Nella vita ci troviamo di fronte a diverse reazioni chimiche. Alcuni di essi, come l'arrugginimento del ferro, possono durare diversi anni. Altri, come la fermentazione dello zucchero in alcol, richiedono diverse settimane. La legna nella stufa si brucia in un paio d'ore e la benzina nel motore si brucia in una frazione di secondo.
Per ridurre i costi delle attrezzature, gli impianti chimici aumentano la velocità delle reazioni. E alcuni processi, come il deterioramento degli alimenti e la corrosione dei metalli, devono essere rallentati.
La velocità di una reazione chimica può essere espresso come variazione della quantità di materia (n, modulo) per unità di tempo (t) - confronta la velocità di un corpo in movimento in fisica come variazione delle coordinate per unità di tempo: υ = Δx/Δt . Affinché la velocità non dipenda dal volume del recipiente in cui avviene la reazione, dividiamo l'espressione per il volume delle sostanze reagenti (v), ovvero otteniamo variazione della quantità di una sostanza per unità di tempo per unità di volume, o variazione della concentrazione di una delle sostanze nell'unità di tempo:
n2 − n1
υ = –––––––––– = –––––––– = Δс/Δt (1)
(t2 − t1) vΔt v
dove c = n/v è la concentrazione della sostanza,
Δ (pronunciato "delta") è la designazione generalmente accettata per un cambiamento di magnitudo.
Se le sostanze hanno coefficienti diversi nell'equazione, la velocità di reazione per ciascuna di esse, calcolata con questa formula, sarà diversa. Ad esempio, 2 moli di anidride solforosa reagiscono completamente con 1 mole di ossigeno in 10 secondi in 1 litro:
2SO2 + O2 \u003d 2SO3
La velocità dell'ossigeno sarà: υ \u003d 1: (10 1) \u003d 0,1 mol / l·s
Velocità del gas acido: υ \u003d 2: (10 1) \u003d 0,2 mol / l s- non è necessario memorizzarlo e parlarlo durante l'esame, viene fornito un esempio per non confondersi se si pone questa domanda.
La velocità delle reazioni eterogenee (che coinvolgono i solidi) è spesso espressa per unità di superficie delle superfici a contatto:
Δn
υ = –––––– (2)
Δt S
Le reazioni si dicono eterogenee quando i reagenti si trovano in fasi diverse:
- un solido con un altro solido, liquido o gas,
- due liquidi immiscibili
- gas liquido.
Reazioni omogenee si verificano tra sostanze nella stessa fase:
- tra liquidi ben miscibili,
- gas,
- sostanze in soluzioni.
Condizioni che influenzano la velocità delle reazioni chimiche
1) La velocità di reazione dipende da la natura dei reagenti. In poche parole, sostanze diverse reagiscono a velocità diverse. Ad esempio, lo zinco reagisce violentemente con l'acido cloridrico, mentre il ferro reagisce piuttosto lentamente.
2) La velocità di reazione è maggiore, più è alta concentrazione sostanze. Con un acido altamente diluito, lo zinco impiegherà molto più tempo per reagire.
3) La velocità di reazione aumenta significativamente con l'aumentare temperatura. Ad esempio, per bruciare il carburante è necessario dargli fuoco, cioè aumentare la temperatura. Per molte reazioni, un aumento della temperatura di 10°C è accompagnato da un aumento della velocità di un fattore 2–4.
4) Velocità eterogeneo le reazioni aumentano con l'aumentare superfici dei reagenti. I solidi per questo vengono solitamente frantumati. Ad esempio, affinché le polveri di ferro e zolfo reagiscano quando riscaldate, il ferro deve presentarsi sotto forma di piccola segatura.
Nota che la formula (1) è implicita in questo caso! La formula (2) esprime la velocità per unità di superficie, quindi non può dipendere dall'area.
5) La velocità di reazione dipende dalla presenza di catalizzatori o inibitori.
Catalizzatori Sostanze che accelerano le reazioni chimiche ma che non vengono consumate. Un esempio è la rapida decomposizione del perossido di idrogeno con l'aggiunta di un catalizzatore: ossido di manganese (IV):
2H2O2 \u003d 2H2O+O2
L'ossido di manganese (IV) rimane sul fondo e può essere riutilizzato.
