Sebesség kémiai reakció

A „Kémiai reakció sebessége” téma talán a legösszetettebb és legvitatottabb az iskolai tantervben. Ennek oka maga a kémiai kinetika, a fizikai kémia egyik ága összetettsége. Már a „kémiai reakció sebessége” fogalmának meghatározása is kétértelmű (lásd például L. S. Guzey cikkét a „Khimiya” újságban, 2001, 28. szám,
Val vel. 12). Több több probléma akkor merül fel, amikor a tömeghatás törvényét a reakciósebességre próbáljuk alkalmazni bármely kémiai rendszerek, mert azon objektumok köre, amelyekre a kereten belül lehetséges a kinetikai folyamatok kvantitatív leírása iskolai tananyag, nagyon szűk. Külön szeretném megjegyezni a tömeghatás törvényének helytelenségét a kémiai egyensúlyi kémiai reakció sebességére.
Ugyanakkor helytelen lenne teljesen megtagadni ennek a témának az iskolában való megvitatását. A kémiai reakció sebességére vonatkozó elképzelések nagyon fontosak számos természetes és technológiai folyamat tanulmányozása során, ezek nélkül nem lehet katalízisről és katalizátorról beszélni, beleértve az enzimeket is. Bár az anyagok átalakulásának tárgyalásakor elsősorban a kémiai reakció sebességére vonatkozó kvalitatív elképzeléseket alkalmazzák, a legegyszerűbb mennyiségi összefüggések még mindig kívánatos, különösen elemi reakcióknál.
A megjelent cikk kellő részletességgel tárgyalja a kémiai kinetika kérdéseit, amelyekről a címen lehet beszélni iskolai órákat kémia. Kizárás a tanfolyamról iskolai kémia ennek a témának a vitatott és vitatott vonatkozásai különösen fontosak azoknak a hallgatóknak, akik folytatni készülnek kémiai oktatás Az egyetemen.

Hiszen az iskolában megszerzett tudás gyakran ütközik a tudományos valósággal. A kémiai reakciók lefutási ideje jelentősen változhat. Hidrogén és oxigén keveréke szobahőmérsékleten lehet hosszú ideje gyakorlatilag változatlanok maradnak, de ütés vagy meggyújtás esetén felrobbannak. A vaslemez lassan rozsdásodik, és egy darab fehér foszfor

levegőben spontán meggyullad. Fontos tudni, hogy egy adott reakció milyen gyorsan következik be, hogy ellenőrizni lehessen annak előrehaladását.

Alapfogalmak Mennyiségi Az, hogy egy adott reakció milyen gyorsan megy végbe, a kémiai reakció sebessége, azaz a reagensek elhasználódási sebessége vagy a termékek megjelenésének sebessége. Ebben az esetben nem mindegy, hogy a reakcióban részt vevő anyagok közül melyikről van szó, mivel ezek mindegyike a reakcióegyenleten keresztül kapcsolódik egymáshoz. Az egyik anyag mennyiségének megváltoztatásával meg lehet ítélni az összes többi anyag mennyiségének megfelelő változását.

A kémiai reakció sebessége () reaktáns vagy termék mennyiségének változásának nevezzük () időegységenként () térfogategységenként (V):

= /(V ).

Reakciósebesség be ebben az esetbenáltalában mol/(l s)-ban fejezik ki.

A fenti kifejezés homogén közegben, például gázok között vagy oldatban végbemenő homogén kémiai reakciókra vonatkozik:

2SO 2 + O 2 = 2SO 3,

BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2HCl.

Az érintkezési felületen heterogén kémiai reakciók mennek végbe szilárdés gáz, szilárd és folyékony stb. A heterogén reakciók közé tartoznak például a fémek savakkal való reakciói:

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2.

Az e ebben az esetben a reakció sebessége a reaktáns vagy termék mennyiségének változása () időegységenként() felületegységenként (S):

= /(S ).

Sebesség heterogén reakció mol/(m 2 s)-ban kifejezve.

A kémiai reakciók szabályozásához nem csak az a fontos, hogy meg lehessen határozni azok sebességét, hanem az is, hogy megtudjuk, milyen körülmények befolyásolják azokat. A kémia ága, amely a kémiai reakciók sebességét és az arra gyakorolt ​​hatást vizsgálja különféle tényezők, hívott kémiai kinetika.

A reagáló részecskék ütközési gyakorisága

A legfontosabb tényező, amely meghatározza a kémiai reakció sebességét, – koncentráció.

A reagensek koncentrációjának növekedésével a reakciósebesség általában növekszik. 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.

Homogén reakciók esetén egy vagy több reagens koncentrációjának növelése növeli a reakció sebességét. Amikor a koncentráció csökken, az ellenkező hatás figyelhető meg. Az anyagok koncentrációja az oldatban megváltoztatható a reaktánsok vagy oldószerek hozzáadásával vagy eltávolításával a reakciószférából. Gázokban az egyik anyag koncentrációja növelhető, ha ezt az anyagot további mennyiségben juttatjuk a reakcióelegybe. Az összes gáznemű anyag koncentrációja egyidejűleg növelhető a keverék által elfoglalt térfogat csökkentésével. Ezzel egyidejűleg a reakció sebessége nő. A hangerő növelése az ellenkező eredményhez vezet.

