سرعت یک واکنش شیمیایی چقدر است؟ سرعت واکنش، وابستگی آن به عوامل مختلف

13.10.2019

سرعت واکنش های شیمیایی، وابستگی آن به عوامل مختلف

واکنش های شیمیایی همگن و ناهمگن

واکنش‌های شیمیایی با سرعت‌های مختلف اتفاق می‌افتد: با سرعت کم در هنگام تشکیل استالاکتیت‌ها و استالاگمیت‌ها، با سرعت متوسط هنگام پختن غذا، بلافاصله در حین انفجار. واکنش ها در محلول های آبی بسیار سریع و تقریباً بلافاصله انجام می شود. ما محلول های کلرید باریم و سولفات سدیم را مخلوط می کنیم - سولفات باریم بلافاصله به صورت رسوب تشکیل می شود. گوگرد به سرعت می سوزد، اما نه فورا، منیزیم در اسید هیدروکلریک حل می شود، اتیلن آب برم را بی رنگ می کند. زنگ به آرامی روی اجسام آهنی ایجاد می شود، پلاک روی محصولات مسی و برنزی، شاخ و برگ به آرامی پوسیده می شود و دندان ها از بین می روند.

پیش‌بینی سرعت یک واکنش شیمیایی، و همچنین روشن کردن وابستگی آن به شرایط فرآیند، یک کار است. سینتیک شیمیایی- علم در مورد الگوهای واکنش های شیمیایی که در طول زمان رخ می دهند.

اگر واکنش های شیمیاییدر یک محیط همگن، به عنوان مثال، در محلول یا در فاز گاز رخ می دهد، سپس برهمکنش مواد واکنش دهنده در کل حجم رخ می دهد. چنین واکنش هایی، همانطور که می دانید، نامیده می شوند همگن.

سرعت یک واکنش همگن ($v_(همگن)$) به عنوان تغییر در مقدار ماده در واحد زمان در واحد حجم تعریف می‌شود:

$υ_(هموگ.)=(∆n)/(∆t·V)،$

که در آن $∆n$ تغییر در تعداد مولهای یک ماده است (اغلب ماده اولیه است، اما می تواند یک محصول واکنش نیز باشد). $∆t$ - فاصله زمانی (s، min.)؛ $V$ حجم گاز یا محلول (l) است.

از آنجایی که نسبت مقدار ماده به حجم نشان دهنده غلظت مولی $C$ است، پس

$(∆n)/(V)=∆C.$

بدین ترتیب، سرعت واکنش همگنبه عنوان تغییر در غلظت یکی از مواد در واحد زمان تعریف می شود:

$υ_(هموگ.)=(∆C)/(∆t)[(mol)/(l s)]$

اگر حجم سیستم تغییر نکند. اگر واکنشی بین موادی در حالت‌های مختلف تجمع (مثلاً بین جامد و گاز یا مایع) یا بین موادی که قادر به تشکیل یک محیط همگن نیستند (مثلاً بین مایعات غیرقابل اختلاط) رخ دهد، آنگاه فقط در سطح تماس مواد چنین واکنش هایی نامیده می شود ناهمگون.

سرعت واکنش ناهمگنبه عنوان تغییر در مقدار ماده در واحد زمان در سطح واحد تعریف می شود:

$υ_(هموگ.)=(∆C)/(∆t S)[(mol)/(s m^2)]$

که در آن $S$ مساحت سطح تماس بین مواد است ($m^2، cm^2$).

اگر در طول هر واکنش در حال انجام، غلظت ماده شروع به طور تجربی در نقاط مختلف زمان اندازه گیری شود، می توان تغییر آن را به صورت گرافیکی با استفاده از یک منحنی جنبشی برای این معرف نشان داد.

سرعت واکنش ثابت نیست. ما فقط میانگین سرعت معینی از یک واکنش معین را در یک بازه زمانی مشخص نشان دادیم.

تصور کنید که ما در حال تعیین سرعت واکنش هستیم

$H_2+Cl_2→2HCl$

الف) با تغییر در غلظت $Н_2$؛

ب) با تغییر در غلظت $HCl$.

آیا به همان مقادیر خواهیم رسید؟ از این گذشته، از $1$ mol $H_2$$2$ mol $HCl$ تشکیل می‌شود، بنابراین سرعت در حالت b) دو برابر بیشتر خواهد بود. در نتیجه، مقدار سرعت واکنش به ماده ای که توسط آن تعیین می شود نیز بستگی دارد.

تغییر در مقدار ماده ای که با آن سرعت واکنش تعیین می شود یک عامل خارجی است که محقق مشاهده می کند. در واقع تمامی فرآیندها در سطح خرد انجام می شود. بدیهی است که برای اینکه برخی از ذرات واکنش نشان دهند، ابتدا باید با هم برخورد کنند، و به طور مؤثر برخورد کنند: مانند توپ در جهات مختلف پراکنده نشوند، بلکه به گونه ای که پیوندهای قدیمی موجود در ذرات از بین رفته یا ضعیف شده و پیوندهای جدید ایجاد شود. برای رسیدن به این هدف، ذرات باید انرژی کافی داشته باشند.

داده های محاسبه شده نشان می دهد که مثلاً در گازها، برخورد مولکول ها در فشار اتمسفر به میلیاردها دلار در هر 1 دلار در ثانیه می رسد، یعنی. همه واکنش ها باید فورا رخ می دهند. اما این درست نیست. به نظر می رسد که تنها بخش بسیار کوچکی از مولکول ها انرژی لازم برای منجر به برخورد موثر را دارند.

حداقل انرژی اضافی که یک ذره (یا جفت ذره) باید داشته باشد تا یک برخورد مؤثر رخ دهد، نامیده می شود. انرژی فعال سازی$E_a$.

بنابراین، در مسیر تمام ذرات وارد شده به واکنش، یک سد انرژی برابر با انرژی فعال سازی $E_a$ وجود دارد. وقتی کوچک است، ذرات زیادی وجود دارند که می توانند بر آن غلبه کنند و سرعت واکنش بالاست. در غیر این صورت، فشار لازم است. وقتی کبریت را برای روشن کردن لامپ الکلی می آورید، انرژی اضافی $E_a$ لازم برای برخورد موثر مولکول های الکل با مولکول های اکسیژن (غلبه بر مانع) را به بدن می دهید.

در پایان، اجازه دهید نتیجه گیری کنیم: بسیاری از واکنش های ممکن عملا رخ نمی دهد، زیرا انرژی فعال سازی بالاست

این برای زندگی ما اهمیت زیادی دارد. تصور کنید اگر تمام واکنش‌های مجاز ترمودینامیکی بدون هیچ مانع انرژی (انرژی فعال‌سازی) انجام شود، چه اتفاقی می‌افتد. اکسیژن موجود در هوا با هر چیزی که می تواند بسوزد یا به سادگی اکسید شود واکنش نشان می دهد. همه مواد آلی آسیب می بینند، آنها به دی اکسید کربن $CO_2$ و آب $H_2O$ تبدیل می شوند.

سرعت یک واکنش شیمیایی به عوامل زیادی بستگی دارد. موارد اصلی عبارتند از: ماهیت و غلظت مواد واکنش دهنده ، فشار (در واکنشهای مربوط به گازها) ، دما ، عملکرد کاتالیزورها و سطح مواد واکنش دهنده در مورد واکنشهای ناهمگن. بیایید تأثیر هر یک از این عوامل را بر سرعت یک واکنش شیمیایی در نظر بگیریم.

درجه حرارت

می دانید که وقتی دما افزایش می یابد، در بیشتر موارد سرعت یک واکنش شیمیایی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. در قرن 19 شیمیدان هلندی J. H. vant Hoff این قانون را فرموله کرد:

افزایش دما برای هر 10 درجه سانتیگراد $ منجر به افزایش نرخ واکنش 2-4 بار می شود (این مقدار ضریب دمای واکنش نامیده می شود).

