7.1. Reazioni omogenee ed eterogenee
Le sostanze chimiche possono trovarsi in diversi stati di aggregazione, mentre le loro proprietà chimiche in diversi stati sono le stesse, ma l'attività è diversa (che è stata mostrata nell'ultima lezione usando l'esempio dell'effetto termico di una reazione chimica).
Considera varie combinazioni di stati aggregati in cui possono trovarsi due sostanze A e B.
LA (sol.), SI (sol.) |
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A (tv.), B (tv.) | A (femmina), B (tv) | mischiato | LA(tv), SI(g) | A (femmina), B (d.) |
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mischiato | (soluzione) | |||||||||||||||||||||||||||||
eterogeneo | eterogeneo | eterogeneo | omogeneo | eterogeneo | eterogeneo | omogeneo |
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Hg(l.) + HNO3 | H2O + D2O | Fe+O2 | H2S + H2SO4 | CO+O2 |
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Una fase è una regione di un sistema chimico all'interno della quale tutte le proprietà del sistema sono costanti (le stesse) o cambiano continuamente da punto a punto. Le fasi separate sono ciascuno dei solidi, inoltre, ci sono fasi di soluzione e gas.
Omogeneo è chiamato sistema chimico, in cui tutte le sostanze si trovano nella stessa fase (in soluzione o in gas). Se ci sono più fasi, viene chiamato il sistema
eterogeneo.
Rispettivamente reazione chimica detto omogeneo se i reagenti sono nella stessa fase. Se i reagenti sono in fasi diverse, allora reazione chimica detto eterogeneo.
È facile capire che poiché una reazione chimica richiede il contatto dei reagenti, una reazione omogenea si verifica simultaneamente nell'intero volume della soluzione o del recipiente di reazione, mentre una reazione eterogenea si verifica su uno stretto confine tra le fasi - all'interfaccia. Pertanto, puramente teoricamente, una reazione omogenea si verifica più velocemente di una eterogenea.
Passiamo così al concetto velocità di reazione chimica.
La velocità di una reazione chimica. La legge delle masse attive. equilibrio chimico.
7.2. La velocità di una reazione chimica
La branca della chimica che studia le velocità e i meccanismi delle reazioni chimiche è una branca della chimica fisica e si chiama cinetica chimica.
La velocità di una reazione chimicaè la variazione della quantità di una sostanza per unità di tempo per unità di volume del sistema reagente (per una reazione omogenea) o per unità di superficie (per una reazione eterogenea).
Quindi, se il volume | o zona | interfacce |
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non cambiano, allora le espressioni per le velocità delle reazioni chimiche hanno la forma: |
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hom o | |||||||||||
Il rapporto tra la variazione della quantità di una sostanza e il volume del sistema può essere interpretato come una variazione della concentrazione di una data sostanza.
Si noti che per i reagenti nell'espressione della velocità di una reazione chimica viene inserito un segno meno, poiché la concentrazione dei reagenti diminuisce e la velocità di una reazione chimica è in realtà un valore positivo.
Ulteriori conclusioni si basano su semplici considerazioni fisiche, che considerano una reazione chimica come conseguenza dell'interazione di più particelle.
Elementare (o semplice) è una reazione chimica che si verifica in uno stadio. Se ci sono più stadi, tali reazioni sono chiamate reazioni complesse, composte o grossolane.
Nel 1867 fu proposto di descrivere la velocità di una reazione chimica legge dell'azione di massa: la velocità di una reazione chimica elementare proporzionale alle concentrazioni dei reagenti in potenze dei coefficienti stechiometrici.n A +m B P,
A, B - reagenti, P - prodotti, n ,m - coefficienti.
W = k n m
Il coefficiente k è chiamato la costante di velocità di una reazione chimica,
caratterizza la natura delle particelle interagenti e non dipende dalla concentrazione delle particelle.
La velocità di una reazione chimica. La legge delle masse attive. equilibrio chimico. Si chiamano le quantità n e m ordine di reazione per sostanza A e B, rispettivamente, e
la loro somma (n + m) - ordine di reazione.
Per le reazioni elementari, l'ordine di reazione può essere 1, 2 e 3.
Le reazioni elementari con ordine 1 sono chiamate monomolecolari, con ordine 2 - bimolecolari, con ordine 3 - trimolecolari in base al numero di molecole coinvolte. Le reazioni elementari superiori al terzo ordine sono sconosciute: i calcoli mostrano che l'incontro simultaneo di quattro molecole in un punto è un evento troppo incredibile.
Poiché una reazione complessa è costituita da una certa sequenza di reazioni elementari, la sua velocità può essere espressa in termini di velocità dei singoli stadi della reazione. Pertanto, per reazioni complesse, l'ordine può essere qualsiasi, compreso frazionario o zero (l'ordine zero della reazione indica che la reazione avviene a velocità costante e non dipende dalla concentrazione delle particelle reagenti W = k).
La più lenta delle fasi di un processo complesso è solitamente chiamata fase limitante (fase di limitazione della velocità).
Immagina che un gran numero di molecole sia andato in un cinema gratuito, ma all'ingresso c'è un ispettore che controlla l'età di ogni molecola. Pertanto, un flusso di materia entra dalla porta del cinema e le molecole entrano nel cinema una alla volta, ad es. Così lenta.
Esempi di reazioni elementari del primo ordine sono i processi di decadimento termico o radioattivo, rispettivamente, la costante di velocità k caratterizza o la probabilità di rottura di un legame chimico o la probabilità di decadimento per unità di tempo.