A heterogén reakciók sebessége attól függ anyagok közötti érintkezési felület, azaz az anyagok őrlési fokáról, a reagensek keverésének teljességéről, valamint a kristályszerkezetek állapotáról szilárd anyagok. A kristályszerkezet bármilyen zavara a szilárd anyagok reakciókészségének növekedését okozza, mert tönkretenni tartós kristályos szerkezet további energia szükséges.

Vegye figyelembe a fa égetését. Egy egész fahasáb viszonylag lassan ég a levegőben. Ha növeli a fa és a levegő érintkezési felületét, és a rönköt forgácsra hasítja, az égési sebesség megnő. Ugyanakkor a fa tiszta oxigénben sokkal gyorsabban ég, mint a levegőben, amely csak körülbelül 20% oxigént tartalmaz.

A kémiai reakció létrejöttéhez a részecskéknek – atomoknak, molekuláknak vagy ionoknak – össze kell ütközniük. Az ütközések következtében az atomok átrendeződnek és új kémiai kötések jönnek létre, ami új anyagok kialakulásához vezet. Két részecske ütközésének valószínűsége meglehetősen nagy, három részecske egyidejű ütközésének valószínűsége sokkal kisebb. Rendkívül valószínűtlen, hogy négy részecske egy időben ütközzen. Ezért a legtöbb reakció több szakaszban megy végbe, amelyek mindegyikében legfeljebb három részecske lép kölcsönhatásba.

A hidrogén-bromid oxidációs reakciója észrevehető sebességgel megy végbe 400-600 °C-on:

4НВr + O 2 = 2Н 2О + 2Вr 2 .

A reakcióegyenlet szerint öt molekulának kell egyszerre ütköznie. Egy ilyen esemény valószínűsége azonban gyakorlatilag nulla. Sőt, kísérleti vizsgálatok kimutatták, hogy a koncentráció növelése - akár oxigén, akár hidrogén-bromid - ugyanannyiszor növeli a reakciósebességet. És ez annak ellenére, hogy minden oxigénmolekulához négy hidrogén-bromid molekula fogy.

Ennek a folyamatnak a részletes vizsgálata azt mutatja, hogy több szakaszból áll:

1) HBr + O 2 = HOOBr ( lassú válasz);

2) HOOBr + HBr = 2HOVr (gyors reakció);

3) HOWr + HBr = H 2 O + Br 2 (gyors reakció).

A fenti reakciók, az ún elemi reakciók, tükrözik reakció mechanizmus hidrogén-bromid oxigénnel történő oxidációja. Fontos megjegyezni, hogy az egyes köztes reakciókban csak két molekula vesz részt. Ha összeadjuk az első két egyenletet és a harmadikat kétszer, akkor megkapjuk a teljes reakcióegyenletet. Az általános reakciósebességet a leglassabb határozza meg közbenső reakció, amelyben egy molekula hidrogén-bromid és egy molekula oxigén lép kölcsönhatásba.

Az elemi reakciók sebessége egyenesen arányos a moláris koncentrációk szorzatával Val vel (Val vel az anyag mennyisége térfogategységenként, Val vel = /V) reagensek sztöchiometrikus együtthatóikkal megegyező teljesítményben ( tömegcselekvés törvénye kémiai reakció sebességére). Ez csak a valós kémiai folyamatok mechanizmusait tükröző reakcióegyenletekre igaz, amikor a reagensképletek előtti sztöchiometrikus együtthatók megfelelnek a kölcsönhatásban lévő részecskék számának.

A reakcióban kölcsönhatásba lépő molekulák száma alapján a reakciókat monomolekuláris, bimolekuláris és trimolekuláris csoportokra osztják. Például a molekuláris jód disszociációja atomokra: I 2 = 2I egy monomolekuláris reakció.

A jód kölcsönhatása hidrogénnel: I 2 + H 2 = 2HI – bimolekuláris reakció. A tömeghatás törvénye a különböző molekuláris kémiai reakciókra eltérően van írva.

Monomolekuláris reakciók:

A = B + C,

= kc A,

Ahol k– reakciósebesség állandó.

Bimolekuláris reakciók:

= kc A c BAN BEN.

Trimolekuláris reakciók:

= kc 2 A c BAN BEN.

Aktiválási energia

A kémiai részecskék ütközése ahhoz vezet, hogy kémiai kölcsönhatás csak akkor, ha az ütköző részecskék energiája meghalad valamilyen meghatározott értéket. Tekintsük az A 2 és B 2 molekulákból álló gáznemű anyagok kölcsönhatását:

A 2 + B 2 = 2AB.

A kémiai reakció során az atomok átrendeződése következik be, amihez szakadás is társul kémiai kötések V kiindulási anyagok ah és kötések kialakulása a reakciótermékekben. A reagáló molekulák ütközésekor egy ún aktivált komplex, amelyben az elektronsűrűség újra eloszlik, és csak ezután kapjuk meg végtermék reakciók:

Az anyagok állapotba való átmenetéhez szükséges energia aktivált komplex, hívott aktiválási energia.