با افزایش دما ، میانگین سرعت مولکول ها ، انرژی آنها و تعداد تصادفات اندکی افزایش می یابد ، اما نسبت مولکول های فعال شرکت کننده در برخورد مؤثر که بر سد انرژی واکنش غلبه می کنند به شدت افزایش می یابد.

از نظر ریاضی، این وابستگی با رابطه بیان می شود:

$υ_(t_2)=υ_(t_1)γ^((t_2-t_1)/(10))،$

جایی که $ υ_ (t_1) $ و $ υ_ (t_2) $ نرخ واکنش در دمای نهایی $ t_2 $ و $ t_1 $ اولیه به ترتیب و $ γ $ ضریب دما نرخ واکنش است ، که نشان می دهد چه تعداد با افزایش دما به ازای هر 10 درجه سانتی‌گراد، سرعت واکنش افزایش می‌یابد.

با این حال، برای افزایش سرعت واکنش، افزایش دما همیشه قابل استفاده نیست، زیرا ممکن است مواد اولیه شروع به تجزیه کنند، حلال ها یا خود مواد ممکن است تبخیر شوند.

غلظت واکنش دهنده ها

تغییر فشار زمانی که مواد گازی در واکنش شرکت می کنند منجر به تغییر غلظت این مواد نیز می شود.

برای اینکه فعل و انفعالات شیمیایی بین ذرات رخ دهد، آنها باید به طور موثر با هم برخورد کنند. هر چه غلظت واکنش دهنده ها بیشتر باشد، برخورد بیشتر و بر این اساس، سرعت واکنش بیشتر می شود. به عنوان مثال، استیلن در اکسیژن خالص خیلی سریع می سوزد. در این حالت دمای کافی برای ذوب فلز ایجاد می شود. بر اساس مقدار زیادی از مواد آزمایشی ، در سال 1867 نروژی ها K. Guldenberg و P. Waage و مستقل از آنها در سال 1865 ، دانشمند روسی N.I. Beketov قانون اساسی سینتیک شیمیایی را تدوین کرد و وابستگی میزان واکنش به غلظت را تعیین کرد. از مواد واکنش دهنده

میزان یک واکنش شیمیایی متناسب با محصول غلظت مواد واکنش دهنده ، گرفته شده در قدرت های برابر با ضرایب آنها در معادله واکنش است.

به این قانون قانون عمل توده ای نیز می گویند.

برای واکنش $A+B=D$ این قانون به صورت زیر بیان می شود:

$υ_1=k_1·C_A·C_B$

برای واکنش $2A+B=D$ این قانون به صورت زیر بیان می شود:

$υ_2=k_2·C_A^2·C_B$

در اینجا $С_А، С_В$ غلظت مواد $А$ و $В$ (mol/l) هستند. $k_1$ و $k_2$ ضرایب تناسبی هستند که ثابت سرعت واکنش نامیده می شوند.

معنای فیزیکی ثابت میزان واکنش ثابت نیست - از نظر عددی برابر با میزان واکنش است که در آن غلظت واکنش دهنده ها برابر با 1 $ $ mol/l یا محصول آنها برابر با وحدت است. در این حالت مشخص است که ثابت سرعت واکنش فقط به دما بستگی دارد و به غلظت مواد بستگی ندارد.

قانون عمل جرم غلظت مواد واکنش دهنده در حالت جامد را در نظر نمی گیرد، زیرا آنها روی سطوح واکنش نشان می دهند و غلظت آنها معمولا ثابت است.

به عنوان مثال، برای واکنش احتراق زغال سنگ

عبارت سرعت واکنش باید به صورت زیر نوشته شود:

$υ=k·C_(O_2)$،

یعنی سرعت واکنش فقط با غلظت اکسیژن متناسب است.

اگر معادله واکنش فقط یک واکنش شیمیایی کل را که در چندین مرحله اتفاق می افتد توصیف کند ، آنگاه میزان چنین واکنشی می تواند به روشی پیچیده به غلظت مواد شروع بستگی داشته باشد. این وابستگی به صورت تجربی یا نظری بر اساس مکانیسم واکنش پیشنهادی تعیین می شود.

عمل کاتالیزورها

با استفاده از مواد خاص که مکانیسم واکنش را تغییر داده و آن را در طول یک مسیر با انرژی مطلوب تر با انرژی فعال سازی پایین تر هدایت می کند ، می توان سرعت یک واکنش را افزایش داد. نامیده می شوند کاتالیزورها(از لات کاتالیز- تخریب).

کاتالیزور به عنوان یک راهنمای باتجربه عمل می کند ، گروهی از گردشگران را نه از طریق یک گذرگاه بلند در کوهستان هدایت می کند (غلبه بر آن نیاز به تلاش و زمان زیادی دارد و برای همه در دسترس نیست) ، اما در طول مسیرهای بای پس که برای او شناخته شده است ، که در آن در طی آن ، می توان خیلی راحت تر و سریع تر بر کوه غلبه کرد. درست است، با استفاده از مسیر دوربرگردان می توانید دقیقاً به جایی که گذر اصلی منتهی می شود نرسید. اما گاهی اوقات این دقیقا همان چیزی است که لازم است! این دقیقاً همان چیزی است که کاتالیزورها نامیده می شوند انتخابی. واضح است که نیازی به سوزاندن آمونیاک و نیتروژن نیست، اما از اکسید نیتریک (II) در تولید اسید نیتریک استفاده می شود.

کاتالیزورها موادی هستند که در یک واکنش شیمیایی شرکت می کنند و سرعت یا جهت آن را تغییر می دهند ، اما در پایان واکنش بدون تغییر و از نظر کیفی باقی می مانند.

تغییر سرعت یک واکنش شیمیایی یا جهت آن با استفاده از کاتالیزور نامیده می شود کاتالیزور. کاتالیزورها به طور گسترده در صنایع مختلف و حمل و نقل مورد استفاده قرار می گیرند (مبدل های کاتالیزوری که اکسیدهای نیتروژن را از گازهای اگزوز خودرو به نیتروژن بی ضرر تبدیل می کنند).

دو نوع کاتالیزور وجود دارد.

کاتالیز همگن، که در آن کاتالیزور و واکنش دهنده ها در یک حالت تجمع (فاز) هستند.

کاتالیز ناهمگن، که در آن کاتالیزور و واکنش دهنده ها در فازهای مختلف هستند. به عنوان مثال، تجزیه پراکسید هیدروژن در حضور یک کاتالیزور اکسید منگنز (IV) جامد:

$2H_2O_2(→)↖(MnO_2(I))2H_2O_((l))+O_2(g)$

خود کاتالیزور در نتیجه واکنش مصرف نمی شود، اما اگر مواد دیگری روی سطح آن جذب شوند (به آنها می گویند. سموم کاتالیزوری) سپس سطح غیر قابل عملیات می شود و نیاز به بازسازی کاتالیست است. بنابراین، قبل از انجام واکنش کاتالیزوری، مواد اولیه کاملاً خالص می شوند.

به عنوان مثال، در تولید اسید سولفوریک به روش تماسی، از یک کاتالیزور جامد - اکسید وانادیم (V) $V_2O_5$ استفاده می شود:

$2SO_2+O_2⇄2SO_3$

در تولید متانول، از یک کاتالیزور جامد روی کروم استفاده می شود ($8ZnO·Cr_2O_3×CrO_3$):

$CO_((گرم))+2H_(2(گرم))⇄CH_3OH_((گرم))$

کاتالیزورهای بیولوژیکی بسیار موثر عمل می کنند - آنزیم ها. از نظر ماهیت شیمیایی آنها پروتئین هستند. به لطف آنها، واکنش های شیمیایی پیچیده با سرعت بالا در موجودات زنده در دمای پایین رخ می دهد. آنزیم ها به ویژه خاص هستند ؛ هر یک از آنها فقط واکنش خود را تسریع می کنند ، که در زمان مناسب و در مکان مناسب با عملکرد نزدیک به 100 ٪ $ رخ می دهد. ایجاد کاتالیزورهای مصنوعی شبیه به آنزیم ها رویای یک شیمیدان است!

