo kinetyki chemicznej, ustalając zależność szybkości reakcji chemicznej od stężenia reagentów:

Szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń reagujących substancji w potęgach równych ich współczynnikom w równaniu reakcji chemicznej.

Dla reakcji chemicznej postaci: aA + bB = cC + dD prawo działania mas zapisuje się w następujący sposób:

tutaj v jest szybkością reakcji chemicznej,

C A I C B — stężenia odpowiednio substancji A i B, mol/l

k – współczynnik proporcjonalności, stała szybkości reakcji.

Na przykład, dla reakcji tworzenia amoniaku:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Prawo działania mas wygląda następująco:

Stała szybkości reakcji pokazuje, z jaką szybkością zareagują substancje, jeśli ich stężenie wynosi 1 mol/l lub ich iloczyn jest równy 1. Stała szybkości reakcji chemicznej zależy od temperatury i nie zależy od stężenia reagujących substancji.

Prawo działania mas nie uwzględnia stężeń ciał stałych, ponieważ Reagują z reguły na powierzchni, a liczba reagujących cząstek na jednostkę powierzchni nie zmienia się.

W większości przypadków reakcja chemiczna składa się z kilku prostych etapów, w którym to przypadku równanie reakcji chemicznej przedstawia jedynie podsumowanie lub końcowe równanie zachodzących procesów. W tym przypadku szybkość reakcji chemicznej zależy w sposób złożony (lub nie zależy) od stężenia reagentów, półproduktów lub katalizatora, dlatego dokładną postać równania kinetycznego wyznacza się eksperymentalnie lub na podstawie analizy proponowany mechanizm reakcji. Zwykle szybkość złożonej reakcji chemicznej zależy od szybkości jej najwolniejszego etapu ( etap graniczny).

3. Ciśnienie. W przypadku gazów stężenie zależy bezpośrednio od ciśnienie. Wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta stężenie gazów. Matematycznym wyrazem tej zależności (dla gazu doskonałego) jest równanie Mendelejewa-Clapeyrona:

pV = νRT

Zatem, jeśli wśród reagentów znajduje się substancja gazowa, to kiedy Wraz ze wzrostem ciśnienia szybkość reakcji chemicznej wzrasta; wraz ze spadkiem ciśnienia maleje. .

Na przykład. Jak zmieni się szybkość reakcji stapiania wapna z tlenkiem krzemu:

CaCO 3 + SiO 2 ↔ CaSiO 3 + CO 2

kiedy wzrasta ciśnienie?

Prawidłowa odpowiedź brzmiałaby – wcale, bo… wśród odczynników nie ma gazów, a węglan wapnia jest solą stałą, nierozpuszczalną w wodzie, tlenek krzemu jest solą stałą. Gazem produktowym będzie dwutlenek węgla. Ale produkty nie wpływają na szybkość reakcji bezpośredniej.

Innym sposobem na zwiększenie szybkości reakcji chemicznej jest skierowanie jej inną ścieżką, zastępując bezpośrednie oddziaływanie na przykład substancji A i B serią kolejnych reakcji z trzecią substancją K, które wymagają znacznie mniej energii ( mają niższą barierę energii aktywacji) i zachodzą w danych warunkach szybciej niż reakcja bezpośrednia. Ta trzecia substancja nazywa się katalizator .

- są to substancje chemiczne biorące udział w reakcji chemicznej, zmieniające jej prędkość i kierunek, ale nie nadający się do spożycia podczas reakcji (pod koniec reakcji nie zmieniają się ani pod względem ilości, ani składu). Przybliżony mechanizm działania katalizatora dla reakcji typu A + B można wybrać w następujący sposób:

A+K=AK

AK + B = AB + K

Nazywa się proces zmiany szybkości reakcji podczas interakcji z katalizatorem kataliza. Katalizatory znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle, gdy zachodzi potrzeba zwiększenia szybkości reakcji lub skierowania jej po określonej drodze.

W zależności od stanu fazowego katalizatora rozróżnia się katalizę homogeniczną i heterogeniczną.

Kataliza homogeniczna – ma to miejsce, gdy reagenty i katalizator znajdują się w tej samej fazie (gaz, roztwór). Typowymi katalizatorami jednorodnymi są kwasy i zasady. aminy organiczne itp.