Ci sono molti esempi di reazioni elementari del secondo ordine - questo è il modo più familiare per noi di procedere con le reazioni - la particella A è volata nella particella B, ha avuto luogo una sorta di trasformazione e lì è successo qualcosa (nota che i prodotti in teoria non non influenzare nulla - tutta l'attenzione data solo alle particelle che reagiscono).
Al contrario, ci sono parecchie reazioni elementari del terzo ordine, poiché è piuttosto raro che tre particelle si incontrino contemporaneamente.
A titolo illustrativo, si consideri il potere predittivo della cinetica chimica.
La velocità di una reazione chimica. La legge delle masse attive. equilibrio chimico.
Equazione cinetica del primo ordine
(materiale aggiuntivo illustrativo)
Consideriamo una reazione omogenea del primo ordine, la cui costante di velocità è uguale a k , la concentrazione iniziale della sostanza A è uguale a [A]0 .
Per definizione, la velocità di una reazione chimica omogenea è |
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K[A] | variazione di concentrazione per unità di tempo. Una volta che la sostanza A - |
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reagente, metti un segno meno. | ||||||||||||||||||
Tale equazione è chiamata equazione differenziale |
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derivato) | ||||||||||||||||||
[UN] | Per risolverlo, trasferiamo le quantità sul lato sinistro |
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concentrazioni e al momento giusto. | ||||||||||||||||||
Se le derivate di due funzioni sono uguali, allora le funzioni stesse |
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deve differire di non più di una costante. | ||||||||||||||||||
Per risolvere questa equazione, prendi l'integrale del lato sinistro (di |
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concentrazione) e il lato destro (nel tempo). Per non spaventare |
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log[ A ] = −kt +C | ascoltatori, ci limiteremo alla risposta. | |||||||||||||||||
Il simbolo ln è il logaritmo naturale, cioè numero b, tale che | ||||||||||||||||||
\u003d [ A ], e \u003d 2.71828 ... | ||||||||||||||||||
ln[ A ]- ln0 = - kt | La costante C si trova dalle condizioni iniziali: | |||||||||||||||||
a t = 0, la concentrazione iniziale è [A]0 | ||||||||||||||||||
[UN] | Una volta che il logaritmo | è una potenza di un numero, usa le proprietà delle potenze |
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[LA]0 | e a−b= | |||||||||||||||||
Ora eliminiamo il logaritmo opposto (vedi la definizione |
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logaritmo 6-7 righe più in alto), | perché alzare un numero | |||||||||||||||||
alla potenza del lato sinistro dell'equazione e del lato destro dell'equazione. | ||||||||||||||||||
[UN] | E - kt | Moltiplicare per [A]0 | ||||||||||||||||
[LA]0 | ||||||||||||||||||
Equazione cinetica del primo ordine. | ||||||||||||||||||
[ A ]= 0 × e − kt | Basato | ottenuto l'equazione cinetica del primo |
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l'ordine può | calcolato | concentrazione della sostanza | ||||||||||||||||
in qualsiasi momento | ||||||||||||||||||
Ai fini del nostro corso, questa conclusione è solo a scopo informativo, al fine di dimostrarvi l'uso dell'apparato matematico per calcolare il corso di una reazione chimica. Pertanto, un chimico competente non può non conoscere la matematica. Impara la matematica!
La velocità di una reazione chimica. La legge delle masse attive. equilibrio chimico. Un grafico della concentrazione di reagenti e prodotti rispetto al tempo può essere rappresentato qualitativamente come segue (utilizzando l'esempio di una reazione irreversibile del primo ordine)
Fattori che influenzano la velocità di reazione
1. Natura dei reagenti
Ad esempio, la velocità di reazione delle seguenti sostanze: H2 SO4, CH3 COOH, H2 S, CH3 OH - con lo ione idrossido varierà a seconda della forza del legame H-O. Per valutare la forza di questo legame si può utilizzare il valore della relativa carica positiva sull'atomo di idrogeno: maggiore è la carica, più facile sarà la reazione.
2. Temperatura
L'esperienza di vita ci dice che la velocità di reazione dipende dalla temperatura e aumenta con l'aumentare della temperatura. Ad esempio, il processo di acidificazione del latte avviene più velocemente a temperatura ambiente e non in frigorifero.
Passiamo all'espressione matematica della legge dell'azione di massa.
W = k n m
Poiché la parte sinistra di questa espressione (la velocità di reazione) dipende dalla temperatura, anche la parte destra dell'espressione dipende dalla temperatura. Allo stesso tempo, la concentrazione, ovviamente, non dipende dalla temperatura: ad esempio, il latte conserva il suo contenuto di grassi del 2,5% sia in frigorifero che a temperatura ambiente. Allora, come diceva Sherlock Holmes, la soluzione rimanente è quella giusta, per quanto strano possa sembrare: la costante cinetica dipende dalla temperatura!
La velocità di una reazione chimica. La legge delle masse attive. equilibrio chimico. La dipendenza della velocità di reazione costante dalla temperatura è espressa utilizzando l'equazione di Arrhenius:
− E a
k = k0 eRT ,
in quale
R = 8,314 J mol-1 K-1 - costante universale dei gas,
E a è l'energia di attivazione della reazione (vedi sotto), è condizionatamente considerata indipendente dalla temperatura;
k 0 è un fattore pre-esponenziale (cioè il fattore che sta prima dell'esponente e ), il cui valore è anche quasi indipendente dalla temperatura ed è determinato, prima di tutto, dall'ordine della reazione.
Pertanto, il valore di k0 è approssimativamente 1013 s-1 per una reazione del primo ordine e 10 -10 l mol-1 s-1 per una reazione del secondo ordine,
per una reazione di terzo ordine - 10 -33 l2 mol-2 s-1. Questi valori non devono essere memorizzati.
I valori esatti di k0 per ogni reazione sono determinati sperimentalmente.
Il concetto di energia di attivazione diventa chiaro dalla figura seguente. Infatti, l'energia di attivazione è l'energia che la particella che reagisce deve avere affinché la reazione avvenga.
Inoltre, se riscaldiamo il sistema, allora l'energia delle particelle aumenta (grafico tratteggiato), mentre lo stato di transizione (≠) rimane allo stesso livello. La differenza di energia tra lo stato di transizione e i reagenti (energia di attivazione) si riduce e la velocità di reazione secondo l'equazione di Arrhenius aumenta.
La velocità di una reazione chimica. La legge delle masse attive. equilibrio chimico. Oltre all'equazione di Arrhenius, c'è l'equazione di van't Hoff, che
caratterizza la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura mediante il coefficiente di temperatura γ:
Il coefficiente di temperatura γ mostra di quante volte la velocità di una reazione chimica aumenterà quando la temperatura cambia di 10°.
Equazione di Van't Hoff:
T2-T1
W (T 2 )= W (T 1 )× γ10
Tipicamente, il coefficiente γ è compreso tra 2 e 4. Per questo motivo, i chimici usano spesso l'approssimazione che un aumento della temperatura di 20° porta ad un aumento della velocità di reazione di un ordine di grandezza (cioè 10 volte).
Il concetto di "velocità" è abbastanza comune in letteratura. È noto dalla fisica che maggiore è la distanza percorsa da un corpo materiale (una persona, un treno, un'astronave) in un certo periodo di tempo, maggiore è la velocità di questo corpo.
Ma come misurare la velocità di una reazione chimica che “non va da nessuna parte” e non supera alcuna distanza? Per rispondere a questa domanda, è necessario scoprire cosa Sempre cambia in Qualunque reazione chimica? Poiché ogni reazione chimica è un processo di modifica di una sostanza, la sostanza originale scompare in essa, trasformandosi in prodotti di reazione. Pertanto, nel corso di una reazione chimica, la quantità di una sostanza cambia sempre, il numero di particelle delle sostanze di partenza diminuisce e quindi la sua concentrazione (C).
Il compito dell'esame. La velocità di una reazione chimica è proporzionale alla variazione:
- concentrazione di una sostanza per unità di tempo;
- la quantità di sostanza per unità di volume;
- massa di materia per unità di volume;
- il volume della sostanza durante la reazione.
Ora confronta la tua risposta con quella corretta:
la velocità di una reazione chimica è uguale alla variazione della concentrazione del reagente per unità di tempo
Dove Da 1 E Da 0- concentrazioni dei reagenti, rispettivamente finale e iniziale; t1 E t2- il tempo dell'esperimento, rispettivamente l'intervallo di tempo finale e iniziale.
Domanda. Quale valore ritieni sia maggiore? Da 1 O Da 0? t1 O t0?
Poiché i reagenti vengono sempre consumati in una data reazione, allora
Pertanto, il rapporto di queste quantità è sempre negativo e la velocità non può essere un valore negativo. Pertanto, nella formula appare il segno meno, che indica contemporaneamente quella velocità Qualunque reazioni nel tempo (a condizioni costanti) sempre diminuisce.
Quindi la velocità di una reazione chimica è:
Sorge la domanda, in quali unità dovrebbe essere misurata la concentrazione dei reagenti (C) e perché? Per rispondere, devi capire qual è la condizione principale perché avvenga qualsiasi reazione chimica.
Affinché le particelle reagiscano, devono almeno scontrarsi. Ecco perché maggiore è il numero di particelle * (numero di moli) per unità di volume, più spesso si scontrano, maggiore è la probabilità di una reazione chimica.
* Leggi la lezione 29.1 su cosa sia la “talpa”.
Pertanto, quando si misurano le velocità dei processi chimici, si usa concentrazione molare sostanze in miscele reagenti.
La concentrazione molare di una sostanza indica quante moli di essa sono contenute in 1 litro di soluzione.
Quindi, maggiore è la concentrazione molare dei reagenti, più particelle per unità di volume, più spesso si scontrano, maggiore (ceteris paribus) è la velocità della reazione chimica. Pertanto, la legge fondamentale della cinetica chimica (questa è la scienza della velocità delle reazioni chimiche) è legge dell'azione di massa.
La velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni dei reagenti.
Per una reazione del tipo A + B → ... matematicamente, questa legge può essere espressa come segue:
Se la reazione è più complessa, ad esempio 2A + B → o, che è lo stesso, A + A + B → ..., allora
Pertanto, l'esponente è apparso nell'equazione della velocità « due» , che corrisponde al coefficiente 2 nell'equazione di reazione. Per equazioni più complesse, di solito non vengono utilizzati esponenti grandi. Ciò è dovuto al fatto che la probabilità di una collisione simultanea di, diciamo, tre molecole A e due molecole B è estremamente piccola. Pertanto, molte reazioni procedono in più fasi, durante le quali non si scontrano più di tre particelle e ogni fase del processo procede a una certa velocità. Questa velocità e l'equazione cinetica della velocità per essa sono determinate sperimentalmente.
Le precedenti equazioni della velocità di reazione chimica (3) o (4) sono valide solo per omogeneo reazioni, cioè per tali reazioni quando le sostanze reagenti non condividono la superficie. Ad esempio, la reazione avviene in una soluzione acquosa ed entrambi i reagenti sono altamente solubili in acqua o per qualsiasi miscela di gas.