شما ، البته ، در مورد مواد جالب دیگر شنیده اید - مهار کننده ها(از لات مهار کردن- بازداشت). آنها با ذرات فعال با سرعت بالا واکنش نشان می دهند تا ترکیبات کم فعال تشکیل شوند. در نتیجه ، واکنش به شدت کند می شود و سپس متوقف می شود. مهار کننده ها اغلب به طور خاص به مواد مختلف برای جلوگیری از فرآیندهای ناخواسته اضافه می شوند.

به عنوان مثال ، از مهار کننده ها برای تثبیت محلول های پراکسید هیدروژن ، مونومرها برای جلوگیری از پلیمریزاسیون زودرس و اسید هیدروکلریک استفاده می شود تا بتواند در ظروف فولادی حمل شود. مهار کننده ها در موجودات زنده نیز یافت می شوند ؛ آنها واکنش های مختلف اکسیداسیون مضر را در سلولهای بافتی سرکوب می کنند ، که می توانند به عنوان مثال با تابش رادیواکتیو آغاز شوند.

ماهیت مواد واکنش دهنده (ترکیب ، ساختار آنها)

مقدار انرژی فعال سازی عاملی است که از طریق آن ماهیت واکنش دهنده ها بر میزان واکنش تأثیر می گذارد.

اگر انرژی فعال سازی کم باشد ($< 40$ 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 этих случаях ничтожно мала.

اگر انرژی فعال سازی زیاد باشد ($> 120 kJ/mol) ، این بدان معنی است که تنها بخش کوچکی از برخورد بین ذرات تعامل منجر به یک واکنش می شود. بنابراین میزان چنین واکنشی بسیار کم است. به عنوان مثال ، پیشرفت واکنش سنتز آمونیاک در دمای معمولی تقریباً غیرممکن است.

اگر انرژی فعال سازی دارای مقادیر میانی (40-120 $ kJ/mol) باشد ، نرخ چنین واکنشی به طور متوسط خواهد بود. چنین واکنش هایی شامل تعامل سدیم با آب یا الکل اتیل ، تجزیه آب برمین با اتیلن ، تعامل روی با اسید هیدروکلریک و غیره است.

سطح تماس مواد واکنش دهنده

میزان واکنشهای موجود در سطح مواد ، یعنی ناهمگن ، بستگی دارد ، چیزهای دیگر با خصوصیات این سطح برابر هستند. مشخص شده است که گچ پودر در اسید هیدروکلریک بسیار سریعتر از یک تکه گچ با وزن برابر حل می شود.

افزایش میزان واکنش ، اول از همه ، با افزایش سطح تماس مواد شروع و همچنین به دلایل دیگر ، به عنوان مثال ، تخریب ساختار یک شبکه کریستالی معمولی توضیح داده شده است. این منجر به این واقعیت می شود که ذرات روی سطح ریزگردها حاصل از آن بسیار واکنش پذیر تر از ذرات مشابه در یک سطح صاف هستند.

در صنعت، برای انجام واکنش های ناهمگن، از یک بستر سیال برای افزایش سطح تماس مواد واکنش دهنده، تامین مواد اولیه و حذف محصولات استفاده می شود. به عنوان مثال، در تولید اسید سولفوریک، پیریت با استفاده از یک بستر سیال پخته می شود. در شیمی آلی، با استفاده از بستر سیال، ترک خوردگی کاتالیزوری فرآورده های نفتی و بازسازی (بازیابی) یک کاتالیزور شکست خورده (کک شده) انجام می شود.

سرعت واکنش های شیمیایی تعادل شیمیایی

طرح:

1. مفهوم سرعت یک واکنش شیمیایی.

2. عوامل مؤثر بر سرعت یک واکنش شیمیایی.

3. تعادل شیمیایی. عوامل موثر بر تعادل جابجایی اصل لو شاتلیه

واکنش های شیمیایی با سرعت های مختلف رخ می دهد. واکنش ها در محلول های آبی خیلی سریع رخ می دهد. به عنوان مثال، اگر محلول های کلرید باریم و سولفات سدیم تخلیه شوند، بلافاصله یک رسوب سفید از سولفات باریم رسوب می کند. اتیلن به سرعت، اما نه فورا، آب برم را تغییر رنگ می دهد. زنگ به آرامی روی اجسام آهنی ایجاد می شود، پلاک روی محصولات مسی و برنزی ظاهر می شود و شاخ و برگ ها پوسیده می شوند.

علم سرعت یک واکنش شیمیایی و همچنین شناسایی وابستگی آن به شرایط فرآیند را مطالعه می کند - سینتیک شیمیایی

اگر واکنش ها در یک محیط همگن، به عنوان مثال، در یک فاز محلول یا گاز اتفاق بیفتد، آنگاه برهمکنش واکنش دهنده ها در کل حجم رخ می دهد. چنین واکنش هایی نامیده می شود همگن.

اگر واکنشی بین موادی در حالت‌های مختلف تجمع (مثلاً بین یک جامد و یک گاز یا مایع) یا بین موادی که قادر به تشکیل یک محیط همگن نیستند (مثلاً بین دو مایع غیرقابل اختلاط) رخ دهد، آنگاه انجام می‌شود. فقط روی سطح تماس مواد. چنین واکنش هایی نامیده می شود ناهمگون.

υ یک واکنش همگن با تغییر مقدار ماده در واحد در واحد حجم تعیین می شود:

υ =Δn / Δt ∙V

که در آن Δ n تغییر در تعداد مول های یکی از مواد است (اغلب اصلی است، اما می تواند محصول واکنش نیز باشد)، (مول).

V – حجم گاز یا محلول (l)

از آنجایی که Δ n / V = ΔC (تغییر غلظت)، پس

υ =Δ C / Δt (mol/l∙ s)

υ یک واکنش ناهمگن با تغییر مقدار ماده در واحد زمان در سطح واحد تماس مواد تعیین می شود.

υ =Δn / Δt ∙ S

که در آن Δ n - تغییر در مقدار ماده (معرف یا محصول)، (مول)؛

Δt - فاصله زمانی (s، min)؛

S – مساحت سطح تماس مواد (cm 2, m 2)

چرا سرعت واکنش های مختلف یکسان نیست؟

برای شروع یک واکنش شیمیایی، مولکول های مواد واکنش دهنده باید با هم برخورد کنند. اما هر برخوردی منجر به یک واکنش شیمیایی نمی شود. برای اینکه یک برخورد منجر به یک واکنش شیمیایی شود، مولکول ها باید به اندازه کافی انرژی بالایی داشته باشند. ذراتی که در اثر برخورد می توانند تحت یک واکنش شیمیایی قرار گیرند، نامیده می شوند فعال.آنها در مقایسه با انرژی متوسط اکثر ذرات - انرژی فعال سازی - انرژی اضافی دارند E عمل کنید.ذرات فعال در یک ماده بسیار کمتر از انرژی متوسط است، بنابراین برای شروع بسیاری از واکنش ها، باید مقداری انرژی به سیستم داده شود (فلش نور، گرما، شوک مکانیکی).

سد انرژی (ارزش E عمل کنید) برای واکنش های مختلف متفاوت است، هر چه کمتر باشد، واکنش آسان تر و سریعتر انجام می شود.

2. عوامل مؤثر بر υ(تعداد برخورد ذرات و کارایی آنها).

1) ماهیت واکنش دهنده ها:ترکیب آنها، ساختار => انرژی فعال سازی

▪ کمتر E عمل کنید، υ بزرگتر است.

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

اگر E عمل کنید> 120 کیلوژول بر مول، این بدان معناست که تنها بخش کوچکی از برخورد بین ذرات برهم کنش منجر به واکنش می شود. سرعت چنین واکنش هایی بسیار کم است. مثلا زنگ زدن آهن یا

وقوع واکنش سنتز آمونیاک در دماهای معمولی تقریبا غیرممکن است.

