MEGHATÁROZÁS
Kémiai kinetika – a sebességek és mechanizmusok tana kémiai reakciók.
A reakciósebesség vizsgálatát, a kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezőkre vonatkozó adatok beszerzését, valamint a kémiai reakciók mechanizmusainak tanulmányozását kísérletileg végzik.
MEGHATÁROZÁS
A kémiai reakció sebessége– az egyik reaktáns vagy reakciótermék koncentrációjának változása egységnyi idő alatt állandó térfogatú rendszer mellett.
A homogén és heterogén reakciók sebességét eltérően határozzuk meg.
A kémiai reakció sebességének mértékének definíciója beírható matematikai forma. Legyen a kémiai reakció sebessége egy homogén rendszerben, n B a reakcióból származó bármely anyag mólszáma, V a rendszer térfogata és az idő. Akkor a limitben:
Ez az egyenlet leegyszerűsíthető - az anyag mennyiségének és térfogatának aránya az anyag moláris koncentrációja n B / V = c B, ahonnan dn B / V = dc B és végül:
A gyakorlatban egy vagy több anyag koncentrációját meghatározott időközönként mérik. Koncentrációk kiindulási anyagok idővel csökken, és a termékkoncentráció nő (1. ábra).
Rizs. 1. A kiindulási anyag (a) és a reakciótermék (b) koncentrációjának időbeli változása
A kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezők: a reagensek jellege, koncentrációjuk, hőmérsékletük, katalizátorok jelenléte a rendszerben, nyomás és térfogat (gázfázisban).
A koncentráció befolyása a kémiai reakció sebességére a kémiai kinetika alaptörvényével - a tömeghatás törvényével (LMA) - kapcsolódik: a kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reagáló anyagok megemelt koncentrációjának szorzatával. sztöchiometrikus együtthatóik erejéig. A ZDM nem veszi figyelembe az anyagok koncentrációját a szilárd fázisban heterogén rendszerekben.
A reakcióhoz mA +nB = pC +qD matematikai kifejezés A DMA így lesz írva:
K × C A m × C B n
K × [A] m × [B] n,
ahol k a kémiai reakció sebességi állandója, amely a kémiai reakció sebessége 1 mol/l reaktáns koncentráció mellett. A kémiai reakció sebességével ellentétben k nem függ a reaktánsok koncentrációjától. Minél nagyobb k, annál gyorsabban megy végbe a reakció.
A kémiai reakció sebességének a hőmérséklettől való függését a Van't Hoff-szabály határozza meg. Van't Hoff szabálya: minden tíz fokos hőmérséklet-emelkedéssel a legtöbb kémiai reakció sebessége körülbelül 2-4-szeresére nő. Matematikai kifejezés:
(T 2) = (T 1) × (T2-T1)/10,
hol van a van’t Hoff hőmérsékleti együttható, amely megmutatja, hogy a reakciósebesség hányszorosára nő, ha a hőmérséklet 10 o C-kal emelkedik.
A reakció molekulárisságát az egyidejűleg kölcsönhatásba lépő (elemi aktusban részt vevő) molekulák minimális száma határozza meg. Vannak:
- monomolekuláris reakciók (például a bomlási reakciók)
N 2 O 5 = 2NO 2 + 1/2O 2
K × C, -dC/dt = kC
Azonban nem minden reakció, amely megfelel ennek az egyenletnek, monomolekuláris.
- bimolekuláris
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH = CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O
K × C 1 × C 2, -dC/dt = k × C 1 × C 2
- trimolekuláris (nagyon ritka).
A reakció molekulárisságát a valódi mechanizmusa határozza meg. Lehetetlen meghatározni molekulárisságát a reakció egyenletének felírásával.