Tevékenység vegyi anyagok az őket érintő reakciók alacsony aktiválási energiájában nyilvánul meg. Minél alacsonyabb az aktiválási energia, annál nagyobb a reakciósebesség. Például a kationok és anionok közötti reakciókban az aktiválási energia nagyon kicsi, így az ilyen reakciók szinte azonnal bekövetkeznek. Ha az aktiválási energia magas, akkor az ütközések nagyon kis része új anyagok képződéséhez vezet. Így a hidrogén és az oxigén reakciósebessége szobahőmérsékleten gyakorlatilag nulla.

Tehát a reakciósebességet befolyásolja a reagensek természete. Tekintsük például a fémek savakkal való reakcióit. Ha azonos réz-, cink-, magnézium- és vasdarabokat csepegtet a kémcsövekbe hígított kénsavval, láthatja, hogy a hidrogéngáz-buborékok felszabadulásának intenzitása jellemzi a sebességet. reakció előrehaladása, ezeknél a fémeknél jelentősen eltér. A magnéziumot tartalmazó kémcsőben a hidrogén gyors fejlődése figyelhető meg a cinkkel ellátott kémcsőben, a gázbuborékok valamivel nyugodtabban szabadulnak fel. A reakció még lassabban megy végbe vasas kémcsőben (ábra). A réz egyáltalán nem lép reakcióba hígított kénsavval. Így a reakció sebessége a fém aktivitásától függ.

Ha a kénsavat (erős sav) ecetsavra cseréljük ( gyenge sav) a reakciósebesség minden esetben jelentősen lelassul. Megállapíthatjuk, hogy a fém savval való reakciójának sebességét mindkét reagens - mind a fém, mind a sav - természete befolyásolja.

promóció hőfok a kémiai részecskék mozgási energiájának növekedéséhez vezet, azaz. növeli az aktiválási energiánál nagyobb energiájú részecskék számát. A hőmérséklet emelkedésével a részecskék ütközésének száma is nő, ami bizonyos mértékig növeli a reakciósebességet. Az ütközések hatékonyságának növelése a mozgási energia növelésével azonban nagyobb hatással van a reakciósebességre, mint az ütközések számának növelése.

Ha a hőmérséklet tíz fokkal növekszik, a sebesség a sebesség hőmérsékleti együtthatójával megegyező számú alkalommal növekszik:

= T+10 /T .

Amikor a hőmérséklet emelkedik től T előtt T"
reakciósebesség aránya T"És T egyenlő
hőmérsékleti sebességi együttható a teljesítményhez ( T" – T)/10:

T" /T = (T"–T)/10.

Sok homogén reakció esetén a sebességi együttható 24 (van't Hoff-szabály). A reakciósebesség hőmérséklettől való függése a réz(II)-oxid és a híg kénsav kölcsönhatásának példáján keresztül figyelhető meg. Szobahőmérsékleten a reakció nagyon lassan megy végbe. Melegítéskor a reakcióelegy gyorsan kék színűvé válik a réz(II)-szulfát képződése miatt:

CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O.

Katalizátorok és inhibitorok

Számos reakció felgyorsítható vagy lelassítható bizonyos anyagok bejuttatásával. A hozzáadott anyagok nem vesznek részt a reakcióban, és nem fogynak el a reakció során, de jelentős hatással vannak a reakció sebességére. Ezek az anyagok megváltoztatják a reakciómechanizmust (beleértve az aktivált komplex összetételét is) és csökkentik az aktiválási energiát, ami felgyorsítja a kémiai reakciókat. A reakciókat felgyorsító anyagokat ún katalizátorok, és a reakció ilyen gyorsulásának maga a jelensége az katalízis.

Sok reakció katalizátor hiányában nagyon lassan vagy egyáltalán nem megy végbe. Az egyik ilyen reakció a hidrogén-peroxid bomlása:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2.

Ha egy edénybe teszed azzal vizesoldat hidrogén-peroxid, egy darab szilárd mangán-dioxid, akkor megindul az oxigén gyors felszabadulása. A mangán-dioxid eltávolítása után a reakció gyakorlatilag leáll. Méréssel könnyen ellenőrizhető, hogy van-e benne mangán-dioxid ez a folyamat nem fogyasztják el – csak katalizálja a reakciót.

Attól függően, hogy a katalizátor és a reagensek azonos vagy eltérő aggregációs állapotban vannak, megkülönböztetünk homogén és heterogén katalízist.

A homogén katalízisben a katalizátor felgyorsíthatja a reakciót azáltal, hogy az egyik eredeti reaktánssal reagálva intermediereket képez. Például:

Heterogén katalízisben a katalizátor felületén általában kémiai reakció megy végbe:

A katalizátorok széles körben elterjedtek a természetben. Az élő szervezetekben lévő anyagok szinte minden átalakulása szerves katalizátorok - enzimek - részvételével történik.

A katalizátorokat a vegyi termelésben bizonyos folyamatok felgyorsítására használják. Rajtuk kívül olyan anyagokat is használnak, amelyek lassítják a kémiai reakciókat - inhibitorok. Az inhibitorok segítségével különösen a fémeket védik a korróziótól.

A kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezők

Sebesség növelése	Csökkentsd a sebességet
Kémiailag aktív reagensek jelenléte	Kémiailag inaktív reagensek jelenléte
A reagensek koncentrációjának növelése	A reagensek koncentrációjának csökkentése
A szilárd és folyékony reagensek felületének növelése	A szilárd és folyékony reagensek felületének csökkentése
Hőmérséklet emelkedés	Hőmérséklet csökkenés
Katalizátor jelenléte	Inhibitor jelenléte

FELADATOK

1. Határozza meg a kémiai reakció sebességét! Írd le a kifejezést kinetikai törvény színjátszó misék számára következő reakciók:

a) 2C (szol) + O 2 (g) = 2CO (g);

b) 2НI (g.) = H2 (g.) + I 2 (g.).

2. Mi határozza meg a kémiai reakció sebességét? Hozd matematikai kifejezés a kémiai reakció sebességének függése a hőmérséklettől.

3. Jelezze, hogyan befolyásolja a reakciósebességet (állandó térfogat mellett):

a) a reagensek koncentrációjának növelése;

b) a szilárd reagenst őröljük;
c) a hőmérséklet csökkenése;
d) katalizátor bevezetése;
e) a reagensek koncentrációjának csökkentése;
f) hőmérséklet-emelkedés;
g) inhibitor bevezetése;
h) a termékek koncentrációjának csökkentése.

4. Számítsa ki a kémiai reakció sebességét!

CO (g) + H 2O (g) = CO 2 (g) + H 2 (g)

1 literes űrtartalmú edényben, ha 1 perc elteltével 30 másodperccel az indítás után 0,32 mol, 2 perc 10 másodperc múlva pedig 0,44 mol lett. Hogyan befolyásolja a CO-koncentráció növelése a reakciósebességet?

5. Az egyik reakció eredményeként meghatározott idő alatt 6,4 g hidrogén-jodid, egy másik reakcióban azonos körülmények között 6,4 g kén-dioxid keletkezett. Hasonlítsa össze ezeknek a reakcióknak a sebességét. Hogyan változik ezeknek a reakcióknak a sebessége a hőmérséklet emelkedésével?

6. Határozza meg a reakciósebességet

CO (g) + Cl 2 (g) = COCl 2 (g),

ha 20 másodperccel a reakció megindulása után a szén-monoxid kezdeti mennyisége 6 mol-ról 3-szorosára csökkent (a reaktor térfogata 100 l). Hogyan változik a reakció sebessége, ha a klór helyett a kevésbé aktív brómot használjuk? Hogyan változik a reakciósebesség beadáskor?
a) katalizátor; b) inhibitor?

7. Milyen esetben a reakció

CaO (tv.) + CO 2 (g.) = CaCO 3 (tv.)

gyorsabban folyik: nagy darabok vagy kalcium-oxid por használatakor? Kiszámítja:
a) anyag mennyisége; b) a 10 s alatt képződött kalcium-karbonát tömege, ha a reakciósebesség 0,1 mol/(l s), a reaktor térfogata 1 l.

8. A magnéziumminta kölcsönhatása sósav-hidrogén-kloriddal lehetővé teszi, hogy 0,02 mol magnézium-kloridot kapjunk 30 másodperccel a reakció megkezdése után. Határozza meg, mennyi ideig tart 0,06 mol magnézium-klorid előállítása.

E) 70 °C-ról 40 °C-ra a reakciósebesség 8-szorosára csökkent;
g) 60 °C-ról 40 °C-ra a reakciósebesség 6,25-szörösére csökkent;
h) 40 °C-ról 10 °C-ra a reakciósebesség 27-szeresére csökkent.

11. Az autó tulajdonosa lefestette új festék, majd rájött, hogy az utasítások szerint 3 órán át kell száradnia 105 °C-on. Mennyi ideig tart a festék száradása 25°C-on, ha hőmérsékleti együttható a folyamat alapjául szolgáló polimerizációs reakció egyenlő: a) 2; b) 3; 4-kor?

VÁLASZOK FELADATOKRA

1. a) = kc(02); b) = kc(HI)2.

2. T+10 = T .

3. A reakciósebesség a, b, d, f esetekben növekszik; csökken – c, d, g; nem változik - h.

4. 0,003 mol/(l s). A CO-koncentráció növekedésével a reakció sebessége nő.

5. Az első reakció sebessége 2-szer kisebb.

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

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

9. A d, g, h reakciók sebessége 2-szeresére nő; 4-szer – a, b, f; 8-szor - c, d.

10. Hőmérséklet együttható:

2 a b, e reakciókra; = 2,5 – c, g; = 3 – d, h; = 3,5 – a, g.

a) 768 óra (32 nap, azaz több mint 1 hónap);
b) 19 683 óra (820 nap, azaz több mint 2 év);
c) 196 608 óra (8192 nap, azaz 22 év).

A kémiai reakció az egyik anyag átalakulása egy másikká.

Bármilyen típusú kémiai reakciókkal is végrehajtják őket különböző sebességgel. Például a Föld beleiben a geokémiai átalakulások (kristályos hidrátok képződése, sók hidrolízise, ​​ásványi anyagok szintézise vagy lebomlása) több ezer, millió éven keresztül mennek végbe. És az olyan reakciók, mint a puskapor, a hidrogén, a salétrom és a berthollet-só égése, a másodpercek töredékein belül lezajlik.

A kémiai reakció sebessége a reaktánsok (vagy reakciótermékek) egységnyi idő alatti mennyiségének változását jelenti. A leggyakrabban használt fogalom átlagos reakciósebesség (Δc p) az időintervallumban.

v av = ± ∆C/∆t

Termékeknél ∆С > 0, kiindulási anyagoknál -∆С< 0. Наиболее употребляемая единица измерения - моль на литр в секунду (моль/л*с).