اگر E عمل کنیددارای مقادیر میانی (40-120 کیلوژول بر مول)، سپس سرعت چنین واکنش هایی متوسط خواهد بود. چنین واکنش هایی شامل برهمکنش سدیم با آب یا اتانول، تغییر رنگ آب برم با اتیلن و غیره است.

2) درجه حرارت: در t برای هر 10 0 C، υ 2-4 بار (قانون van't Hoff).

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

در t، تعداد ذرات فعال (s E عمل کنید) و برخوردهای فعال آنها.

وظیفه 1.سرعت یک واکنش معین در 0 0 C برابر است با 1 mol/l ∙ h، ضریب دمایی واکنش 3 است. سرعت این واکنش در 30 0 C چقدر خواهد بود؟

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

υ 2 = 1∙3 30-0/10 = 3 3 = 27 mol/l∙h

3) تمرکز:هر چه بیشتر، برخورد و υ بیشتر اتفاق می افتد. در دمای ثابت برای واکنش mA + nB = C مطابق قانون عمل جرم:

υ = k ∙ C A m ∙ C B n

که در آن k ثابت سرعت است.

C – غلظت (mol/l)

قانون کنش جمعی:

Z.d.m. غلظت مواد واکنش دهنده در حالت جامد را در نظر نمی گیرد، زیرا آنها روی سطوح واکنش نشان می دهند و غلظت آنها معمولا ثابت می ماند.

وظیفه 2.واکنش طبق معادله A + 2B → C ادامه می یابد. هنگامی که غلظت ماده B 3 برابر افزایش می یابد چند بار و سرعت واکنش چگونه تغییر می کند؟

راه حل:υ = k ∙ C A m ∙ C B n

υ = k ∙ C A ∙ C B 2

υ 1 = k ∙ a ∙ b 2

υ 2 = k ∙ a ∙ 3 در 2

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

پاسخ: 9 برابر افزایش می یابد

برای مواد گازی، سرعت واکنش به فشار بستگی دارد

هر چه فشار بیشتر باشد، سرعت بالاتر است.

4) کاتالیزورها– موادی که مکانیسم واکنش را تغییر می دهند، کاهش می دهند E عمل کنید => υ .

▪ پس از اتمام واکنش، کاتالیزورها بدون تغییر باقی می مانند

▪ آنزیم ها کاتالیزورهای بیولوژیکی، پروتئین ها ذاتاً هستند.

▪ بازدارنده ها – موادی که ↓ υ

5) برای واکنش های ناهمگن، υ نیز بستگی دارد:

▪ روی حالت سطح تماس مواد واکنش دهنده.

مقایسه کنید: حجم مساوی محلول اسید سولفوریک در 2 لوله آزمایش ریخته شد و در همان زمان یک میخ آهنی در یکی و براده های آهن در دیگری ریخته شد. آسیاب کردن یک جامد منجر به افزایش تعداد مولکول های آن می شود که همزمان می توانند واکنش نشان دهند. . بنابراین، در لوله آزمایش دوم سرعت واکنش بیشتر از لوله آزمایش اول خواهد بود.

مفاهیم اصلی مورد مطالعه:

سرعت واکنش های شیمیایی

غلظت مولی

سینتیک

واکنش های همگن و ناهمگن

عوامل موثر بر سرعت واکنش های شیمیایی

کاتالیزور، بازدارنده

کاتالیزور

واکنش های برگشت پذیر و غیر قابل برگشت

تعادل شیمیایی

واکنش های شیمیایی واکنش هایی هستند که در نتیجه آنها مواد دیگری از یک ماده به دست می آیند (مواد جدید از مواد اولیه تشکیل می شوند). برخی از واکنش های شیمیایی در کسری از ثانیه رخ می دهند (انفجار)، در حالی که برخی دیگر دقیقه، روز، سال، دهه و غیره طول می کشد.

به عنوان مثال: واکنش احتراق باروت فوراً با اشتعال و انفجار رخ می دهد و واکنش تیره شدن نقره یا زنگ زدگی آهن (خوردگی) آنقدر آهسته رخ می دهد که نتیجه آن تنها پس از مدت طولانی قابل بررسی است.

برای توصیف سرعت یک واکنش شیمیایی، از مفهوم سرعت واکنش شیمیایی - υ استفاده می شود.

سرعت واکنش شیمیاییتغییر در غلظت یکی از واکنش دهنده های یک واکنش در واحد زمان است.

فرمول محاسبه سرعت یک واکنش شیمیایی:

υ =	از 2 - از 1	=	∆s
t 2 - t 1	∆t

c 1 – غلظت مولی ماده در زمان اولیه t 1

c 2 – غلظت مولی ماده در زمان اولیه t 2

از آنجایی که سرعت یک واکنش شیمیایی با تغییر در غلظت مولی واکنش دهنده ها (مواد شروع کننده) مشخص می شود، سپس t 2 > t 1 و c 2 > c 1 ( غلظت مواد شروع کننده با ادامه واکنش کاهش می یابد) .

غلظت مولی (ها)- مقدار ماده در واحد حجم است. واحد اندازه گیری غلظت مولی [mol/l] است.

شاخه ای از شیمی که سرعت واکنش های شیمیایی را مطالعه می کند سینتیک شیمیایی. با دانستن قوانین آن، فرد می تواند فرآیندهای شیمیایی را کنترل کرده و آنها را با سرعت خاصی تنظیم کند.

هنگام محاسبه سرعت یک واکنش شیمیایی، لازم است به یاد داشته باشید که واکنش ها به همگن و ناهمگن تقسیم می شوند.

واکنش های همگن- واکنش‌هایی که در یک محیط اتفاق می‌افتند (یعنی واکنش‌دهنده‌ها در یک حالت تجمع هستند. به عنوان مثال: گاز + گاز، مایع + مایع).

واکنش های ناهمگن- اینها واکنش هایی هستند که بین مواد در یک محیط ناهمگن رخ می دهند (یک رابط فاز وجود دارد، یعنی مواد واکنش دهنده در حالت های مختلف تجمع هستند. به عنوان مثال: گاز + مایع، مایع + جامد).

فرمول فوق برای محاسبه سرعت یک واکنش شیمیایی فقط برای واکنش های همگن معتبر است. اگر واکنش ناهمگن باشد، تنها در سطح واکنش دهنده ها می تواند رخ دهد.

برای یک واکنش ناهمگن، سرعت با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

∆ν – تغییر در مقدار ماده

S – ناحیه رابط

∆ t – دوره زمانی که واکنش در آن انجام شد

سرعت واکنش های شیمیایی به عوامل مختلفی بستگی دارد: ماهیت واکنش دهنده ها، غلظت مواد، دما، کاتالیزورها یا بازدارنده ها.

وابستگی سرعت واکنش به ماهیت مواد واکنش دهنده.

بیایید این وابستگی سرعت واکنش را تحلیل کنیم با استفاده از یک مثال: بیایید گرانول های فلزی با مساحت مساوی را در دو لوله آزمایش که حاوی همان مقدار محلول اسید کلریدریک (HCl) هستند بریزیم: یک گرانول آهن (Fe) در اولین لوله آزمایش و یک گرانول منیزیم (Mg) در لوله آزمایش دوم. در نتیجه مشاهدات، بر اساس سرعت آزادسازی هیدروژن (H2)، می توان اشاره کرد که منیزیم با اسید کلریدریک با بالاترین سرعت نسبت به آهن واکنش می دهد.. سرعت این واکنش شیمیایی تحت تأثیر ماهیت فلز است (یعنی منیزیم فلزی واکنش پذیرتر از آهن است و بنابراین شدیدتر با اسید واکنش می دهد).

وابستگی سرعت واکنش های شیمیایی به غلظت واکنش دهنده ها.