Kataliza heterogeniczna – ma to miejsce, gdy reagenty i katalizator znajdują się w różnych fazach. Z reguły katalizatory heterogeniczne są substancjami stałymi. Ponieważ interakcja w takich katalizatorach zachodzi tylko na powierzchni substancji; ważnym wymaganiem w przypadku katalizatorów jest duża powierzchnia właściwa. Katalizatory heterogeniczne charakteryzują się dużą porowatością, co zwiększa powierzchnię katalizatora. Zatem całkowita powierzchnia niektórych katalizatorów osiąga czasami 500 metrów kwadratowych na 1 g katalizatora. Duża powierzchnia i porowatość zapewniają efektywną interakcję z odczynnikami. Do katalizatorów heterogenicznych zaliczają się metale, zeolity – krystaliczne minerały z grupy glinokrzemianów (związki krzemu i glinu) i inne.

Przykład kataliza heterogeniczna – synteza amoniaku:

N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

Jako katalizator stosuje się porowate żelazo z zanieczyszczeniami Al 2 O 3 i K 2 O.

Sam katalizator nie ulega zużyciu podczas reakcji chemicznej, lecz na powierzchni katalizatora gromadzą się inne substancje, wiążąc centra aktywne katalizatora i blokując jego działanie ( trucizny katalityczne). Należy je regularnie usuwać poprzez regenerację katalizatora.

W reakcjach biochemicznych katalizatory są bardzo skuteczne - enzymy. Katalizatory enzymatyczne działają bardzo skutecznie i selektywnie, ze 100% selektywnością. Niestety, enzymy są bardzo wrażliwe na podwyższoną temperaturę, kwasowość środowiska i inne czynniki, dlatego istnieje szereg ograniczeń w realizacji procesów z katalizą enzymatyczną na skalę przemysłową.

Nie należy mylić katalizatorów inicjatorzy proces i inhibitory. Na przykład do zainicjowania radykalnej reakcji chlorowania metanu konieczne jest promieniowanie ultrafioletowe. To nie jest katalizator. Niektóre reakcje rodnikowe są inicjowane przez rodniki nadtlenkowe. To też nie są katalizatory.

Inhibitory- Są to substancje spowalniające reakcję chemiczną. Inhibitory mogą być spożywane i uczestniczyć w reakcji chemicznej. W tym przypadku inhibitory nie są katalizatorami, wręcz przeciwnie. Kataliza odwrotna jest w zasadzie niemożliwa - reakcja i tak będzie próbowała przebiegać najszybszą drogą.

5. Obszar kontaktu substancji reagujących. W przypadku reakcji heterogenicznych jednym ze sposobów zwiększenia liczby efektywnych zderzeń jest zwiększenie powierzchnia reakcji . Im większa powierzchnia styku reagujących faz, tym większa szybkość heterogenicznej reakcji chemicznej. Cynk sproszkowany rozpuszcza się w kwasie znacznie szybciej niż cynk granulowany o tej samej masie.

W przemyśle stosuje się je w celu zwiększenia powierzchni kontaktu substancji reagujących metoda złoża fluidalnego. Na przykład, przy produkcji kwasu siarkowego metodą wrzącego osła wypala się piryty.

6. Charakter reagentów . Na szybkość reakcji chemicznych, przy innych czynnikach niezmiennych, wpływają również właściwości chemiczne, tj. charakter substancji reagujących. Mniej substancji aktywnych będzie miało wyższą barierę aktywacji i będzie reagować wolniej niż więcej substancji aktywnych. Więcej substancji aktywnych ma niższą energię aktywacji i znacznie łatwiej i częściej wchodzi w reakcje chemiczne.

Przy niskich energiach aktywacji (poniżej 40 kJ/mol) reakcja zachodzi bardzo szybko i łatwo. Znaczna część zderzeń cząstek kończy się przemianą chemiczną. Na przykład reakcje wymiany jonowej zachodzą bardzo szybko w normalnych warunkach.

Przy wysokich energiach aktywacji (ponad 120 kJ/mol) tylko niewielka liczba zderzeń powoduje przemianę chemiczną. Szybkość takich reakcji jest znikoma. Na przykład azot praktycznie nie oddziałuje z tlenem w normalnych warunkach.

Przy średnich energiach aktywacji (od 40 do 120 kJ/mol) szybkość reakcji będzie średnia. Takie reakcje również zachodzą w normalnych warunkach, ale niezbyt szybko, więc można je zaobserwować gołym okiem. Takie reakcje obejmują interakcję sodu z wodą, interakcję żelaza z kwasem solnym itp.

Substancje stabilne w normalnych warunkach mają zwykle wysokie energie aktywacji.