Az egyes kémiai reakciók sebessége számos tényezőtől függ: a reagáló anyagok természetétől, a reagáló anyagok koncentrációjától, a reakció hőmérsékletének változásától, a reagáló anyagok őrlésének mértékétől, nyomásváltozásoktól, katalizátor bevezetésétől. a reakcióközegbe.

A reagensek természete jelentősen befolyásolja a kémiai reakció sebességét. Példaként vegyük figyelembe néhány fém kölcsönhatását egy állandó komponenssel - vízzel. Határozzuk meg a fémeket: Na, Ca, Al, Au. A nátrium normál hőmérsékleten nagyon hevesen reagál vízzel, és felszabadul nagy mennyiség melegség.

2Na + 2H 2O = 2NaOH + H2 + Q;

A kalcium normál hőmérsékleten kevésbé hevesen reagál a vízzel:

Ca + 2H 2O = Ca(OH)2 + H2 + Q;

Az alumínium már magas hőmérsékleten reagál a vízzel:

2AI + 6H 2O = 2Al(OH)z + ZH2-Q;

Az arany pedig az egyik inaktív fémek, nem lép reakcióba vízzel sem normál, sem magas hőmérsékleten.

A kémiai reakció sebessége közvetlenül függ attól a reagensek koncentrációja . Tehát a reakcióhoz:

C 2H 4 + 3O 2 = 2CO 2 + 2H 2O;

A reakciósebesség kifejezése a következő:

v = k**[O2]3;

Ahol k a kémiai reakció sebességi állandója, számszerűen sebességgel egyenlő e reakcióból, feltéve, hogy a reagáló komponensek koncentrációja 1 g/mol; a [C 2 H 4 ] és [O 2 ] 3 értékei megfelelnek a reagáló anyagok sztöchiometrikus együtthatójuk erejéig emelt koncentrációknak. Minél nagyobb a [C 2 H 4 ] vagy [O 2 ] koncentrációja, annál több ezeknek az anyagoknak a molekulái ütköznek egységnyi idő alatt, ezért nagyobb sebesség kémiai reakció.

A kémiai reakciók sebessége általában szintén közvetlenül függ a reakció hőmérsékletén . Természetesen a hőmérséklet emelkedésével kinetikus energia molekulák száma növekszik, ami időegység alatt nagy molekulaütközéshez is vezet. Számos kísérlet kimutatta, hogy minden 10 fokos hőmérséklet-változásnál a reakciósebesség 2-4-szeresére változik (nem Hoff szabály):

ahol V T 2 a kémiai reakció sebessége T 2 -nél; V ti a kémiai reakció sebessége T 1 -nél; g a reakciósebesség hőmérsékleti együtthatója.

Befolyás anyagok őrlési foka a reakció sebessége is közvetlenül függ. Minél finomabbak a reagáló anyagok részecskéi, annál több nagyobb mértékben Egységnyi idő alatt érintkeznek egymással, minél nagyobb a kémiai reakció sebessége. Ezért, mint általában, reakciók között gáznemű anyagok vagy az oldatok gyorsabban haladnak, mint szilárd állapotban.

A nyomásváltozások befolyásolják a gáz halmazállapotú anyagok közötti reakció sebességét. Zárt térfogatban, állandó hőmérsékleten a reakció V 1 sebességgel megy végbe. Ha ebben a rendszerben növeljük a nyomást (tehát csökkentjük a térfogatot), akkor a reagáló anyagok koncentrációja nő, molekuláik ütköznek. időegységenkénti időnként növekedni fog, a reakciósebesség V 2 -re nő (v 2 > v 1).

Katalizátorok Olyan anyagok, amelyek megváltoztatják a kémiai reakció sebességét, de a kémiai reakció befejeződése után változatlanok maradnak. A katalizátorok hatását a reakció sebességére katalízisnek nevezik. A katalizátorok felgyorsíthatják és lelassíthatják a kémiai folyamatokat. Amikor a reagensek és a katalizátor azonos az összesítés állapota, akkor homogén katalízisről beszélünk, heterogén katalízisnél pedig a reaktánsok és a katalizátor különböző aggregációs állapotban vannak. A katalizátor és a reagensek közbenső komplexet képeznek. Például egy reakcióhoz:

A katalizátor (K) komplexet képez A-val vagy B-vel - AK, VK, amely K-t szabadít fel egy szabad A vagy B részecskével való kölcsönhatás során:

AK + B = AB + K

VK + A = VA + K;

weboldalon, az anyag teljes vagy részleges másolásakor az eredeti forrásra mutató hivatkozás szükséges.

A kémiai reakció sebessége- az egyik reagáló anyag mennyiségének változása egységnyi idő alatt egységnyi reakciótérben.

A kémiai reakció sebességét a következő tényezők befolyásolják:

• a reagáló anyagok természete;
• a reagensek koncentrációja;
• reagáló anyagok érintkezési felülete (heterogén reakciókban);
• hőfok;
• katalizátorok hatása.