هر چه غلظت ماده واکنش دهنده (شروع کننده) بیشتر باشد، واکنش سریعتر پیش می رود. برعکس، هر چه غلظت واکنش دهنده کمتر باشد، واکنش کندتر است.

به عنوان مثال: محلول غلیظ اسید کلریدریک (HCl) را در یک لوله آزمایش و محلول رقیق اسید کلریدریک را در لوله آزمایش بریزید. بیایید یک گرانول روی (Zn) را در هر دو لوله آزمایش قرار دهیم. ما با سرعت تکامل هیدروژن مشاهده خواهیم کرد که واکنش در اولین لوله آزمایش سریعتر انجام می شود، زیرا غلظت اسید هیدروکلریک در آن بیشتر از لوله آزمایش دوم است.

برای تعیین وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی، استفاده کنید قانون عمل توده های (فعال) : سرعت یک واکنش شیمیایی با حاصلضرب غلظت مواد واکنش دهنده نسبت مستقیم دارد، در توان هایی که برابر با ضرایب آنها است.

به عنوان مثال، برای واکنشی که طبق طرح پیش می رود: nA + mB → D, سرعت یک واکنش شیمیایی با فرمول تعیین می شود:

υ h.r. = k · C (A) n · C (B) m , جایی که

υ x.r - سرعت واکنش شیمیایی

ج (الف) – آ

C (B) - غلظت مولی یک مادهکه در

n و m - ضرایب آنها

k – ثابت سرعت یک واکنش شیمیایی (مقدار مرجع).

قانون عمل جرم در مورد مواد در حالت جامد صدق نمی کند، زیرا غلظت آنها ثابت است (به دلیل این واقعیت است که آنها فقط روی سطح واکنش نشان می دهند، که بدون تغییر باقی می ماند).

به عنوان مثال: برای واکنش 2 Cu + O 2 = 2 CuO سرعت واکنش با فرمول تعیین می شود:

υ h.r. = k C(O 2)

مشکل: ثابت سرعت برای واکنش 2A + B = D 0.005 است. سرعت واکنش را در غلظت مولی ماده A = 0.6 mol/l، ماده B = 0.8 mol/l محاسبه کنید.

وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما.

این وابستگی مشخص می شود قانون وانت هاف (1884): با هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما، سرعت یک واکنش شیمیایی به طور متوسط 2 تا 4 برابر افزایش می یابد.

بنابراین، برهمکنش هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) در دمای اتاق تقریباً رخ نمی دهد، سرعت این واکنش شیمیایی بسیار کم است. اما در دمای 500 درجه سانتیگراد این واکنش در 50 دقیقه و در دمای 700 درجه سانتیگراد تقریباً بلافاصله رخ می دهد.

فرمول محاسبه سرعت یک واکنش شیمیایی بر اساس قانون وانت هاف:

که در آن: υ t 1 و υ t 2 - نرخ واکنش های شیمیایی در t 2 و t 1

γ ضریب دما است که نشان می دهد با افزایش دما به میزان 10 درجه سانتیگراد چند برابر سرعت واکنش افزایش می یابد.

تغییر سرعت واکنش:

2. داده های بیانیه مشکل را با فرمول جایگزین کنید:

وابستگی سرعت واکنش به مواد خاص - کاتالیزورها و بازدارنده ها.

کاتالیزور- ماده ای که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می دهد، اما خود در آن شرکت نمی کند.

بازدارنده- ماده ای که واکنش شیمیایی را کند می کند، اما خود در آن شرکت نمی کند.

به عنوان مثال: در یک لوله آزمایش با محلول 3٪ پراکسید هیدروژن (H 2 O 2) که گرم شده است، یک خرده در حال سوختن اضافه کنید - روشن نمی شود، زیرا سرعت واکنش تجزیه پراکسید هیدروژن به آب (H2O) و اکسیژن (O2) بسیار کم است و اکسیژن حاصل برای انجام یک واکنش با کیفیت بالا به اکسیژن (احتراق پایدار) کافی نیست. حالا بیایید کمی پودر سیاه اکسید منگنز (IV) (MnO 2) را به لوله آزمایش اضافه کنیم و ببینیم که آزاد شدن سریع حباب‌های گاز (اکسیژن) آغاز شده است و شکاف در حال سوختن وارد شده به لوله آزمایش به خوبی شعله ور می‌شود. MnO 2 کاتالیزور این واکنش است؛ سرعت واکنش را تسریع کرد، اما خود در آن شرکت نکرد (این را می توان با وزن کردن کاتالیزور قبل و بعد از واکنش ثابت کرد - جرم آن تغییر نمی کند).

ما دائماً با فعل و انفعالات شیمیایی مختلفی روبرو هستیم. احتراق گاز طبیعی، زنگ زدن آهن، ترش شدن شیر - اینها همه فرآیندهایی نیستند که در یک دوره شیمی مدرسه به طور مفصل مورد مطالعه قرار می گیرند.

برخی از واکنش ها کسری از ثانیه طول می کشد تا رخ دهد، در حالی که برخی از واکنش ها روزها یا هفته ها طول می کشد.

بیایید سعی کنیم وابستگی سرعت واکنش به دما، غلظت و عوامل دیگر را شناسایی کنیم. استاندارد آموزشی جدید حداقل زمان تدریس را به این موضوع اختصاص داده است. تست های آزمون یکپارچه دولتی شامل وظایفی در مورد وابستگی سرعت واکنش به دما، غلظت و حتی مشکلات محاسباتی است. بسیاری از دانش آموزان دبیرستانی در یافتن پاسخ این سوالات با مشکلات خاصی مواجه می شوند، بنابراین ما این موضوع را به تفصیل تجزیه و تحلیل خواهیم کرد.

ارتباط موضوع مورد بررسی

اطلاعات در مورد سرعت واکنش اهمیت عملی و علمی مهمی دارد. به عنوان مثال، در تولید خاص مواد و محصولات، بهره وری تجهیزات و قیمت تمام شده کالا به طور مستقیم به این ارزش بستگی دارد.

طبقه بندی واکنش های در حال انجام

رابطه مستقیمی بین حالت تجمع اجزای اولیه و محصولات تشکیل شده در طی فعل و انفعالات ناهمگن وجود دارد.

در شیمی، سیستم معمولاً به معنای یک ماده یا ترکیبی از آنهاست.

سیستمی که از یک فاز (همان حالت تجمع) تشکیل شده باشد، همگن در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال می توان به مخلوطی از گازها و چند مایع مختلف اشاره کرد.

سیستم ناهمگن سیستمی است که در آن مواد واکنش دهنده به صورت گازها و مایعات، جامدات و گازها هستند.

نه تنها نرخ واکنش به دما بستگی دارد، بلکه به فازی که در آن اجزای وارد شده به برهمکنش تحلیل شده استفاده می‌شوند نیز وجود دارد.

یک ترکیب همگن با فرآیندی که در کل حجم اتفاق می افتد مشخص می شود که به طور قابل توجهی کیفیت آن را بهبود می بخشد.

اگر مواد شروع کننده در حالت های فازی مختلف باشند، حداکثر برهمکنش در فصل مشترک فاز مشاهده می شود. به عنوان مثال، هنگامی که یک فلز فعال در اسید حل می شود، تشکیل یک محصول (نمک) تنها در سطح تماس آنها مشاهده می شود.

رابطه ریاضی بین سرعت فرآیند و عوامل مختلف

معادله وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما چگونه است؟ برای یک فرآیند همگن، سرعت با مقدار ماده ای که در طول واکنش در حجم سیستم در واحد زمان برهمکنش می کند یا تشکیل می شود، تعیین می شود.

برای یک فرآیند ناهمگن، نرخ بر حسب مقدار ماده واکنش دهنده یا تولید شده در فرآیند در واحد سطح در حداقل مدت زمان تعیین می شود.