A reakció sorrendjét a típus határozza meg kinetikai egyenlet reakciók. Ő egyenlő az összeggel a koncentráció fokának mutatói ebben az egyenletben. Például:
CaCO 3 = CaO + CO 2
K × C 1 2 × C 2 – harmadrendű
A reakció sorrendje lehet töredékes is. Ebben az esetben kísérletileg határozzuk meg. Ha a reakció egy szakaszban megy végbe, akkor a reakció sorrendje és molekularitása egybeesik, ha több szakaszban, akkor a sorrendet a leglassabb szakasz határozza meg, és megegyezik ennek a reakciónak a molekulárisságával.
1. PÉLDA
Gyakorlat | A reakció a 2A + B = 4C egyenlet szerint megy végbe. Az A anyag kezdeti koncentrációja 0,15 mol/l, 20 másodperc múlva 0,12 mol/l. Számítsa ki az átlagos reakciósebességet! |
Megoldás | Írjuk fel a számítási képletet átlagsebesség kémiai reakció: A kémiai reakció sebessége- az egyik reagáló anyag mennyiségének változása egységnyi idő alatt egységnyi reakciótérben. A kémiai reakció sebességét a következő tényezők befolyásolják:
Aktív ütközés elmélet lehetővé teszi bizonyos tényezők befolyásának magyarázatát a kémiai reakció sebességére. Ennek az elméletnek a főbb rendelkezései:
A reagensek koncentrációjának hatása a reakció sebességéreA reagensek koncentrációjának növekedésével a reakció sebessége nő. A reakció létrejöttéhez két kémiai részecskének össze kell jönnie, így a reakció sebessége a köztük lévő ütközések számától függ. Egy adott térfogatban a részecskék számának növekedése gyakoribb ütközésekhez és a reakciósebesség növekedéséhez vezet. A gázfázisban fellépő reakciósebesség növekedése a nyomás növekedéséből vagy a keverék által elfoglalt térfogat csökkenéséből adódik. Kísérleti adatok alapján 1867-ben K. Guldberg és P. Waage norvég tudósok, 1865-ben pedig tőlük függetlenül az orosz tudós, N.I. Beketov megfogalmazta a kémiai kinetika alaptörvényét, megállapítva a reakciósebesség függése a reagensek koncentrációjától - A tömeghatás törvénye (LMA):
aA +bB =cС +dD, Ahol k– reakciósebesség állandó A ZDM-et csak egy szakaszban lezajló elemi kémiai reakciókra hajtják végre. Ha egy reakció egymás után több szakaszon megy keresztül, akkor a teljes folyamat teljes sebességét a leglassabb része határozza meg. Sebesség kifejezései különféle típusok reakciók A ZDM homogén reakciókra utal. Ha a reakció heterogén (a reagensek különböző aggregáció állapotai), akkor a ZDM egyenlet csak folyékony vagy csak gáz halmazállapotú reagenseket tartalmaz, a szilárd reagenseket pedig kizárjuk, amelyek csak a k sebességi állandót érintik. A reakció molekularitása az elemiben részt vevő molekulák minimális száma kémiai folyamat. A molekularitás alapján az elemi kémiai reakciókat molekuláris (A →) és bimolekuláris (A + B →) csoportokra osztják; a trimolekuláris reakciók rendkívül ritkák. Heterogén reakciók sebessége