Aktív ütközés elmélet lehetővé teszi bizonyos tényezők befolyásának magyarázatát a kémiai reakció sebességére. Ennek az elméletnek a főbb rendelkezései:

• Reakciók akkor jönnek létre, amikor bizonyos energiájú reagensek részecskéi ütköznek.
• Minél több reagens részecske van, minél közelebb vannak egymáshoz, annál valószínűbb, hogy ütköznek és reagálnak.
• Csak a hatékony ütközések vezetnek reakcióhoz, pl. amelyekben a „régi kapcsolatok” megsemmisülnek vagy meggyengülnek, és ezért „újak” alakulhatnak ki. Ehhez a részecskéknek elegendő energiával kell rendelkezniük.
• A reaktáns részecskék hatékony ütközéséhez szükséges minimális többletenergiát ún aktiválási energia Ea.
• A vegyszerek aktivitása az őket érintő reakciók alacsony aktiválási energiájában nyilvánul meg. Minél alacsonyabb az aktiválási energia, annál nagyobb a reakciósebesség. Például a kationok és anionok közötti reakciókban az aktiválási energia nagyon alacsony, így az ilyen reakciók szinte azonnal bekövetkeznek.

A reagensek koncentrációjának hatása a reakció sebességére

A 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):

A kémiai reakció sebessége arányos a reagáló anyagok koncentrációinak szorzatával, a reakcióegyenletben szereplő együtthatóikkal egyenlő hatványokban. (Az „effektív tömeg” szinonimája modern koncepció"koncentráció")

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 halmazállapotúak), akkor a ZDM egyenlet csak folyékony vagy csak gáznemű reagenseket tartalmaz, a szilárdakat pedig kizárják, csak a k sebességi állandót befolyásolják.

A reakció molekularitása az elemi kémiai folyamatban részt vevő molekulák minimális száma. A molekularitás alapján az elemi kémiai reakciókat molekuláris (A →) és bimolekuláris (A + B →) csoportokra osztják; a trimolekuláris reakciók rendkívül ritkák.

Heterogén reakciók sebessége

• Attól függ anyagok közötti érintkezési felület, azaz az anyagok őrlési fokáról és a reagensek keverésének teljességéről.
• Ilyen például a fatüzelés. Egy egész fahasáb viszonylag lassan ég a levegőben. Ha növeli a fa és a levegő érintkezési felületét, és a rönköt forgácsra hasítja, az égési sebesség megnő.
• A piroforos vasat egy szűrőpapírra öntik. Az ősz folyamán a vasrészecskék felforrósodnak és lángra lobbannak a papíron.

A hőmérséklet hatása a reakciósebességre

A 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.

Az egyes 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 Kevésbé(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 sebességére

A 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 tanulmányozott fő fogalmak:

A kémiai reakciók sebessége

Moláris koncentráció

Kinetika

Homogén és heterogén reakciók

A kémiai reakciók sebességét befolyásoló tényezők

Katalizátor, inhibitor

Katalízis

Megfordítható és visszafordíthatatlan reakciók

Kémiai egyensúly

A kémiai reakciók olyan reakciók, amelyek eredményeként egy anyagból más anyagok keletkeznek (az eredeti anyagokból új anyagok keletkeznek). Egyes kémiai reakciók a másodperc töredéke alatt zajlanak le (robbanás), míg mások percek, napok, évek, évtizedek stb.

Például: a lőpor égési reakciója gyulladással és robbanással azonnal megtörténik, az ezüst sötétedésének vagy a vas rozsdásodásának reakciója (korrózió) pedig olyan lassan megy végbe, hogy ennek eredménye csak hosszú idő után követhető nyomon.

A kémiai reakció sebességének jellemzésére a kémiai reakciósebesség - υ fogalmát használjuk.

A kémiai reakció sebessége a reakció egyik reagensének koncentrációjának változása egységnyi idő alatt.

A kémiai reakció sebességének kiszámítására szolgáló képlet:

υ =	2-től 1-ig	=	∆s
t 2 – t 1	∆ t

с 1 – az anyag moláris koncentrációja ben kezdő pillanat idő t 1

c 2 – az anyag moláris koncentrációja a kezdeti időpontban t 2

mivel a kémiai reakció sebességét változás jellemzi moláris koncentráció reagensek (kiindulási anyagok), majd t 2 > t 1, és c 2 > c 1 (a kiindulási anyagok koncentrációja a reakció előrehaladtával csökken).

Moláris koncentráció (s)– az egységnyi térfogatú anyag mennyisége. A moláris koncentráció mértékegysége [mol/l].

A kémiának a kémiai reakciók sebességét vizsgáló ágát ún kémiai kinetika. Ismerve törvényeit, az ember irányítani tudja kémiai folyamatok, állítson be nekik egy bizonyos sebességet.

A kémiai reakció sebességének kiszámításakor emlékezni kell arra, hogy a reakciókat homogénre és heterogénre osztják.

Homogén reakciók– azonos környezetben végbemenő reakciók (azaz a reagensek azonos aggregációs állapotban vannak; például: gáz + gáz, folyadék + folyadék).

Heterogén reakciók- ezek olyan reakciók, amelyek az a homogén környezet(fázis interfész van, azaz a reagáló anyagok különböző aggregációs állapotban vannak; például: gáz + folyadék, folyadék + szilárd).