عوامل موثر بر سرعت یک واکنش شیمیایی

ماهیت مواد واکنش دهنده یکی از دلایل نرخ متفاوت فرآیندها است. به عنوان مثال، فلزات قلیایی با آب در دمای اتاق، قلیایی تشکیل می دهند و این فرآیند با انتشار شدید گاز هیدروژن همراه است. فلزات نجیب (طلا، پلاتین، نقره) چه در دمای اتاق و چه در هنگام گرم شدن قادر به انجام چنین فرآیندهایی نیستند.

ماهیت واکنش دهنده ها عاملی است که در صنایع شیمیایی برای افزایش سودآوری تولید مورد توجه قرار می گیرد.

رابطه ای بین غلظت معرف ها و سرعت واکنش شیمیایی نشان داده شد. هرچه بالاتر باشد، ذرات بیشتری با هم برخورد می کنند، بنابراین، روند سریعتر پیش می رود.

قانون عمل جرم در شکل ریاضی رابطه ای مستقیم بین غلظت مواد اولیه و سرعت فرآیند را توصیف می کند.

این در اواسط قرن نوزدهم توسط شیمیدان روسی N.N. Beketov فرموله شد. برای هر فرآیند، یک ثابت واکنش تعیین می شود که به دما، غلظت یا ماهیت واکنش دهنده ها مربوط نمی شود.

برای تسریع واکنشی که در آن یک ماده جامد درگیر است، باید آن را به حالت پودر درآورید.

در این حالت سطح سطح افزایش می یابد که تأثیر مثبتی بر سرعت فرآیند دارد. برای سوخت دیزل، از یک سیستم تزریق ویژه استفاده می شود که به دلیل آن، هنگام تماس با هوا، سرعت احتراق مخلوط هیدروکربنی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

گرمایش

وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما توسط نظریه جنبشی مولکولی توضیح داده می شود. این به شما اجازه می دهد تا تعداد برخورد بین مولکول های معرف را در شرایط خاصی محاسبه کنید. اگر به چنین اطلاعاتی مجهز هستید، در شرایط عادی همه فرآیندها باید فوراً انجام شوند.

اما اگر مثال خاصی از وابستگی سرعت واکنش به دما را در نظر بگیریم، معلوم می شود که برای برهمکنش لازم است ابتدا پیوندهای شیمیایی بین اتم ها شکسته شود تا مواد جدیدی از آنها تشکیل شود. این امر مستلزم صرف انرژی قابل توجهی است. وابستگی سرعت واکنش به دما چیست؟ انرژی فعال‌سازی امکان پارگی مولکول‌ها را تعیین می‌کند؛ دقیقاً این انرژی است که واقعیت فرآیندها را مشخص می‌کند. واحدهای آن kJ/mol هستند.

اگر انرژی کافی نباشد، برخورد بی اثر خواهد بود، بنابراین با تشکیل یک مولکول جدید همراه نیست.

نمایش گرافیکی

وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما را می توان به صورت گرافیکی نشان داد. هنگامی که گرم می شود، تعداد برخورد بین ذرات افزایش می یابد، که برهمکنش را تسریع می کند.

نمودار سرعت واکنش در برابر دما چگونه است؟ انرژی مولکول ها به صورت افقی نمایش داده می شود و تعداد ذرات با ذخیره انرژی بالا به صورت عمودی نشان داده می شود. نمودار منحنی است که با آن می توان سرعت یک تعامل خاص را قضاوت کرد.

هرچه اختلاف انرژی نسبت به میانگین بیشتر باشد، نقطه منحنی از حداکثر فاصله بیشتری دارد و درصد کمتری از مولکول‌ها دارای چنین ذخیره انرژی هستند.

جنبه های مهم

آیا می توان معادله وابستگی ثابت سرعت واکنش به دما را نوشت؟ افزایش آن در افزایش سرعت فرآیند منعکس می شود. این وابستگی با مقدار معینی به نام ضریب دمایی نرخ فرآیند مشخص می شود.

برای هر تعامل، وابستگی ثابت سرعت واکنش به دما نشان داده شد. اگر 10 درجه افزایش یابد، سرعت فرآیند 2-4 برابر افزایش می یابد.

وابستگی سرعت واکنش های همگن به دما را می توان به شکل ریاضی نشان داد.

برای اکثر فعل و انفعالات در دمای اتاق، ضریب در محدوده 2 تا 4 است. به عنوان مثال، با ضریب دمایی 2.9، افزایش دمای 100 درجه سرعت فرآیند را تقریبا 50000 برابر می کند.

وابستگی سرعت واکنش به دما را می توان به راحتی با انرژی های فعال سازی مختلف توضیح داد. در طی فرآیندهای یونی که تنها با برهمکنش کاتیون ها و آنیون ها تعیین می شود، دارای حداقل مقدار است. آزمایش های متعدد نشان دهنده وقوع آنی چنین واکنش هایی است.

در انرژی فعال سازی بالا، تنها تعداد کمی از برخورد بین ذرات منجر به برهمکنش می شود. در یک انرژی فعال سازی متوسط، واکنش دهنده ها با سرعت متوسط برهم کنش خواهند داشت.

وظایف مربوط به وابستگی سرعت واکنش به غلظت و دما فقط در سطوح ارشد آموزش در نظر گرفته می شود و اغلب مشکلات جدی برای کودکان ایجاد می کند.

اندازه گیری سرعت یک فرآیند

آن دسته از فرآیندهایی که به انرژی فعال سازی قابل توجهی نیاز دارند، شامل گسیختگی اولیه یا ضعیف شدن پیوندهای بین اتم ها در مواد اولیه است. در این حالت، آنها به یک حالت میانی خاص به نام مجتمع فعال منتقل می شوند. این یک حالت ناپایدار است، به سرعت به محصولات واکنش تجزیه می شود، این فرآیند با آزاد شدن انرژی اضافی همراه است.

در ساده ترین شکل آن، یک کمپلکس فعال شده، پیکربندی از اتم ها با پیوندهای قدیمی ضعیف شده است.

بازدارنده ها و کاتالیزورها

اجازه دهید وابستگی سرعت واکنش آنزیمی به دمای محیط را تجزیه و تحلیل کنیم. چنین موادی به عنوان تسریع کننده فرآیند عمل می کنند.

آنها خودشان در تعامل شرکت نمی کنند، تعداد آنها پس از تکمیل فرآیند بدون تغییر باقی می ماند. در حالی که کاتالیزورها به افزایش سرعت واکنش کمک می کنند، برعکس مهارکننده ها این فرآیند را کند می کنند.

ماهیت این امر در تشکیل ترکیبات میانی نهفته است که در نتیجه تغییر در سرعت فرآیند مشاهده می شود.

نتیجه

فعل و انفعالات شیمیایی مختلف در هر دقیقه در جهان رخ می دهد. چگونه می توان وابستگی سرعت واکنش به دما را تعیین کرد؟ معادله آرنیوس توضیحی ریاضی از رابطه بین ثابت سرعت و دما است. این ایده ای از آن دسته از مقادیر انرژی فعال سازی را ارائه می دهد که در آن تخریب یا تضعیف پیوندهای بین اتم ها در مولکول ها امکان پذیر است، توزیع ذرات به مواد جدید. مواد شیمیایی.

به لطف تئوری جنبشی مولکولی، می توان احتمال برهمکنش بین اجزای اولیه را پیش بینی کرد و سرعت فرآیند را محاسبه کرد. از جمله عواملی که بر سرعت واکنش تأثیر می گذارند، تغییرات دما، درصد غلظت مواد برهم کنش، سطح تماس، وجود کاتالیزور (بازدارنده) و همچنین ماهیت اجزای برهم کنش کننده از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

تعیین سرعت یک واکنش شیمیایی، و همچنین روشن کردن وابستگی آن به شرایط فرآیند، وظیفه سینتیک شیمیایی است - علم الگوهای واکنش های شیمیایی در طول زمان.

اگر واکنش های شیمیایی در یک محیط همگن، به عنوان مثال در یک محلول یا در فاز گاز رخ دهد، آنگاه برهمکنش مواد واکنش دهنده در کل حجم رخ می دهد. چنین واکنش هایی نامیده می شود همگن.