A hőmérséklet hatása a reakciósebességreA 19. században Van't Hoff holland tudós empirikusan felfedezte, hogy a hőmérséklet 10 o C-os emelésével számos reakció sebessége 2-4-szeresére nő. Van't Hoff szabálya Minden 10 ◦ C-os hőmérséklet-emelkedés esetén a reakciósebesség 2-4-szeresére nő. Itt γ ( görög levél"gamma") - az úgynevezett hőmérsékleti együttható vagy Van't Hoff-együttható, 2 és 4 közötti értékeket vesz fel. Mindegyikre specifikus reakció a hőmérsékleti együtthatót kísérletileg határozzuk meg. Pontosan megmutatja, hogy egy adott kémiai reakció sebessége (és sebességi állandója) hányszorosára nő minden 10 fokos hőmérséklet-emelkedéssel. A Van't Hoff-szabályt a reakciósebesség állandó változásának közelítésére használják a hőmérséklet emelkedésével vagy csökkenésével. A sebességi állandó és a hőmérséklet közötti pontosabb összefüggést Svante Arrhenius svéd kémikus állapította meg: Hogyan több E konkrét reakció, tehát kevesebb(adott hőmérsékleten) ennek a reakciónak a k sebességi állandója (és sebessége). A T növekedése a sebességi állandó növekedéséhez vezet, ez azzal magyarázható, hogy a hőmérséklet emelkedése az Ea aktivációs gát leküzdésére képes „energetikus” molekulák számának gyors növekedéséhez vezet. A katalizátor hatása a reakció sebességéreA reakció sebességét speciális anyagok segítségével módosíthatja, amelyek megváltoztatják a reakciómechanizmust, és energikusabban irányítják azt. előnyös út alacsonyabb aktiválási energiával. Katalizátorok- ezek olyan anyagok, amelyek részt vesznek egy kémiai reakcióban és növelik annak sebességét, de a reakció végén minőségileg és mennyiségileg változatlanok maradnak. Inhibitorok– olyan anyagok, amelyek lassítják a kémiai reakciókat. A kémiai reakció sebességének vagy irányának megváltoztatását katalizátor segítségével nevezzük katalízis . A reakció arányos a kiindulási anyagok sztöcheometriai együtthatóival megegyező hatványértékek koncentrációjának szorzatával. O = K-s[A]t. c[B]p, ahol c [A] és c [B] az A és B anyagok moláris koncentrációi, K pedig az arányossági együttható, amelyet reakciósebesség-állandónak neveznek. A hőmérséklet hatása A reakciósebesség hőmérséklettől való függését a Van't Hoff-szabály határozza meg, amely szerint minden 10 C-os hőmérséklet-emelkedéssel a legtöbb reakció sebessége 2-4-szeresére nő. Matematikailag ezt a függőséget a következő összefüggés fejezi ki: ahol és i)t, i>t a reakciósebesség rendre a kezdeti (t:) és végső (t2) hőmérsékleten, y pedig a reakciósebesség hőmérsékleti együtthatója, amely azt mutatja meg, hogy a reakciósebesség hányszorosára nő a reaktánsok hőmérsékletének 10 °C-kal történő emelkedésével. 1. példa Írjon egy kifejezést egy kémiai reakció sebességének a reagensek koncentrációjától való függésére a folyamatokhoz: a) H2 4- J2 -» 2HJ (gázfázisban); b) Ba2+ 4- S02-= BaS04 (oldatban); c) CaO 4- C02 -» CaC03 (szilárd anyag részvételével anyagok). Megoldás. v = K-c(H2)c(J2); v = K-c(Ba2+)-c(S02); v = Kc(C02). 2. példa Hogyan változik a 2A + B2^± 2AB reakció sebessége közvetlenül a molekulák között zárt tartály, ha 4-szeresére növeli a nyomást? A molekulák hatástörvénye szerint a kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reagáló anyagok moláris koncentrációinak szorzatával: v = K-c[A]m.c[B]n. Az edényben lévő nyomás növelésével növeljük a reagensek koncentrációját. Legyen A és B kezdeti koncentrációja egyenlő c[A] = a, c[B] = b. Ekkor = Ka2b. A nyomás 4-szeres