Inibitori- sostanze che rallentano la reazione. Ad esempio, per prolungare la durata dei tubi e delle batterie, al sistema di riscaldamento dell'acqua vengono aggiunti inibitori della corrosione. Nelle automobili, al liquido dei freni vengono aggiunti inibitori della corrosione.
Qualche altro esempio.
Alcune reazioni chimiche avvengono quasi istantaneamente (esplosione di una miscela ossigeno-idrogeno, reazioni di scambio ionico in una soluzione acquosa), la seconda - rapidamente (combustione di sostanze, interazione dello zinco con acido) e altre - lentamente (arrugginimento del ferro, decomposizione dei residui organici). Si conoscono reazioni così lente che una persona semplicemente non riesce a notarle. Ad esempio, la trasformazione del granito in sabbia e argilla avviene nel corso di migliaia di anni.
In altre parole, le reazioni chimiche possono procedere in modo diverso velocità.
Ma cosa è reazione veloce? Qual è la definizione esatta di questa quantità e, soprattutto, la sua espressione matematica?
La velocità di una reazione è la variazione della quantità di una sostanza in un'unità di tempo in un'unità di volume. Matematicamente questa espressione si scrive così:
Dove N 1 EN 2 - la quantità di sostanza (mol) rispettivamente al tempo t 1 e t 2 in un sistema con un volume V.
Quale segno più o meno (±) starà davanti all'espressione della velocità dipende da se stiamo osservando un cambiamento nella quantità di quale sostanza: un prodotto o un reagente.
Ovviamente, nel corso della reazione, si verifica il consumo dei reagenti, cioè il loro numero diminuisce, quindi per i reagenti l'espressione (n 2 - n 1) ha sempre un valore inferiore a zero. Poiché la velocità non può essere un valore negativo, in questo caso è necessario anteporre all'espressione il segno meno.
Se stiamo osservando la variazione della quantità del prodotto e non del reagente, non è necessario il segno meno prima dell'espressione per il calcolo della velocità, poiché l'espressione (n 2 - n 1) in questo caso è sempre positiva , Perché la quantità di prodotto risultante dalla reazione non può che aumentare.
Il rapporto tra la quantità di sostanza N al volume in cui si trova questa quantità di sostanza, chiamato concentrazione molare CON:
Pertanto, utilizzando il concetto di concentrazione molare e la sua espressione matematica, possiamo scrivere un altro modo per determinare la velocità di reazione:
La velocità di reazione è la variazione della concentrazione molare di una sostanza come risultato di una reazione chimica in un'unità di tempo:
Fattori che influenzano la velocità di reazione
Spesso è estremamente importante sapere cosa determina la velocità di una particolare reazione e come influenzarla. Ad esempio, l’industria della raffinazione del petrolio lotta letteralmente per ogni mezzo punto percentuale in più del prodotto per unità di tempo. Dopotutto, data l’enorme quantità di petrolio lavorato, anche la metà percento si traduce in un grande profitto finanziario annuale. In alcuni casi è estremamente importante rallentare qualsiasi reazione, in particolare la corrosione dei metalli.
Quindi da cosa dipende la velocità di una reazione? Dipende, stranamente, da molti parametri diversi.
Per comprendere questo problema, prima di tutto, immaginiamo cosa succede a seguito di una reazione chimica, ad esempio:
A + B → C + D
L'equazione scritta sopra riflette il processo in cui le molecole delle sostanze A e B, scontrandosi tra loro, formano molecole delle sostanze C e D.
Cioè, senza dubbio, affinché la reazione avvenga, è necessaria almeno una collisione delle molecole delle sostanze di partenza. Ovviamente, se aumentiamo il numero di molecole per unità di volume, il numero di collisioni aumenterà nello stesso modo in cui aumenta la frequenza delle tue collisioni con i passeggeri di un autobus affollato rispetto a uno mezzo vuoto.
In altre parole, la velocità di reazione aumenta all'aumentare della concentrazione dei reagenti.
Nel caso in cui uno o più reagenti siano gas, la velocità di reazione aumenta all'aumentare della pressione, poiché la pressione di un gas è sempre direttamente proporzionale alla concentrazione delle sue molecole costituenti.