(v homog) به عنوان تغییر در مقدار ماده در واحد زمان در واحد حجم تعریف می شود:

جایی که Δn تغییر در تعداد مول های یک ماده است (اغلب ماده اصلی است، اما می تواند محصول واکنش نیز باشد). Δt - فاصله زمانی (s، min)؛ V حجم گاز یا محلول (l) است.

از آنجایی که نسبت مقدار ماده به حجم نشان دهنده غلظت مولی C است، پس

بنابراین، سرعت یک واکنش همگن به عنوان تغییر در غلظت یکی از مواد در واحد زمان تعریف می شود:

اگر حجم سیستم تغییر نکند.

اگر واکنشی بین موادی در حالت‌های مختلف تجمع (مثلاً بین جامد و گاز یا مایع) یا بین موادی که قادر به تشکیل یک محیط همگن نیستند (مثلاً بین مایعات غیرقابل اختلاط) رخ دهد، آنگاه فقط در سطح تماس مواد چنین واکنش هایی نامیده می شود ناهمگون.

به عنوان تغییر در مقدار ماده در واحد زمان در سطح واحد تعریف می شود.

که در آن S مساحت سطح تماس مواد است (m2, cm2).

تغییر در مقدار ماده ای که با آن سرعت واکنش تعیین می شود یک عامل خارجی است که محقق مشاهده می کند. در واقع تمامی فرآیندها در سطح خرد انجام می شود. بدیهی است که برای اینکه برخی از ذرات واکنش نشان دهند، ابتدا باید با هم برخورد کنند و به طور مؤثر برخورد کنند: مانند توپ در جهات مختلف پراکنده نشوند، بلکه به گونه ای که "پیوندهای قدیمی" در ذرات از بین رفته یا ضعیف شوند و "پیوندهای جدید" می توانند "، و برای این کار ذرات باید انرژی کافی داشته باشند.

داده های محاسبه شده نشان می دهد که مثلاً در گازها، برخورد مولکول ها در فشار اتمسفر به میلیاردها در ثانیه می رسد، یعنی همه واکنش ها باید فوراً رخ دهند. اما این درست نیست. به نظر می رسد که تنها بخش بسیار کوچکی از مولکول ها انرژی لازم برای منجر به برخورد موثر را دارند.

حداقل انرژی اضافی که یک ذره (یا جفت ذره) باید داشته باشد تا یک برخورد مؤثر رخ دهد، نامیده می شود. انرژی فعال سازیایا

بنابراین، در مسیر تمام ذرات وارد شده به واکنش، یک سد انرژی برابر با انرژی فعال سازی E a وجود دارد. وقتی کوچک است، ذرات زیادی وجود دارند که می توانند بر آن غلبه کنند و سرعت واکنش بالاست. در غیر این صورت، "فشار" مورد نیاز است. وقتی کبریت را برای روشن کردن یک لامپ الکلی می آورید، انرژی اضافی E را که برای برخورد موثر مولکول های الکل با مولکول های اکسیژن (غلبه بر مانع) ضروری است، به بدن منتقل می کنید.

سرعت یک واکنش شیمیایی به عوامل زیادی بستگی دارد. موارد اصلی عبارتند از: ماهیت و غلظت واکنش دهنده ها، فشار (در واکنش های مربوط به گازها)، دما، عمل کاتالیزورها و سطح واکنش دهنده ها در مورد واکنش های ناهمگن.

درجه حرارت

با افزایش دما، در بیشتر موارد سرعت یک واکنش شیمیایی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. در قرن 19 شیمیدان هلندی J. X. van't Hoff قانون را فرموله کرد:

هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما منجر به افزایش دما می شودسرعت واکنش 2-4 بار(به این مقدار ضریب دمایی واکنش گفته می شود).

با افزایش دما، سرعت متوسط مولکول ها، انرژی آنها و تعداد برخوردها اندکی افزایش می یابد، اما نسبت مولکول های "فعال" شرکت کننده در برخوردهای موثر که بر سد انرژی واکنش غلبه می کنند، به شدت افزایش می یابد. از نظر ریاضی، این وابستگی با رابطه بیان می شود:

که در آن v t 1 و v t 2 به ترتیب سرعت واکنش در دمای پایانی t 2 و t 1 اولیه هستند و γ ضریب دمایی سرعت واکنش است که نشان می دهد با هر 10 درجه افزایش سرعت واکنش چند برابر افزایش می یابد. در دما

با این حال، برای افزایش سرعت واکنش، افزایش دما همیشه قابل اعمال نیست، زیرا ممکن است مواد اولیه شروع به تجزیه کنند، حلال ها یا خود مواد ممکن است تبخیر شوند و غیره.

واکنش های گرمازا و گرمازا

واکنش متان با اکسیژن اتمسفر با انتشار مقدار زیادی گرما همراه است. بنابراین، در زندگی روزمره برای پخت و پز، گرم کردن آب و گرمایش استفاده می شود. گاز طبیعی که از طریق لوله به خانه ها عرضه می شود از 98 درصد متان تشکیل شده است. واکنش اکسید کلسیم (CaO) با آب نیز با آزاد شدن مقدار زیادی گرما همراه است.

این حقایق چه چیزی می تواند نشان دهد؟ هنگامی که پیوندهای شیمیایی جدید در محصولات واکنش تشکیل می شود، بیشترانرژی لازم برای شکستن پیوندهای شیمیایی در معرف ها. انرژی اضافی به صورت گرما و گاهی نور آزاد می شود.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (انرژی (نور، گرما)).

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (انرژی (گرما)).

چنین واکنش هایی باید به راحتی رخ دهد (همانطور که سنگ به راحتی در سراشیبی غلت می خورد).

واکنش هایی که در آن انرژی آزاد می شود نامیده می شوند EXTERMAL(از لاتین "exo" - خارج).

به عنوان مثال، بسیاری از واکنش های ردوکس گرمازا هستند. یکی از این واکنش های زیبا، کاهش اکسیداسیون درون مولکولی است که در داخل همان نمک - دی کرومات آمونیوم (NH 4) 2 Cr 2 O 7 رخ می دهد:

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

مورد دیگر واکنش متقابل است. آنها شبیه به غلطاندن یک سنگ به بالای تپه هستند. هنوز امکان بدست آوردن متان از CO 2 و آب وجود ندارد و برای بدست آوردن CaO آهک زنده از هیدروکسید کلسیم Ca(OH) 2 به حرارت قوی نیاز است. این واکنش تنها با یک جریان ثابت انرژی از خارج رخ می دهد:

Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (انرژی (گرما))

این نشان می دهد که شکستن پیوندهای شیمیایی در Ca(OH) 2 به انرژی بیشتری نیاز دارد که می تواند در طول تشکیل پیوندهای شیمیایی جدید در مولکول های CaO و H 2 O آزاد شود.

واکنش هایی که در آنها انرژی جذب می شود نامیده می شوند آندترمیک(از "Endo" - به سمت داخل).

غلظت واکنش دهنده ها

تغییر فشار زمانی که مواد گازی در واکنش شرکت می کنند منجر به تغییر غلظت این مواد نیز می شود.

برای اینکه فعل و انفعالات شیمیایی بین ذرات رخ دهد، آنها باید به طور موثر با هم برخورد کنند. هر چه غلظت واکنش دهنده ها بیشتر باشد، برخورد بیشتر و بر این اساس، سرعت واکنش بیشتر می شود. به عنوان مثال، استیلن در اکسیژن خالص خیلی سریع می سوزد. در این حالت دمای کافی برای ذوب فلز ایجاد می شود. بر اساس مقدار زیادی از مواد آزمایشی، در سال 1867 نروژی ها K. Guldenberg و P. Waage و مستقل از آنها در سال 1865، دانشمند روسی N.I. Beketov قانون اساسی سینتیک شیمیایی را فرموله کرد و وابستگی سرعت واکنش به غلظت را تعیین کرد. از مواد واکنش دهنده

سرعت یک واکنش شیمیایی متناسب با حاصلضرب غلظت مواد واکنش دهنده است که در توان هایی برابر با ضرایب آنها در معادله واکنش گرفته می شود.

این قانون نیز نامیده می شود قانون عمل توده ای

برای واکنش A + B = D، این قانون به صورت زیر بیان می شود:

برای واکنش 2A + B = D، این قانون به صورت زیر بیان می شود:

در اینجا C A، C B غلظت مواد A و B (mol/l) هستند. k 1 و k 2 ضرایب تناسبی هستند که ثابت سرعت واکنش نامیده می شوند.

تعیین معنای فیزیکی ثابت سرعت واکنش دشوار نیست - از نظر عددی برابر با سرعت واکنش است که در آن غلظت واکنش‌دهنده‌ها 1 mol/l یا محصول آنها برابر با واحد است. در این حالت مشخص است که ثابت سرعت واکنش فقط به دما بستگی دارد و به غلظت مواد بستگی ندارد.

قانون عمل توده ای غلظت واکنش دهنده ها در حالت جامد را در نظر نمی گیرد، زیرا روی سطوح واکنش نشان می دهند و غلظت آنها معمولاً ثابت است.

به عنوان مثال، برای یک واکنش احتراق زغال سنگ، عبارت سرعت واکنش باید به صورت زیر نوشته شود:

یعنی سرعت واکنش فقط با غلظت اکسیژن متناسب است.

اگر معادله واکنش تنها یک واکنش شیمیایی کل را توصیف کند که در چند مرحله انجام می شود، آنگاه سرعت چنین واکنشی می تواند به شکل پیچیده ای به غلظت مواد اولیه بستگی داشته باشد. این وابستگی به صورت تجربی یا نظری بر اساس مکانیسم واکنش پیشنهادی تعیین می شود.

عمل کاتالیزورها

افزایش سرعت یک واکنش با استفاده از مواد ویژه ای امکان پذیر است که مکانیسم واکنش را تغییر می دهند و آن را در مسیری از نظر انرژی مطلوب تر با انرژی فعال سازی کمتر هدایت می کنند. آنها را کاتالیزور می نامند (از لاتین katalysis - تخریب).

کاتالیزور به عنوان یک راهنمای باتجربه عمل می کند و گروهی از گردشگران را نه از طریق یک گردنه مرتفع در کوهستان (غلبه بر آن مستلزم تلاش و زمان زیادی است و برای همه قابل دسترسی نیست) بلکه در امتداد مسیرهای کنارگذر شناخته شده برای او هدایت می کند. می توان خیلی راحت تر و سریع تر بر کوه غلبه کرد.

درست است، با استفاده از مسیر دوربرگردان می توانید دقیقاً به جایی که گذر اصلی منتهی می شود نرسید. اما گاهی اوقات این دقیقا همان چیزی است که لازم است! کاتالیزورهایی که انتخابی نامیده می شوند دقیقاً به این ترتیب عمل می کنند. واضح است که نیازی به سوزاندن آمونیاک و نیتروژن نیست، اما از اکسید نیتریک (II) در تولید اسید نیتریک استفاده می شود.

کاتالیزورها- اینها موادی هستند که در یک واکنش شیمیایی شرکت می کنند و سرعت یا جهت آن را تغییر می دهند، اما در پایان واکنش از نظر کمی و کیفی بدون تغییر باقی می مانند.

تغییر سرعت یک واکنش شیمیایی یا جهت آن با استفاده از کاتالیزور را کاتالیز می گویند. کاتالیزورها به طور گسترده در صنایع مختلف و حمل و نقل (مبدل های کاتالیزوری که اکسیدهای نیتروژن از گازهای خروجی خودروها را به نیتروژن بی ضرر تبدیل می کنند) استفاده می شود.

دو نوع کاتالیزور وجود دارد.

کاتالیز همگن، که در آن کاتالیزور و واکنش دهنده ها در یک حالت تجمع (فاز) هستند.

خود کاتالیزور در نتیجه واکنش مصرف نمی شود، اما اگر مواد دیگری روی سطح آن جذب شوند (به آنها سم کاتالیزوری می گویند)، سطح از کار افتاده و بازسازی کاتالیزور مورد نیاز است. بنابراین، قبل از انجام واکنش کاتالیزوری، مواد اولیه کاملاً خالص می شوند.

به عنوان مثال، در تولید اسید سولفوریک به روش تماس، از یک کاتالیزور جامد - اکسید وانادیم (V) V 2 O 5 استفاده می شود:

در تولید متانول از کاتالیزور جامد روی کروم (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3 ) استفاده می شود:

کاتالیزورهای بیولوژیکی - آنزیم ها - بسیار موثر عمل می کنند. از نظر ماهیت شیمیایی آنها پروتئین هستند. به لطف آنها، واکنش های شیمیایی پیچیده با سرعت بالا در موجودات زنده در دمای پایین رخ می دهد.

سایر مواد جالب شناخته شده هستند - مهار کننده ها (از لاتین inhibere - تا تاخیر). آنها با ذرات فعال با سرعت بالا واکنش می دهند و ترکیبات کم فعال را تشکیل می دهند. در نتیجه سرعت واکنش به شدت کاهش یافته و سپس متوقف می شود. بازدارنده ها اغلب به طور خاص به مواد مختلف برای جلوگیری از فرآیندهای ناخواسته اضافه می شوند.

به عنوان مثال، محلول های پراکسید هیدروژن با استفاده از بازدارنده ها تثبیت می شوند.

ماهیت مواد واکنش دهنده (ترکیب ، ساختار آنها)

معنی انرژی های فعال سازیعاملی است که از طریق آن تأثیر ماهیت مواد واکنش دهنده بر سرعت واکنش تحت تأثیر قرار می گیرد.

اگر انرژی فعال سازی کم باشد (< 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.

اگر انرژی فعال سازی زیاد باشد(> 120 کیلوژول بر مول)، این بدان معنی است که تنها بخش کوچکی از برخورد بین ذرات برهم کنش منجر به واکنش می شود. بنابراین سرعت چنین واکنشی بسیار کم است. به عنوان مثال، پیشرفت واکنش سنتز آمونیاک در دماهای معمولی تقریبا غیرممکن است.

اگر انرژی فعال سازی واکنش های شیمیایی دارای مقادیر متوسط (40120 کیلوژول بر مول) باشد، سرعت چنین واکنش هایی متوسط خواهد بود. چنین واکنش هایی شامل برهمکنش سدیم با آب یا الکل اتیلیک، رنگ زدایی آب برم با اتیلن، برهمکنش روی با اسید کلریدریک و غیره است.

سطح تماس مواد واکنش دهنده

سرعت واکنش هایی که روی سطح مواد رخ می دهد، یعنی واکنش های ناهمگن، با مساوی بودن سایر چیزها، به خواص این سطح بستگی دارد. مشخص است که گچ پودری در اسید هیدروکلریک بسیار سریعتر از یک تکه گچ با وزن مساوی حل می شود.

افزایش سرعت واکنش در درجه اول به دلیل افزایش سطح تماس مواد اولیه، و همچنین تعدادی از دلایل دیگر، به عنوان مثال، نقض ساختار شبکه کریستالی "صحیح". این منجر به این واقعیت می شود که ذرات روی سطح میکروکریستال های حاصل بسیار واکنش پذیرتر از همان ذرات روی سطح "صاف" هستند.

در صنعت، برای انجام واکنش‌های ناهمگن، از یک "بستر سیال" برای افزایش سطح تماس مواد واکنش‌دهنده، تامین مواد اولیه و حذف محصولات استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در تولید اسید سولفوریک، پیریت ها با استفاده از یک "بستر سیال" پخته می شوند.

مواد مرجع برای شرکت در آزمون:

جدول مندلیف

جدول حلالیت