növekedése miatt az egyes reagensek koncentrációja is négyszeresére nőtt, és az acél c[A] = 4a, c[B] = 4b. Ilyen koncentrációkban: vt = K(4a)2-4b = K64a2b. K értéke mindkét esetben azonos. Egy adott reakció sebességi állandója számszerűen állandó érték sebességgel egyenlő reakciók at moláris koncentrációk reagensek egyenlő 1-gyel. V és vl9 összehasonlításával azt látjuk, hogy a reakciósebesség 64-szeresére nőtt. 3. példa Hányszorosára nő egy kémiai reakció sebessége, ha a hőmérséklet 0°C-ról 50°C-ra emelkedik, ha a sebesség hőmérsékleti együtthatóját háromnak tekintjük? A kémiai reakció sebessége attól függ, hogy milyen hőmérsékleten megy végbe. Ha a hőmérséklet 10 °C-kal emelkedik, a reakciósebesség 2-4-szeresére nő. Ha a hőmérséklet csökken, akkor ugyanannyival csökken. Azt a számot, amely megmutatja, hogy a reakciósebesség hányszorosára nő, ha a hőmérséklet 10 °C-kal emelkedik, a reakció hőmérsékleti együtthatójának nevezzük. Matematikai formában a reakciósebesség változásának a hőmérséklettől való függését a következő egyenlet fejezi ki: A hőmérséklet 50 °C-kal nő, és y = 3. Cserélje ki ezeket az értékeket ^5о°с = ^о°с "3у = "00оС? 3 = v0oC? 243. A sebesség 243-szorosára nő. 4. példa A reakció 50 °C hőmérsékleten 3 perc 20 másodperc alatt megy végbe. Hőmérsékleti együttható a reakció sebessége 3. Mennyi idő alatt megy végbe ez a reakció 30 és 100 °C-on? Amikor a hőmérséklet 50 °C-ról 100 °C-ra emelkedik, a reakciósebesség Van't Hoffe szabályának megfelelően a következő számú alkalommal növekszik: H _ 10 „O 10 - Q3 U yu = z yu = z* = 243-szor. Ha 50°C-on a reakció 200 s (3 perc 20 s) alatt fejeződik be, akkor 100°C-on 200/ 243 = 0,82 s. 30 °C-on a reakciósebesség csökken varr 3 10 = 32 = 9 alkalommal, és a reakció 200 * 9 = 1800 s alatt ér véget, azaz. 30 perc alatt. 5. példa A nitrogén és a hidrogén kezdeti koncentrációja 2, illetve 3 *mol/l. Mekkora lesz ezeknek az anyagoknak a koncentrációja abban a pillanatban, amikor 0,5 mol/l nitrogén reagál? Írjuk fel a reakcióegyenletet: N2 + ZH2 2NH3, az együtthatók azt mutatják, hogy a nitrogén hidrogénnel 1:3 mólarányban reagál. Ez alapján létrehozzuk az arányt: 1 mol nitrogén reagál 3 mol hidrogénnel. 0,5 mol nitrogén reagál x mol hidrogénnel. From - = - ; x =-- = 1,5 mol. 1,5 mol/l (2-0,5) nitrogén és 1,5 mol/l (3-1,5) hidrogén nem reagált. 6. példa Hányszorosára nő egy kémiai reakció sebessége, ha az A anyag egy molekulája és a B anyag két molekulája ütközik: A(2) + 2B -» C(2) + D(2), a B anyag koncentrációjának 3-szoros növekedésével? Írjunk egy kifejezést a reakció sebességének az anyagok koncentrációjától való függésére: v = K-c(A)-c2(B), ahol K a sebességi állandó. Vegyük az anyagok kezdeti koncentrációit c(A) = a mol/l, c(B) = b mol/l. Ezeknél a koncentrációknál a reakciósebesség u1 = Kab2. Ha a B anyag koncentrációja háromszorosára nő, akkor c(B) = 3b mol/l. A reakciósebesség v2 = Ka(3b)2 = 9Kab2 lesz. Sebességnövekedés v2: ig = 9Kab2: Kab2 = 9. 7. példa A nitrogén-monoxid és a klór a következő reakcióegyenlet szerint reagál: 2NO + C12 2NOC1. Hányszorosára kell növelni az egyes források nyomását? |