Tuttavia, la collisione delle particelle è una condizione necessaria ma non sufficiente affinché la reazione possa procedere. Il fatto è che, secondo i calcoli, il numero di collisioni delle molecole delle sostanze reagenti alla loro concentrazione ragionevole è così grande che tutte le reazioni devono procedere in un istante. Tuttavia, ciò non avviene nella pratica. Qual è il problema?
Il fatto è che non tutte le collisioni tra le molecole dei reagenti saranno necessariamente efficaci. Molte collisioni sono elastiche: le molecole rimbalzano l'una sull'altra come palline. Affinché la reazione possa avvenire, le molecole devono avere sufficiente energia cinetica. L'energia minima che devono avere le molecole dei reagenti affinché la reazione abbia luogo si chiama energia di attivazione e viene indicata con E a. In un sistema costituito da un gran numero di molecole, esiste una distribuzione energetica delle molecole, alcune hanno energia bassa, altre hanno energia alta e media. Di tutte queste molecole, solo una piccola frazione ha un'energia maggiore dell'energia di attivazione.
Come è noto dal corso di fisica, la temperatura è in realtà una misura dell'energia cinetica delle particelle che compongono la sostanza. Cioè, più velocemente si muovono le particelle che compongono la sostanza, maggiore è la sua temperatura. Quindi, ovviamente, aumentando la temperatura, aumentiamo essenzialmente l'energia cinetica delle molecole, per cui aumenta la proporzione di molecole con energie superiori a E a e la loro collisione porterà ad una reazione chimica.
L'effetto positivo della temperatura sulla velocità di reazione fu stabilito empiricamente già nel XIX secolo dal chimico olandese Van't Hoff. Sulla base delle sue ricerche, formulò una regola che porta ancora il suo nome, e suona così:
La velocità di qualsiasi reazione chimica aumenta di 2-4 volte con un aumento della temperatura di 10 gradi.
La rappresentazione matematica di questa regola è scritta come:
Dove V 2 E V 1 è la velocità alla temperatura t 2 e t 1, rispettivamente, e γ è il coefficiente di temperatura della reazione, il cui valore molto spesso è compreso tra 2 e 4.
Spesso la velocità di molte reazioni può essere aumentata utilizzando catalizzatori.
I catalizzatori sono sostanze che accelerano una reazione senza consumarsi.
Ma come riescono i catalizzatori ad aumentare la velocità di una reazione?
Ricordiamo l'energia di attivazione E a . Le molecole con energie inferiori all'energia di attivazione non possono interagire tra loro in assenza di un catalizzatore. I catalizzatori cambiano il percorso lungo il quale procede la reazione, in modo simile a come una guida esperta aprirà il percorso della spedizione non direttamente attraverso la montagna, ma con l'aiuto di percorsi di bypass, in conseguenza dei quali anche quei satelliti che non ne avevano abbastanza l'energia per scalare la montagna potrà spostarsi da un altro lato.
Nonostante il catalizzatore non venga consumato durante la reazione, tuttavia ne prende parte attiva, formando composti intermedi con i reagenti, ma alla fine della reazione ritorna al suo stato originale.
Oltre ai fattori sopra indicati che influenzano la velocità di reazione, se esiste un'interfaccia tra le sostanze reagenti (reazione eterogenea), la velocità di reazione dipenderà anche dall'area di contatto dei reagenti. Immaginiamo, ad esempio, un granello di alluminio metallico lasciato cadere in una provetta contenente una soluzione acquosa di acido cloridrico. L'alluminio è un metallo attivo che può reagire con acidi non ossidanti. Con l'acido cloridrico, l'equazione di reazione è la seguente:
2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2
L'alluminio è un solido, il che significa che reagisce solo con l'acido cloridrico sulla sua superficie. Ovviamente, se aumentiamo l'area superficiale arrotolando prima il granulo di alluminio in un foglio, avremo così a disposizione un maggior numero di atomi di alluminio disponibili per la reazione con l'acido. Di conseguenza, la velocità di reazione aumenterà. Allo stesso modo, è possibile ottenere un aumento della superficie di un solido riducendolo in polvere.
Inoltre, la velocità di una reazione eterogenea, in cui un solido reagisce con un gassoso o liquido, è spesso influenzata positivamente dall'agitazione, poiché come risultato dell'agitazione, le molecole accumulate dei prodotti di reazione vengono rimosse dalla la zona di reazione e viene “portata su” una nuova porzione delle molecole del reagente.