A fenti képlet a kémiai reakció sebességének kiszámítására csak homogén reakciókra érvényes. Ha a reakció heterogén, akkor az csak a reaktánsok felületén mehet végbe.

Heterogén reakció esetén a sebességet a következő képlettel számítjuk ki:

∆ν – anyagmennyiség változása

S – interfész terület

∆ t – időtartam, amely alatt a reakció végbement

A kémiai reakciók sebessége számos tényezőtől függ: a reagensek természetétől, az anyagok koncentrációjától, hőmérséklettől, katalizátoroktól vagy inhibitoroktól.

A reakciósebesség függése a reaktánsok természetétől.

Tegyük rendbe ezt a függőséget reakciósebesség példával élve: engedje le két, azonos mennyiségű oldatot tartalmazó kémcsőbe sósavból(HCl), azonos területű fémszemcsék: az első kémcsőben egy vas (Fe) granulátum, a másodikban egy magnézium (Mg) granulátum. A megfigyelések eredményeként a hidrogén felszabadulási sebessége (H2) alapján megállapítható, hogy a magnézium a legnagyobb sebességgel reagál sósavval, mint a vas. Ennek a kémiai reakciónak a sebességét a fém természete befolyásolja (azaz a magnézium kémiailag inkább aktív fém mint a vas, ezért hevesebben reagál a savval).

A kémiai reakciók sebességének függése a reagensek koncentrációjától.

Minél nagyobb a reagáló (kiinduló) anyag koncentrációja, annál gyorsabban megy végbe a reakció. Ezzel szemben minél alacsonyabb a reagens koncentrációja, annál lassabb a reakció.

Például: öntsön tömény sósavoldatot (HCl) az egyik kémcsőbe, és híg sósavoldatot a másikba. Tegyünk mindkét kémcsőbe egy cink granulátumot (Zn). Megfigyeljük a hidrogénfejlődés sebességével, hogy a reakció gyorsabban megy végbe az első kémcsőben, mert a sósav koncentrációja nagyobb benne, mint a második kémcsőben.

A kémiai reakció sebességének függőségének meghatározásához használja (cselekvő) tömegek hatástörvénye : a kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reagáló anyagok koncentrációinak szorzatával, amelyeket együtthatóikkal egyenlő hatványokban vettünk fel.

Például a reakcióvázlat szerint lezajló reakcióhoz: nA + mB → D, A kémiai reakció sebességét a következő képlet határozza meg:

υ h.r. = k · C (A) n · C (B) m , Ahol

υ x.r - kémiai reakció sebessége

C (A) – A

C (B) – egy anyag moláris koncentrációja BAN BEN

n és m – az együtthatók

k – kémiai reakció sebességi állandója (referenciaérték).

A tömeghatás törvénye nem vonatkozik a benne lévő anyagokra szilárd állapot, mert koncentrációjuk állandó (annak köszönhetően, hogy csak a felszínen reagálnak, amely változatlan marad).

Például: reakcióra 2 Cu + O 2 = 2 CuO a reakció sebességét a következő képlet határozza meg:

υ h.r. = k C(O 2)

PROBLÉMA: A 2A + B = D reakció sebességi állandója 0,005. számítsa ki a reakciósebességet A anyag = 0,6 mol/l, B anyag = 0,8 mol/l moláris koncentrációja mellett.

A kémiai reakció sebességének függése a hőmérséklettől.

Ez a függőség meghatározott van't Hoff szabály (1884): minden 10°C-os hőmérséklet-emelkedéssel a kémiai reakció sebessége átlagosan 2-4-szeresére nő.

Így a hidrogén (H 2) és az oxigén (O 2) kölcsönhatása szobahőmérsékleten szinte nem következik be, ennek a kémiai reakciónak a sebessége olyan alacsony. De 500 C o hőmérsékleten ez a reakció 50 perc alatt megy végbe, 700 C o hőmérsékleten pedig szinte azonnal.

Képlet a kémiai reakció sebességének kiszámításához a Van't Hoff-szabály szerint:

ahol: υ t 1 és υ t 2 - a kémiai reakciók sebessége t 2 és t 1 időpontokban

γ a hőmérsékleti együttható, amely megmutatja, hogy a reakciósebesség hányszorosára nő a hőmérséklet 10 C o-os emelésével.

A reakciósebesség megváltoztatása:

2. Helyettesítse be a problémafelvetés adatait a képletbe:

A reakciósebesség függése speciális anyagoktól - katalizátoroktól és inhibitoroktól.

Katalizátor- olyan anyag, amely növeli a kémiai reakció sebességét, de maga nem vesz részt benne.

Inhibitor- olyan anyag, amely lelassítja a kémiai reakciót, de maga nem vesz részt benne.

Példa: egy 3%-os hidrogén-peroxid (H 2 O 2) oldattal felmelegített kémcsőbe tegyünk egy parázsló szilánkot - az nem fog kigyulladni, mert a hidrogén-peroxid vízzé (H 2 O) és oxigénné (O 2) bomlási reakció sebessége nagyon alacsony, és a keletkező oxigén nem elegendő a lebomláshoz. kvalitatív reakció oxigénhez (az égés fenntartásához). Most adjunk a kémcsőbe egy kis fekete port mangán (IV) oxidot (MnO 2), és nézzük meg, hogy megkezdődött a gázbuborékok (oxigén) gyors felszabadulása, és a kémcsőbe bevitt parázsló szilánk fényesen fellángol. Ennek a reakciónak a katalizátora a MnO 2, amely felgyorsította a reakció sebességét, de maga nem vett részt benne (ezt a reakció előtti és utáni katalizátor lemérésével lehet bizonyítani - a tömege nem fog változni).