Un'altra cosa è quando eterogeneo reazione. In questo caso, esiste un'interfaccia tra i reagenti, ad esempio l'anidride carbonica gas reagisce con l'acqua soluzione alcali. In questo caso, qualsiasi molecola di gas ha la stessa probabilità di entrare in una reazione, poiché queste molecole si muovono rapidamente e in modo casuale. E le particelle liquide? Queste particelle si muovono molto lentamente e quelle particelle alcaline che si trovano "sul fondo" non hanno quasi alcuna possibilità di reagire con l'anidride carbonica se la soluzione non viene costantemente agitata. Solo quelle particelle che "giacciono sulla superficie" reagiranno. Così per eterogeneo reazioni -
la velocità di reazione dipende dalla dimensione dell'area di interfaccia, che aumenta con la macinazione.
Pertanto, molto spesso le sostanze reagenti vengono frantumate (ad esempio, vengono sciolte in acqua), il cibo viene masticato a fondo e durante il processo di cottura vengono macinati, passati attraverso un tritacarne, ecc. Un prodotto alimentare non macinato praticamente non lo è digerito!
Pertanto, con una velocità massima (ceteris paribus), le reazioni omogenee procedono in soluzioni e tra gas (se questi gas reagiscono a n.a.), inoltre, in soluzioni in cui le molecole si trovano "affiancate" e la macinazione è la stessa di nei gas (e anche di più!), - la velocità di reazione è maggiore.
Il compito dell'esame. Quale delle seguenti reazioni procede alla massima velocità a temperatura ambiente?
- carbonio con ossigeno;
- ferro con acido cloridrico;
- ferro con soluzione di acido acetico
- soluzioni di acido alcalino e solforico.
In questo caso, devi trovare quale processo è omogeneo.
Va notato che la velocità di una reazione chimica tra gas o di una reazione eterogenea in cui è coinvolto un gas dipende anche dalla pressione, poiché all'aumentare della pressione i gas vengono compressi e la concentrazione delle particelle aumenta (vedi formula 2). La velocità delle reazioni a cui i gas non partecipano non è influenzata da un cambiamento di pressione.
Il compito dell'esame. La velocità di una reazione chimica tra una soluzione acida e il ferro non è influenzata
- concentrazione di acido;
- ferro da stiro;
- temperatura di reazione;
- aumento della pressione.
Infine, la velocità di reazione dipende anche dalla reattività delle sostanze. Ad esempio, se l'ossigeno reagisce con una sostanza, allora, ceteris paribus, la velocità di reazione sarà maggiore rispetto a quando la stessa sostanza interagisce con l'azoto. Il fatto è che la reattività dell'ossigeno è molto più alta di quella dell'azoto. Considereremo la ragione di questo fenomeno nella parte successiva del Tutorial (lezione 14).
Il compito dell'esame. La reazione chimica tra acido cloridrico e
- rame;
- ferro;
- magnesio;
- zinco.
Va notato che non tutte le collisioni di molecole portano alla loro interazione chimica (reazione chimica). In una miscela gassosa di idrogeno e ossigeno, in condizioni normali, si verificano diversi miliardi di collisioni al secondo. Ma i primi segni della reazione (goccioline d'acqua) appariranno nel pallone solo dopo alcuni anni. In tali casi, si dice che la reazione praticamente non va. Ma lei possibile, altrimenti come spiegare il fatto che quando questa miscela viene riscaldata a 300 ° C, il pallone si appanna rapidamente e ad una temperatura di 700 ° C tuonerà una terribile esplosione! Non c'è da stupirsi che la miscela di idrogeno e ossigeno sia chiamata "gas esplosivo".
Domanda. Perché pensi che la velocità di reazione aumenti così drasticamente quando viene riscaldata?
La velocità di reazione aumenta perché, in primo luogo, aumenta il numero di collisioni di particelle e, in secondo luogo, il numero attivo collisioni. Sono le collisioni attive di particelle che portano alla loro interazione. Affinché si verifichi una tale collisione, le particelle devono avere una certa quantità di energia.
L'energia che le particelle devono avere affinché avvenga una reazione chimica è chiamata energia di attivazione.
Questa energia viene spesa per superare le forze repulsive tra gli elettroni esterni di atomi e molecole e per la distruzione dei "vecchi" legami chimici.
La domanda sorge spontanea: come aumentare l'energia delle particelle reattive? La risposta è semplice: aumentare la temperatura, poiché con un aumento della temperatura aumenta la velocità di movimento delle particelle e, di conseguenza, la loro energia cinetica.
regola Van't Hoff*:
per ogni 10 gradi di aumento della temperatura, la velocità di reazione aumenta di 2-4 volte.
VANT HOFF Jacob Hendrik(30/08/1852–01/03/1911) - Chimico olandese. Uno dei fondatori della chimica fisica e della stereochimica. Premio Nobel per la chimica n. 1 (1901).
Va notato che questa regola (non una legge!) è stata stabilita sperimentalmente per reazioni "convenienti" per la misurazione, cioè per reazioni che non procedevano né troppo velocemente né troppo lentamente ea temperature accessibili allo sperimentatore (non troppo alta e non troppo bassa).
Domanda. Cosa ne pensi, come cucinare le patate il più velocemente possibile: lessarle o friggerle in uno strato di olio?
Per comprendere bene il significato dei fenomeni descritti, possiamo confrontare le molecole che reagiscono con un gruppo di studenti che stanno per saltare in alto. Se viene data loro una barriera alta 1 m, allora gli studenti dovranno disperdersi correttamente (aumentare la loro "temperatura") per superare la barriera. Tuttavia, ci saranno sempre studenti ("molecole inattive") che non saranno in grado di superare questa barriera.
Cosa fare? Se aderisci al principio: "Una persona intelligente non andrà in salita, una persona intelligente aggirerà la montagna", allora dovresti semplicemente abbassare la barriera, diciamo, a 40 cm, quindi qualsiasi studente sarà in grado di superare la barriera. A livello molecolare, ciò significa: Per aumentare la velocità di una reazione, è necessario diminuire l'energia di attivazione in questo sistema..
Nei processi chimici reali, questa funzione è svolta da un catalizzatore.
Catalizzatoreè una sostanza che cambia la velocità di una reazione chimica rimanendo immutato verso la fine di una reazione chimica.
Catalizzatore coinvolto in una reazione chimica, interagendo con una o più sostanze iniziali. In questo caso si formano composti intermedi e l'energia di attivazione cambia. Se il composto intermedio è più attivo (complesso attivo), l'energia di attivazione diminuisce e la velocità di reazione aumenta.
Ad esempio, la reazione tra SO 2 e O 2 è molto lenta, in condizioni normali praticamente non va. Ma in presenza di NO, la velocità di reazione aumenta notevolmente. Primo NO molto veloce reagisce con O 2:
biossido di azoto prodotto veloce reagisce con l'ossido di zolfo (IV):
Compito 5.1. Usa questo esempio per mostrare quale sostanza è un catalizzatore e quale è un complesso attivo.
Al contrario, se si formano più composti passivi, l'energia di attivazione può aumentare così tanto che la reazione nelle condizioni date praticamente non si verificherà. Tali catalizzatori sono chiamati inibitori.
In pratica, vengono utilizzati entrambi i tipi di catalizzatori. Così speciali catalizzatori organici - enzimi- partecipare a tutti i processi biochimici: digestione del cibo, contrazione muscolare, respirazione. La vita è impossibile senza enzimi!
Gli inibitori sono necessari per proteggere i prodotti metallici dalla corrosione, i prodotti alimentari contenenti grassi dall'ossidazione (irrancidimento). Alcuni medicinali contengono anche inibitori che inibiscono le funzioni vitali dei microrganismi e quindi li distruggono.
La catalisi può essere omogenea o eterogenea. Un esempio di catalisi omogenea è l'effetto dell'NO (è un catalizzatore) sull'ossidazione dell'anidride solforosa. Un esempio di catalisi eterogenea è l'azione del rame riscaldato sull'alcol:
Questa reazione avviene in due fasi:
Compito 5.2. Quale sostanza è il catalizzatore in questo caso? Perché questo tipo di catalisi è chiamato eterogeneo?
In pratica, viene spesso utilizzata la catalisi eterogenea, in cui le sostanze solide fungono da catalizzatori: metalli, loro ossidi, ecc. Sulla superficie di queste sostanze sono presenti punti speciali (siti del reticolo cristallino), dove, infatti, la reazione catalitica si verifica. Se questi punti sono chiusi con corpi estranei, la catalisi si interrompe. Questa sostanza, dannosa per il catalizzatore, è chiamata veleno catalitico. Altre sostanze - promotori- al contrario, aumentano l'attività catalitica.
Un catalizzatore può cambiare la direzione di una reazione chimica, cioè cambiando il catalizzatore si possono ottenere diversi prodotti di reazione. Quindi, il butadiene può essere ottenuto dall'alcool C 2 H 5 OH in presenza di ossidi di zinco e alluminio e l'etilene può essere ottenuto in presenza di acido solforico concentrato.
Pertanto, nel corso di una reazione chimica, l'energia del sistema cambia. Se durante la reazione l'energia viene rilasciata sotto forma di calore Q, tale processo è chiamato esotermico:
Per endo processi termici il calore viene assorbito, cioè effetto termico Q< 0 .
Compito 5.3. Determina quale dei processi proposti è esotermico e quale è endotermico:
L'equazione della reazione chimica in cui effetto termico, è chiamata equazione della reazione termochimica. Per elaborare una tale equazione, è necessario calcolare l'effetto termico per 1 mole del reagente.
Compito. Durante la combustione di 6 g di magnesio, sono stati rilasciati 153,5 kJ di calore. Scrivi un'equazione termochimica per questa reazione.
Soluzione. Componiamo l'equazione di reazione e indichiamo SOPRA le formule che sono date:
Compilando la proporzione, troviamo l'effetto termico desiderato della reazione:
L'equazione termochimica per questa reazione è:
Tali compiti sono dati in compiti maggioranza opzioni d'esame! Per esempio.
Il compito dell'esame. Secondo l'equazione della reazione termochimica
la quantità di calore liberata durante la combustione di 8 g di metano è:
Reversibilità dei processi chimici. Principio di Le Chatelier
* LE CHATELIER Henri Louis(8/10/1850–17/09/1936) - Chimico fisico e metallurgista francese. Formulò la legge generale dello spostamento dell'equilibrio (1884).
Le reazioni sono reversibili e irreversibili.
irreversibile chiamato tali reazioni per le quali non ci sono condizioni in cui è possibile il processo inverso.
Un esempio di tali reazioni sono le reazioni che si verificano quando il latte è acido o quando viene bruciata una gustosa cotoletta. Così come è impossibile rimettere la carne macinata nel tritacarne (e riprendere un pezzo di carne), è anche impossibile "rianimare" una cotoletta o rendere fresco il latte.
Ma poniamoci una semplice domanda: il processo è irreversibile:
Per rispondere a questa domanda, proviamo a ricordare se è possibile eseguire il processo inverso? SÌ! La decomposizione del calcare (gesso) per ottenere calce viva CaO viene utilizzata su scala industriale:
Pertanto, la reazione è reversibile, poiché esistono condizioni in cui Entrambi processi:
Inoltre, ci sono condizioni in cui la velocità della reazione diretta è uguale alla velocità della reazione inversa.
In queste condizioni si stabilisce un equilibrio chimico. In questo momento, la reazione non si ferma, ma il numero di particelle ottenute è uguale al numero di particelle decomposte. Ecco perché in uno stato di equilibrio chimico, le concentrazioni delle particelle reagenti non cambiano. Ad esempio, per il nostro processo al momento dell'equilibrio chimico
segno significa concentrazione di equilibrio.
Sorge la domanda: cosa accadrà all'equilibrio se la temperatura viene aumentata o abbassata o se altre condizioni vengono modificate? A questa domanda si può rispondere conoscendo Principio di Le Chatelier:
se cambiamo le condizioni (t, p, c) in cui il sistema è in uno stato di equilibrio, allora l'equilibrio si sposterà verso il processo che resiste al cambiamento.
In altre parole, il sistema di equilibrio si oppone sempre a qualsiasi influenza dall'esterno, come un bambino capriccioso si oppone alla volontà dei suoi genitori, che fa "tutto al contrario".
Considera un esempio. Lascia che l'equilibrio sia stabilito nella reazione per ottenere l'ammoniaca:
Domande. Il numero di moli di gas reagenti è lo stesso prima e dopo la reazione? Se la reazione avviene in un volume chiuso, quando la pressione è maggiore: prima o dopo la reazione?
Ovviamente, questo processo avviene con una diminuzione del numero di molecole di gas, il che significa che pressione diminuisce durante la reazione diretta. IN inversione reazioni - al contrario, la pressione nella miscela aumenta.
Chiediamoci cosa accadrebbe se in questo sistema aumentare pressione? Secondo il principio di Le Chatelier, la reazione che "fa il contrario", cioè abbassa pressione. Questa è una reazione diretta: meno molecole di gas - meno pressione.
COSÌ, A promozione pressione, l'equilibrio si sposta verso il processo diretto, dove la pressione scende al diminuire del numero di molecole gas.
Il compito dell'esame. A promozione la pressione sposta l'equilibrio Giusto nel sistema:
Se come risultato della reazione numero di molecole i gas non cambiano, quindi una variazione di pressione non influisce sulla posizione di equilibrio.
Il compito dell'esame. Un cambiamento di pressione influisce sullo spostamento di equilibrio nel sistema:
La posizione di equilibrio di questa e di ogni altra reazione dipende dalla concentrazione delle sostanze reagenti: aumentando la concentrazione delle sostanze di partenza e diminuendo la concentrazione delle sostanze risultanti, spostiamo sempre l'equilibrio verso la reazione diretta (a destra).
Il compito dell'esame.
si sposterà a sinistra quando:
- aumento della pressione;
- abbassare la temperatura;
- aumento della concentrazione di CO;
- diminuzione della concentrazione di CO.
Il processo di sintesi dell'ammoniaca è esotermico, cioè è accompagnato dal rilascio di calore, cioè aumento di temperatura nella miscela.
Domanda. Come si sposterà l'equilibrio in questo sistema quando abbassando la temperatura?
Discutendo allo stesso modo, lo facciamo conclusione: durante l'abbassamento temperatura, l'equilibrio si sposterà verso la formazione di ammoniaca, poiché in questa reazione viene rilasciato calore, e la temperatura sorge.
Domanda. Come cambierà la velocità di una reazione chimica al diminuire della temperatura?
È ovvio che con una diminuzione della temperatura, la velocità di entrambe le reazioni diminuirà drasticamente, cioè si dovrà attendere molto tempo prima che venga stabilito l'equilibrio desiderato. Cosa fare? In questo caso, è necessario catalizzatore. Anche se lui non influisce sulla posizione di equilibrio, ma accelera l'inizio di questo stato.
Il compito dell'esame. Equilibrio chimico nel sistema
si sposta verso la formazione del prodotto di reazione a:
- aumento della pressione;
- aumento della temperatura;
- calo di pressione;
- l'uso di un catalizzatore.
conclusioni
La velocità di una reazione chimica dipende da:
- la natura delle particelle reagenti;
- concentrazione o area di interfaccia dei reagenti;
- temperatura;
- la presenza di un catalizzatore.
L'equilibrio è stabilito quando la velocità della reazione diretta è uguale alla velocità del processo inverso. In questo caso, la concentrazione all'equilibrio dei reagenti non cambia. Lo stato di equilibrio chimico dipende dalle condizioni e obbedisce al principio di Le Chatelier.
Metodi chimici
Metodi fisici
Metodi per misurare la velocità di reazione
Nell'esempio sopra, la velocità di reazione tra carbonato di calcio e acido è stata misurata studiando il volume di gas sviluppato in funzione del tempo. I dati sperimentali sulle velocità di reazione possono essere ottenuti misurando altre grandezze.
Se nel corso della reazione la quantità totale di sostanze gassose cambia, allora il suo corso può essere osservato misurando la pressione del gas a volume costante. Nei casi in cui uno dei materiali di partenza o uno dei prodotti di reazione è colorato, l'andamento della reazione può essere monitorato osservando il cambiamento di colore della soluzione. Un altro metodo ottico consiste nel misurare la rotazione del piano di polarizzazione della luce (se le sostanze iniziali e i prodotti di reazione hanno capacità rotazionali diverse).
Alcune reazioni sono accompagnate da un cambiamento nel numero di ioni nella soluzione. In tali casi, la velocità di reazione può essere studiata misurando la conducibilità elettrica della soluzione. Nel prossimo capitolo verranno discussi alcuni altri metodi elettrochimici che possono essere usati per misurare le velocità di reazione.
L'avanzamento della reazione può essere monitorato misurando la concentrazione di uno dei partecipanti alla reazione nel tempo utilizzando una varietà di metodi di analisi chimica. La reazione viene condotta in un recipiente termostatato. A determinati intervalli, un campione della soluzione (o gas) viene prelevato dal recipiente e viene determinata la concentrazione di uno dei componenti. Per ottenere risultati affidabili, è importante che non si verifichi alcuna reazione nel campione prelevato per l'analisi. Ciò si ottiene mediante legame chimico di uno dei reagenti, raffreddamento rapido o diluizione della soluzione.
Studi sperimentali mostrano che la velocità di reazione dipende da diversi fattori. Consideriamo innanzitutto l'influenza di questi fattori a livello qualitativo.
1.La natura dei reagenti. Dalla pratica di laboratorio sappiamo che la neutralizzazione di un acido da parte di una base
H + + OH - ® H 2 O
interazione di sali con la formazione di un composto scarsamente solubile
Ag + + Cl – ® AgCl
e altre reazioni nelle soluzioni elettrolitiche si verificano molto rapidamente. Il tempo necessario per il completamento di tali reazioni è misurato in millisecondi e persino microsecondi. Questo è abbastanza comprensibile, perché l'essenza di tali reazioni è l'avvicinamento e la combinazione di particelle cariche con cariche di segno opposto.
Contrariamente alle reazioni ioniche, l'interazione tra molecole legate in modo covalente di solito procede molto più lentamente. Infatti, nel corso della reazione tra tali particelle, i legami nelle molecole delle sostanze di partenza devono rompersi. Per fare ciò, le molecole in collisione devono avere una certa quantità di energia. Inoltre, se le molecole sono abbastanza complesse, affinché avvenga una reazione tra di loro, devono essere orientate nello spazio in un certo modo.
2. Concentrazione dei reagenti. La velocità di una reazione chimica, ceteris paribus, dipende dal numero di collisioni delle particelle reagenti per unità di tempo. La probabilità di collisioni dipende dal numero di particelle per unità di volume, cioè dalla concentrazione. Pertanto, la velocità di reazione aumenta con l'aumentare della concentrazione.
3. Lo stato fisico delle sostanze. In sistemi omogenei, la velocità di reazione dipende dal numero di collisioni di particelle in volume della soluzione(o benzina). Nei sistemi eterogenei si verifica l'interazione chimica all'interfaccia. Un aumento dell'area superficiale di un solido durante la sua macinazione facilita l'accesso delle particelle reagenti alle particelle del solido, il che porta ad una significativa accelerazione della reazione.
4. Temperatura ha un impatto significativo sulla velocità di vari processi chimici e biologici. Con un aumento della temperatura, l'energia cinetica delle particelle aumenta e, di conseguenza, aumenta la frazione di particelle la cui energia è sufficiente per l'interazione chimica.
5. Fattore sterico caratterizza la necessità di orientamento reciproco delle particelle reagenti. Più complesse sono le molecole, minore è la probabilità del loro corretto orientamento, minore è l'efficienza delle collisioni.
6. Disponibilità di catalizzatori.I catalizzatori sono sostanze che modificano la velocità di una reazione chimica. Introdotto nel sistema di reazione in grandi quantità e rimanendo invariati dopo la reazione, sono in grado di modificare notevolmente la velocità del processo.
I principali fattori da cui dipende la velocità di reazione saranno discussi più dettagliatamente di seguito.
Definiamo il concetto di base della cinetica chimica: la velocità di una reazione chimica:
La velocità di una reazione chimica è il numero di atti elementari di una reazione chimica che si verificano per unità di tempo per unità di volume (per reazioni omogenee) o per unità di superficie (per reazioni eterogenee).
La velocità di una reazione chimica è la variazione della concentrazione dei reagenti per unità di tempo.
La prima definizione è la più rigorosa; ne consegue che la velocità di una reazione chimica può anche essere espressa come cambiamento nel tempo di qualsiasi parametro dello stato del sistema, a seconda del numero di particelle di qualsiasi sostanza reagente, riferito a un'unità di volume o superficie - conducibilità elettrica, densità ottica, costante dielettrica, ecc. e così via. Tuttavia, molto spesso in chimica, viene considerata la dipendenza della concentrazione dei reagenti dal tempo. Nel caso di reazioni chimiche unilaterali (irreversibili) (di seguito si considerano solo reazioni unilaterali), è ovvio che le concentrazioni delle sostanze di partenza diminuiscono costantemente nel tempo (ΔС rif.< 0), а концентрации продуктов реакции увеличиваются (ΔС прод >0). Si presume che la velocità di reazione sia positiva, quindi la definizione matematica lo è velocità di reazione media nell'intervallo di tempo Δt si scrive come segue:
(II.1)
In diversi intervalli di tempo, la velocità media di una reazione chimica ha valori diversi; vera velocità di reazione (istantanea). è definita come la derivata della concentrazione rispetto al tempo:
(II.2)
La rappresentazione grafica della dipendenza della concentrazione dei reagenti dal tempo è curva cinetica (Figura 2.1).
Riso. 2.1 Curve cinetiche per materie prime (A) e prodotti di reazione (B).
La vera velocità di reazione può essere determinata graficamente tracciando una tangente alla curva cinetica (Fig. 2.2); la vera velocità di reazione in un dato momento è uguale in valore assoluto alla tangente della pendenza della tangente:
Riso. 2.2 Definizione grafica V ist.
(II.3)
Va notato che nel caso in cui i coefficienti stechiometrici nell'equazione della reazione chimica non siano gli stessi, la velocità di reazione dipenderà dalla variazione della concentrazione di cui è stato determinato il reagente. Ovviamente, nella reazione
2H2 + O2 → 2H2O
le concentrazioni di idrogeno, ossigeno e acqua variano a vari livelli:
ΔC (H 2) \u003d ΔC (H 2 O) \u003d 2 ΔC (O 2).
La velocità di una reazione chimica dipende da molti fattori: la natura dei reagenti, la loro concentrazione, la temperatura, la natura del solvente, ecc.
Uno dei compiti che la cinetica chimica deve affrontare è determinare la composizione della miscela di reazione (cioè le concentrazioni di tutti i reagenti) in qualsiasi momento, per cui è necessario conoscere la dipendenza della velocità di reazione dalle concentrazioni. In generale, maggiore è la concentrazione dei reagenti, maggiore è la velocità della reazione chimica. La base della cinetica chimica è il cosiddetto. postulato di base della cinetica chimica:
La velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni dei reagenti, prese in una certa misura.
cioè per la reazione
AA + bB + dD + ... → eE + ...
Può essere scritto
(II.4)
Il coefficiente di proporzionalità k è costante della velocità di reazione chimica. La costante di velocità è numericamente uguale alla velocità di reazione a concentrazioni di tutti i reagenti pari a 1 mol/l.
La dipendenza della velocità di reazione dalle concentrazioni dei reagenti è determinata sperimentalmente e viene chiamata equazione cinetica reazione chimica. Ovviamente, per scrivere l'equazione cinetica, è necessario determinare sperimentalmente la costante di velocità e gli esponenti alle concentrazioni dei reagenti. L'esponente alla concentrazione di ciascuno dei reagenti nell'equazione cinetica di una reazione chimica (nell'equazione (II.4) x, y e z, rispettivamente) è reazione dell'ordine privato per questo componente. La somma degli esponenti nell'equazione cinetica per una reazione chimica (x + y + z) è ordine di reazione generale . Va sottolineato che l'ordine di reazione è determinato solo da dati sperimentali e non è correlato ai coefficienti stechiometrici dei reagenti nell'equazione di reazione. L'equazione di reazione stechiometrica è un'equazione di bilancio materiale e non può in alcun modo determinare la natura del corso di questa reazione nel tempo.
Nella cinetica chimica, è consuetudine classificare le reazioni in base all'ordine generale della reazione. Consideriamo la dipendenza della concentrazione dei reagenti dal tempo per reazioni irreversibili (a senso unico) di ordine zero, primo e secondo.
La velocità di una reazione chimica
La velocità di una reazione chimica- variazione della quantità di una delle sostanze reagenti per unità di tempo in un'unità di spazio di reazione. È un concetto chiave della cinetica chimica. La velocità di una reazione chimica è sempre positiva, quindi, se è determinata dalla sostanza iniziale (la cui concentrazione diminuisce durante la reazione), il valore risultante viene moltiplicato per −1.
Ad esempio per una reazione:
l'espressione per la velocità sarà simile a questa:
. La velocità di una reazione chimica in ogni momento è proporzionale alle concentrazioni dei reagenti, elevate a potenze pari ai loro coefficienti stechiometrici.Per le reazioni elementari, l'esponente al valore di concentrazione di ciascuna sostanza è spesso uguale al suo coefficiente stechiometrico; per le reazioni complesse, questa regola non viene osservata. Oltre alla concentrazione, i seguenti fattori influenzano la velocità di una reazione chimica:
- la natura dei reagenti,
- la presenza di un catalizzatore
- temperatura (regola di van't Hoff),
- pressione,
- l'area superficiale dei reagenti.
Se consideriamo la reazione chimica più semplice A + B → C, allora lo notiamo immediato la velocità di una reazione chimica non è costante.
Letteratura
- Kubasov A. A. Cinetica chimica e catalisi.
- Prigogine I., Defey R. Termodinamica chimica. Novosibirsk: Nauka, 1966. 510 p.
- Yablonsky G. S., Bykov V. I., Gorban A. N., Modelli cinetici di reazioni catalitiche, Novosibirsk: Nauka (Siberian Branch), 1983.- 255 p.
Fondazione Wikimedia. 2010 .
Guarda cos'è la "Velocità di una reazione chimica" in altri dizionari:
Concetti base di cinetica chimica. Per semplici reazioni omogenee, la velocità di una reazione chimica è misurata dalla variazione del numero di moli della sostanza che ha reagito (a un volume costante del sistema) o dalla variazione della concentrazione di una qualsiasi delle sostanze di partenza... Grande dizionario enciclopedico
VELOCITÀ DI REAZIONE CHIMICA- il concetto base di chim. cinetica, che esprime il rapporto tra la quantità della sostanza che ha reagito (in moli) e il tempo durante il quale si è verificata l'interazione. Poiché le concentrazioni dei reagenti cambiano durante l'interazione, la velocità è solitamente ... Grande Enciclopedia Politecnico
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Concetti base di cinetica chimica. Per semplici reazioni omogenee, la velocità di una reazione chimica è misurata da una variazione del numero di moli della sostanza che ha reagito (a un volume costante del sistema) o da una variazione della concentrazione di una qualsiasi delle sostanze di partenza... Dizionario enciclopedico
Un valore che caratterizza l'intensità di una reazione chimica (vedi reazioni chimiche). La velocità di formazione di un prodotto di reazione è la quantità di questo prodotto risultante dalla reazione per unità di tempo in unità di volume (se ... ...
Principale il concetto di chim. cinetica. Per semplici reazioni omogenee S. x. R. misurato da una variazione del numero di moli di reagito in va (a un volume costante del sistema) o da una variazione della concentrazione di uno qualsiasi dei prodotti iniziali in o di reazione (se il volume del sistema ...
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