L'ultima cosa da notare è anche l'enorme influenza sulla velocità della reazione e sulla natura dei reagenti. Ad esempio, più basso è il metallo alcalino nella tavola periodica, più velocemente reagisce con l'acqua, il fluoro reagisce più rapidamente con l'idrogeno gassoso tra tutti gli alogeni, ecc.
In sintesi, la velocità di reazione dipende dai seguenti fattori:
1) concentrazione dei reagenti: maggiore è, maggiore è la velocità di reazione
2) temperatura: all'aumentare della temperatura aumenta la velocità di qualsiasi reazione
3) l'area di contatto dei reagenti: maggiore è l'area di contatto dei reagenti, maggiore è la velocità di reazione
4) agitazione, se la reazione avviene tra un solido e un liquido o un gas, l'agitazione può accelerarla.
DEFINIZIONE
Cinetica chimica- lo studio delle velocità e dei meccanismi delle reazioni chimiche.
Lo studio delle velocità delle reazioni, l'ottenimento di dati sui fattori che influenzano la velocità di una reazione chimica, nonché lo studio dei meccanismi delle reazioni chimiche viene effettuato sperimentalmente.
DEFINIZIONE
La velocità di una reazione chimica- variazione della concentrazione di uno dei reagenti o dei prodotti di reazione per unità di tempo a volume costante del sistema.
La velocità delle reazioni omogenee ed eterogenee è determinata in modo diverso.
La definizione di misura della velocità di una reazione chimica può essere scritta in forma matematica. Sia - la velocità di una reazione chimica in un sistema omogeneo, n B - il numero di moli di una qualsiasi delle sostanze risultanti dalla reazione, V - il volume del sistema, - il tempo. Quindi al limite:
Questa equazione può essere semplificata: il rapporto tra la quantità di sostanza e il volume è la concentrazione molare della sostanza n B / V \u003d c B, da dove dn B / V \u003d dc B e infine:
In pratica, le concentrazioni di una o più sostanze vengono misurate a determinati intervalli di tempo. Le concentrazioni delle sostanze iniziali diminuiscono con il tempo, mentre le concentrazioni dei prodotti aumentano (Fig. 1).
Riso. 1. Variazione della concentrazione della sostanza di partenza (a) e del prodotto di reazione (b) nel tempo
Fattori che influenzano la velocità di una reazione chimica
I fattori che influenzano la velocità di una reazione chimica sono: la natura dei reagenti, la loro concentrazione, la temperatura, la presenza di catalizzatori nel sistema, la pressione e il volume (in fase gassosa).
L'influenza della concentrazione sulla velocità di una reazione chimica è associata alla legge fondamentale della cinetica chimica - la legge dell'azione di massa (LMA): la velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni dei reagenti elevate al potenza dei loro coefficienti stechiometrici. Il PDM non tiene conto della concentrazione di sostanze in fase solida in sistemi eterogenei.
Per la reazione mA + nB = pC + qD si scriverà l'espressione matematica del MAP:
K × C A m × C B n
K × [A] m × [B] n ,
dove k è la costante di velocità di una reazione chimica, ovvero la velocità di una reazione chimica ad una concentrazione di reagenti di 1 mol/l. A differenza della velocità di una reazione chimica, k non dipende dalla concentrazione dei reagenti. Più k è alto, più velocemente procede la reazione.
La dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla temperatura è determinata dalla regola di Van't Hoff. Regola di Van't Hoff: ogni 10 gradi di aumento della temperatura, la velocità della maggior parte delle reazioni chimiche aumenta da 2 a 4 volte. Espressione matematica:
(T2) \u003d (T1) × (T2-T1) / 10,
dove è il coefficiente di temperatura di van't Hoff, che mostra quante volte la velocità di reazione aumenta con un aumento della temperatura di 10 o C.
Molecolarità e ordine di reazione
La molecolarità della reazione è determinata dal numero minimo di molecole che interagiscono simultaneamente (partecipano all'atto elementare). Distinguere:
- reazioni monomolecolari (le reazioni di decomposizione possono servire da esempio)
N2O5 \u003d 2NO2 + 1 / 2O2
K × C, -dC/dt = kC
Tuttavia, non tutte le reazioni che obbediscono a questa equazione sono monomolecolari.
- bimolecolare
CH 3 COOH + C 2 H 5 OH \u003d CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O
K × C 1 × C 2 , -dC/dt = k × C 1 × C 2
- trimolecolare (molto raro).
La molecolarità di una reazione è determinata dal suo vero meccanismo. È impossibile determinarne la molecolarità scrivendo l'equazione di reazione.
L'ordine della reazione è determinato dalla forma dell'equazione cinetica della reazione. È uguale alla somma degli esponenti dei gradi di concentrazione in questa equazione. Per esempio:
CaCO 3 \u003d CaO + CO 2
K × C 1 2 × C 2 - terzo ordine
L'ordine della reazione può essere frazionario. In questo caso, è determinato sperimentalmente. Se la reazione procede in uno stadio, l'ordine della reazione e la sua molecolarità coincidono, se in più fasi, l'ordine è determinato dallo stadio più lento ed è uguale alla molecolarità di questa reazione.
Esempi di risoluzione dei problemi
ESEMPIO 1
| Esercizio | La reazione procede secondo l'equazione 2A + B = 4C. La concentrazione iniziale della sostanza A è 0,15 mol/l e dopo 20 secondi è 0,12 mol/l. Calcolare la velocità media di reazione. | ||||||||||
| Soluzione | Scriviamo una formula per calcolare la velocità media di una reazione chimica: Reazione veloceè determinato dalla variazione della concentrazione molare di uno dei reagenti: V \u003d ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) \u003d ± (DC / Dt) Dove C 1 e C 2 sono le concentrazioni molari delle sostanze ai tempi t 1 e t 2, rispettivamente (segno (+) - se la velocità è determinata dal prodotto di reazione, segno (-) - dalla sostanza originale). Le reazioni avvengono quando le molecole dei reagenti si scontrano. La sua velocità è determinata dal numero di collisioni e dalla probabilità che portino a una trasformazione. Il numero di collisioni è determinato dalle concentrazioni delle sostanze reagenti e la probabilità di una reazione è determinata dall'energia delle molecole in collisione. 2. Concentrazione. Con un aumento della concentrazione (il numero di particelle per unità di volume), le collisioni delle molecole dei reagenti si verificano più spesso: la velocità di reazione aumenta. AA+BB+. . . ®. . .
La costante di velocità di reazione k dipende dalla natura dei reagenti, dalla temperatura e dal catalizzatore, ma non dipende dalle concentrazioni dei reagenti. 3. Temperatura. Per ogni aumento di 10°C della temperatura, la velocità di reazione aumenta di un fattore 2-4 (regola di Van't Hoff). Con un aumento della temperatura da t 1 a t 2, la variazione della velocità di reazione può essere calcolata con la formula:
(dove Vt 2 e Vt 1 sono le velocità di reazione alle temperature t 2 e t 1, rispettivamente; g è il coefficiente di temperatura di questa reazione).
Dove Ea è l'energia di attivazione, cioè l'energia che le molecole in collisione devono avere affinché l'urto provochi una trasformazione chimica.
A - reagenti, B - complesso attivato (stato di transizione), C - prodotti. 4. La superficie di contatto dei reagenti. Per i sistemi eterogenei (quando le sostanze si trovano in diversi stati di aggregazione), maggiore è la superficie di contatto, più veloce procede la reazione. La superficie dei solidi può essere aumentata macinandoli e delle sostanze solubili sciogliendole. 5. Catalisi. Le sostanze che partecipano alle reazioni e ne aumentano la velocità, rimanendo invariate alla fine della reazione, sono chiamate catalizzatori. Il meccanismo d'azione dei catalizzatori è associato ad una diminuzione dell'energia di attivazione della reazione dovuta alla formazione di composti intermedi. A catalisi omogenea i reagenti e il catalizzatore costituiscono una fase (sono nello stesso stato di aggregazione), con catalisi eterogenea- fasi diverse (si trovano in diversi stati di aggregazione). In alcuni casi, il corso dei processi chimici indesiderati può essere drasticamente rallentato aggiungendo inibitori al mezzo di reazione (il fenomeno catalisi negativa"). Lo studio della velocità di una reazione chimica e delle condizioni che influenzano il suo cambiamento è una delle aree della chimica fisica: la cinetica chimica. Considera anche i meccanismi di queste reazioni e la loro validità termodinamica. Questi studi sono importanti non solo per scopi scientifici, ma anche per controllare l'interazione dei componenti nei reattori nella produzione di tutti i tipi di sostanze. Il concetto di velocità in chimicaÈ consuetudine chiamare velocità di reazione un certo cambiamento nella concentrazione dei composti entrati nella reazione (ΔС) per unità di tempo (Δt). La formula matematica per la velocità di una reazione chimica è la seguente: ᴠ = ±∆C/∆t. La velocità di reazione si misura in mol/l s se avviene nell'intero volume (cioè la reazione è omogenea) e in mol/m 2 s se l'interazione avviene sulla superficie che separa le fasi (cioè la reazione è eterogeneo). Il segno "-" nella formula si riferisce alla variazione dei valori delle concentrazioni dei reagenti iniziali e il segno "+" alla variazione dei valori delle concentrazioni dei prodotti della stessa reazione. Esempi di reazioni a velocità diverseLe interazioni chimiche possono verificarsi a velocità diverse. Pertanto, il tasso di crescita delle stalattiti, cioè la formazione di carbonato di calcio, è di soli 0,5 mm ogni 100 anni. Alcune reazioni biochimiche sono lente, come la fotosintesi e la sintesi proteica. La corrosione dei metalli procede a un ritmo piuttosto basso. La velocità media può essere caratterizzata da reazioni che richiedono da una a diverse ore. Un esempio è la cottura, che si accompagna alla scomposizione e trasformazione dei composti contenuti nei prodotti. La sintesi dei singoli polimeri richiede il riscaldamento della miscela di reazione per un certo tempo. Un esempio di reazioni chimiche, la cui velocità è piuttosto elevata, può servire come reazioni di neutralizzazione, l'interazione del bicarbonato di sodio con una soluzione di acido acetico, accompagnata dal rilascio di anidride carbonica. Possiamo anche menzionare l'interazione del nitrato di bario con il solfato di sodio, in cui si osserva la precipitazione del solfato di bario insolubile. Un gran numero di reazioni possono procedere alla velocità della luce e sono accompagnate da un'esplosione. Un classico esempio è l'interazione del potassio con l'acqua.
Fattori che influenzano la velocità di una reazione chimicaVale la pena notare che le stesse sostanze possono reagire tra loro a velocità diverse. Quindi, ad esempio, una miscela di ossigeno gassoso e idrogeno potrebbe non mostrare segni di interazione per un periodo piuttosto lungo, ma quando il contenitore viene scosso o colpito la reazione diventa esplosiva. Pertanto, la cinetica chimica ha identificato alcuni fattori che hanno la capacità di influenzare la velocità di una reazione chimica. Questi includono:
Influenza della natura della materiaUna differenza così significativa nella velocità delle reazioni chimiche è spiegata da diversi valori dell'energia di attivazione (E a). Si intende come una certa quantità di energia in eccesso rispetto al suo valore medio richiesta da una molecola durante una collisione affinché avvenga una reazione. Si misura in kJ / mol e i valori sono generalmente compresi tra 50 e 250.
È generalmente accettato che se E a \u003d 150 kJ / mol per qualsiasi reazione, allora a n. sì. praticamente non scorre. Questa energia viene spesa per superare la repulsione tra le molecole delle sostanze e per indebolire i legami nelle sostanze iniziali. In altre parole, l'energia di attivazione caratterizza la forza dei legami chimici nelle sostanze. Dal valore dell'energia di attivazione si può stimare preliminarmente la velocità di una reazione chimica:
Influenza della concentrazioneLa dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione è caratterizzata più accuratamente dalla legge dell'azione di massa (LMA), che afferma:
Questa legge è adatta per reazioni elementari a uno stadio, o qualsiasi stadio dell'interazione di sostanze, caratterizzato da un meccanismo complesso. Se vuoi determinare la velocità di una reazione chimica, la cui equazione può essere scritta condizionalmente come: αА+ bB = ϲС, quindi, in accordo con la formulazione della legge sopra riportata, la velocità può essere trovata mediante l’equazione: V=k [A] a [B] b , dove a e b sono coefficienti stechiometrici, [A] e [B] - concentrazioni dei composti di partenza, k è la costante di velocità della reazione in questione.
Il significato del coefficiente di velocità di una reazione chimica è che il suo valore sarà uguale alla velocità se le concentrazioni dei composti sono uguali alle unità. Va notato che per il calcolo corretto secondo questa formula è necessario tenere conto dello stato aggregato dei reagenti. Si presuppone che la concentrazione del solido sia unitaria e non è inclusa nell'equazione perché rimane costante durante la reazione. Pertanto, secondo l'MDM, nel calcolo vengono incluse solo le concentrazioni di sostanze liquide e gassose. Quindi, per la reazione per ottenere biossido di silicio da sostanze semplici, descritta dall'equazione Si (TV) + Ο 2 (g) \u003d SiΟ 2 (TV), la velocità sarà determinata dalla formula: Compito tipicoCome cambierebbe la velocità della reazione chimica del monossido di azoto con l'ossigeno se le concentrazioni dei composti di partenza fossero raddoppiate? Soluzione: questo processo corrisponde all'equazione di reazione: 2ΝΟ + Ο2 = 2ΝΟ2 . Scriviamo le espressioni per le velocità di reazione iniziale (ᴠ 1) e finale (ᴠ 2): ᴠ 1 = k [ΝΟ] 2 [Ο 2 ] e ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ]. ᴠ 1 / ᴠ 2 = (k 4[ΝΟ] 2 2[Ο 2 ]) / (k ・[ΝΟ] 2 [Ο 2 ]). ᴠ 2 / ᴠ 1 = 4 2/1 = 8. Risposta: aumentato di 8 volte.
Effetto della temperaturaLa dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla temperatura è stata determinata sperimentalmente dallo scienziato olandese J. H. Van't Hoff. Ha scoperto che la velocità di molte reazioni aumenta di 2-4 volte con un aumento della temperatura ogni 10 gradi. Per questa regola esiste un'espressione matematica simile a: ᴠ 2 = ᴠ 1 γ (Τ2-Τ1)/10 , dove ᴠ 1 e ᴠ 2 - velocità corrispondenti alle temperature Τ 1 e Τ 2; γ - coefficiente di temperatura, pari a 2-4. Allo stesso tempo, questa regola non spiega il meccanismo dell'influenza della temperatura sul valore della velocità di una particolare reazione e non descrive l'intero insieme di regolarità. È logico concludere che con l'aumento della temperatura aumenta il movimento caotico delle particelle e ciò provoca un maggior numero di collisioni. Ciò però non influisce particolarmente sull’efficienza delle collisioni molecolari, poiché dipende principalmente dall’energia di attivazione. Inoltre, un ruolo significativo nell'efficienza della collisione delle particelle è giocato dalla loro corrispondenza spaziale tra loro. La dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla temperatura, tenendo conto della natura dei reagenti, obbedisce all'equazione di Arrhenius: k \u003d A 0 e -Ea / RΤ, dove Ao è un moltiplicatore; E a - energia di attivazione. Un esempio di compito sulla legge di van't HoffCome si dovrebbe modificare la temperatura affinché la velocità di una reazione chimica, il cui coefficiente di temperatura sia numericamente pari a 3, aumenti di 27 volte? Soluzione. Usiamo la formula ᴠ 2 = ᴠ 1 γ (Τ2-Τ1)/10 . Dalla condizione ᴠ 2 / ᴠ 1 = 27 e γ = 3. Devi trovare ΔΤ = Τ 2 -Τ 1. Trasformando la formula originale otteniamo: V2 /V1 \u003d γΔΤ / 10. Sostituiamo i valori: 27=3 ΔΤ/10. Da ciò è chiaro che ΔΤ/10 = 3 e ΔΤ = 30. Risposta: la temperatura dovrebbe essere aumentata di 30 gradi.
Influenza dei catalizzatoriNella chimica fisica, la velocità delle reazioni chimiche viene studiata attivamente anche da una sezione chiamata catalisi. È interessato a come e perché quantità relativamente piccole di determinate sostanze aumentano significativamente il tasso di interazione di altre. Le sostanze che possono accelerare una reazione ma non vengono consumate sono chiamate catalizzatori. È stato dimostrato che i catalizzatori modificano il meccanismo dell'interazione chimica stessa, contribuendo alla comparsa di nuovi stati di transizione, caratterizzati da altezze di barriera energetica inferiori. Contribuiscono cioè ad una diminuzione dell’energia di attivazione e quindi ad un aumento del numero di impatti efficaci delle particelle. Un catalizzatore non può provocare una reazione energeticamente impossibile. Quindi il perossido di idrogeno è in grado di decomporsi con la formazione di ossigeno e acqua: H2Ο2 \u003d H2Ο + Ο2. Ma questa reazione è molto lenta e nei nostri armadietti dei medicinali esiste immutata da molto tempo. Quando si aprono solo fiale di perossido molto vecchie, è possibile notare un piccolo schiocco causato dalla pressione dell'ossigeno sulle pareti del contenitore. L'aggiunta di pochi granelli di ossido di magnesio provocherà un rilascio attivo di gas. La stessa reazione di decomposizione del perossido, ma sotto l'azione della catalasi, si verifica durante il trattamento delle ferite. Ci sono molte sostanze diverse negli organismi viventi che aumentano la velocità delle reazioni biochimiche. Si chiamano enzimi. Gli inibitori hanno l'effetto opposto sul decorso delle reazioni. Tuttavia, questo non è sempre negativo. Gli inibitori vengono utilizzati per proteggere i prodotti metallici dalla corrosione, per prolungare la durata di conservazione degli alimenti, ad esempio per prevenire l'ossidazione dei grassi. Area di contatto con la sostanzaNel caso in cui l'interazione avvenga tra composti aventi diversi stati aggregati o tra sostanze che non sono in grado di formare un mezzo omogeneo (liquidi immiscibili), anche questo fattore influenza in modo significativo la velocità di una reazione chimica. Ciò è dovuto al fatto che le reazioni eterogenee vengono effettuate direttamente all'interfaccia tra le fasi delle sostanze interagenti. Ovviamente, più ampio è questo confine, più particelle hanno l’opportunità di scontrarsi, e più rapida è la reazione. Ad esempio, sotto forma di piccoli chip procede molto più velocemente che sotto forma di tronco. Per lo stesso scopo, molti solidi vengono macinati in polvere fine prima di essere aggiunti a una soluzione. Quindi, il gesso in polvere (carbonato di calcio) agisce più velocemente con l'acido cloridrico rispetto a un pezzo della stessa massa. Tuttavia, oltre ad aumentare l'area, questa tecnica porta anche ad una rottura caotica del reticolo cristallino della sostanza, il che significa che aumenta la reattività delle particelle.
Matematicamente, la velocità di una reazione chimica eterogenea si trova come una variazione nella quantità di sostanza (Δν) che si verifica per unità di tempo (Δt) per unità di superficie (S): V = Δν/(S Δt). Influenza della pressioneUna variazione di pressione nel sistema ha effetto solo quando i gas prendono parte alla reazione. Un aumento della pressione è accompagnato da un aumento delle molecole di una sostanza per unità di volume, cioè la sua concentrazione aumenta proporzionalmente. Viceversa, una diminuzione della pressione porta ad una diminuzione equivalente della concentrazione del reagente. In questo caso la formula corrispondente a ZDM è adatta per calcolare la velocità di una reazione chimica. Compito. Come aumenterà la velocità della reazione descritta dall'equazione 2ΝΟ + Ο2 = 2ΝΟ2 , se il volume di un sistema chiuso viene ridotto di un fattore tre (T=cost)? Soluzione. Al diminuire del volume la pressione aumenta proporzionalmente. Scriviamo le espressioni per le velocità di reazione iniziale (V 1) e finale (V 2): V1 = k2[Ο2] e V 2 = k·(3·) 2 ·3·[Ο 2 ] = k·9[ΝΟ] 2 ·3[Ο 2 ]. Per trovare quante volte la nuova velocità è maggiore di quella iniziale, dovresti dividere le parti sinistra e destra delle espressioni: V 1 /V 2 = (k 9[ΝΟ] 2 3[Ο 2 ]) / (k ⋅ [ΝΟ] 2 [Ο 2 ]). I valori di concentrazione e le costanti di velocità si riducono, e rimangono: V2 /V1 \u003d 9 3/1 \u003d 27. Risposta: la velocità è aumentata di 27 volte. Riassumendo, va notato che il tasso di interazione delle sostanze, o meglio, il numero e la qualità delle collisioni delle loro particelle, è influenzato da molti fattori. Prima di tutto, è l'energia di attivazione e la geometria delle molecole che sono quasi impossibili da correggere. Per quanto riguarda le restanti condizioni, per un aumento della velocità di reazione segue:
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