Határozzuk meg a kémiai kinetika alapfogalmát - a kémiai reakció sebességét:

A kémiai reakció sebessége a kémiai reakció egységnyi idő alatt, térfogategységenként (homogén reakciók esetén) vagy felületegységenként (heterogén reakciók esetén) lezajló elemi műveletek száma.

A kémiai reakció sebessége a reagensek koncentrációjának változása egységnyi idő alatt.

Az első meghatározás a leginkább korlátozó; ebből következik, hogy a kémiai reakció sebessége a rendszer állapotának bármely paraméterének időbeli változásaként is kifejezhető, bármely reagáló anyag részecskéinek számától függően, egységnyi térfogatra vagy felületre - elektromos vezetőképesség, optikai sűrűség, dielektromos állandó stb. stb. A kémiában azonban leggyakrabban a reagensek koncentrációjának időfüggőségét veszik figyelembe. Az egyirányú (irreverzibilis) kémiai reakcióknál (a továbbiakban csak az egyirányú reakciókat vesszük figyelembe) nyilvánvaló, hogy a kiindulási anyagok koncentrációja idővel folyamatosan csökken (ΔC in< 0), а концентрации продуктов реакции увеличиваются (ΔС прод >0). A reakciósebesség pozitívnak tekinthető, így a matematikai definíció átlagos reakciósebesség a Δt időintervallumban van írva a következő módon:

(II.1.)

Különböző időközönként átlagsebesség kémiai reakcióban van különböző jelentések; valós (pillanatnyi) reakciósebesség a koncentráció deriváltja az idő függvényében:

(II.2.)

A reagensek koncentrációjának időbeli függését grafikusan ábrázolják kinetikai görbe (2.1. ábra).

Rizs. 2.1 A kiindulási anyagok (A) és a reakciótermékek (B) kinetikai görbéi.

A valódi reakciósebesség grafikusan meghatározható a kinetikai görbe érintőjének megrajzolásával (2.2. ábra); valódi reakciósebesség Ebben a pillanatban időben egyenlő abszolút érték az érintőszög érintője:

Rizs. 2.2 Grafikus definíció V forrás

(II.3.)

Meg kell jegyezni, hogy ha egy kémiai reakció egyenletében a sztöchiometrikus együtthatók nem azonosak, akkor a reakciósebesség nagysága attól függ, hogy melyik reagens koncentrációját határozták meg. Nyilván a reakcióban

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

a hidrogén, oxigén és víz koncentrációja különböző mértékben változik:

ΔC(H2) = ΔC(H20) = 2 ΔC(O 2).

A kémiai reakció sebessége sok tényezőtől függ: a reagensek természetétől, koncentrációjuktól, hőmérséklettől, az oldószer jellegétől stb.

A kémiai kinetika előtt álló feladatok egyike a reakcióelegy összetételének (vagyis az összes reagens koncentrációjának) bármikori meghatározása, amelyhez ismerni kell a reakciósebesség koncentrációtól való függését. BAN BEN általános eset, minél nagyobb a reagensek koncentrációja, annál nagyobb a kémiai reakció sebessége. A kémiai kinetika alapja az ún. a kémiai kinetika alapvető posztulátuma:

A kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reagáló anyagok koncentrációjának szorzatával, bizonyos hatványokkal.

Mármint a reakcióra

AA + bB + dD + ... → eE + ...

Le lehet írni

(II.4.)

A k arányossági együttható az kémiai reakciósebesség állandó. A sebességi állandó numerikusan megegyezik a reakciósebességgel az összes reagens 1 mol/l koncentrációja esetén.

A reakciósebességnek a reaktánsok koncentrációjától való függését kísérletileg határozzuk meg és ún kinetikai egyenlet kémiai reakció. Nyilvánvalóan a kinetikai egyenlet felírásához kísérletileg meg kell határozni a sebességi állandó és a kitevő értékét a reagáló anyagok koncentrációinál. A kitevő az egyes reagáló anyagok koncentrációjában kinetikai egyenlet kémiai reakció (a (II.4) egyenletben x, y és z) az magánrendelés reakciók ehhez a komponenshez. A kémiai reakció kinetikai egyenletében szereplő kitevők összege (x + y + z) általános reakciórend . Hangsúlyozni kell, hogy a reakció sorrendjét csak kísérleti adatok alapján határozzuk meg, és nincs összefüggésben a reakcióegyenletben szereplő reaktánsok sztöchiometrikus együtthatóival. A reakció sztöchiometrikus egyenlete egy anyagmérleg-egyenlet, és semmilyen módon nem tudja meghatározni a reakció lefolyásának természetét az idő múlásával.

BAN BEN kémiai kinetika A reakciókat nagyságrend szerint szokás osztályozni általános rend reakciók. Tekintsük a reagensek koncentrációjának időfüggését nulla, első és másodrendű irreverzibilis (egyoldalú) reakciók esetén.

Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete