7.1. Reakcje jednorodne i heterogeniczne
Substancje chemiczne mogą znajdować się w różnych stanach skupienia, podczas gdy ich właściwości chemiczne w różnych stanach są takie same, ale aktywność jest różna (co pokazano na ostatnim wykładzie na przykładzie efektu termicznego reakcji chemicznej).
Rozważ różne kombinacje stanów skupienia, w których mogą znajdować się dwie substancje A i B.
A (g.), B (g.) |
||||||||||||||||||||||||||||||
A (telewizja), B (telewizja) | A (kobieta), B (telewizja) | pomieszane | A(telewizja), B(g) | A (kobieta), B (zm.) |
||||||||||||||||||||||||||
pomieszane | (rozwiązanie) | |||||||||||||||||||||||||||||
heterogeniczny | heterogeniczny | heterogeniczny | jednorodny | heterogeniczny | heterogeniczny | jednorodny |
||||||||||||||||||||||||
Hg(l.) + HNO3 | H2O + D2O | Fe + O2 | H2S + H2SO4 | CO+O2 |
||||||||||||||||||||||||||
Faza to obszar układu chemicznego, w którym wszystkie właściwości układu są stałe (takie same) lub w sposób ciągły zmieniają się z punktu na punkt. Oddzielną fazą jest każda z ciał stałych, ponadto są fazy roztworu i gazu.
Nazywa się homogeniczny układ chemiczny, w którym wszystkie substancje znajdują się w tej samej fazie (w roztworze lub w gazie). Jeśli jest kilka faz, system jest wywoływany
heterogeniczny.
Odpowiednio Reakcja chemiczna nazywamy jednorodnymi, jeśli reagenty znajdują się w tej samej fazie. Jeśli reagenty są w różnych fazach, to Reakcja chemiczna zwany heterogenicznym.
Łatwo zrozumieć, że ponieważ reakcja chemiczna wymaga kontaktu reagentów, reakcja jednorodna zachodzi jednocześnie w całej objętości roztworu lub naczynia reakcyjnego, podczas gdy reakcja heterogeniczna zachodzi na wąskiej granicy między fazami - na granicy faz. Tak więc, czysto teoretycznie, homogeniczna reakcja zachodzi szybciej niż heterogeniczna.
Tym samym przechodzimy do koncepcji szybkość reakcji chemicznej.
Szybkość reakcji chemicznej. Prawo mas czynnych. równowaga chemiczna.
7.2. Szybkość reakcji chemicznej
Dział chemii zajmujący się badaniem szybkości i mechanizmów reakcji chemicznych jest działem chemii fizycznej i nazywa się Kinetyka chemiczna.
Szybkość reakcji chemicznej to zmiana ilości substancji w jednostce czasu na jednostkę objętości reagującego układu (dla reakcji jednorodnej) lub na jednostkę powierzchni (dla reakcji heterogenicznej).
Tak więc, jeśli objętość | lub obszar | interfejsy |
|||||||||
się nie zmieniają, to wyrażenia na szybkości reakcji chemicznych mają postać: |
|||||||||||
dom o | |||||||||||
Stosunek zmiany ilości substancji do objętości układu można interpretować jako zmianę stężenia danej substancji.
Zauważ, że dla odczynników w wyrażeniu na szybkość reakcji chemicznej stawia się znak minus, ponieważ stężenie odczynników maleje, a szybkość reakcji chemicznej jest w rzeczywistości wartością dodatnią.
Dalsze wnioski opierają się na prostych rozważaniach fizycznych, które traktują reakcję chemiczną jako konsekwencję interakcji kilku cząstek.
Elementarna (lub prosta) to reakcja chemiczna zachodząca w jednym etapie. Jeśli istnieje kilka etapów, wówczas takie reakcje nazywane są reakcjami złożonymi, złożonymi lub grubymi.
W 1867 roku zaproponowano określenie szybkości reakcji chemicznej prawo akcji masowej: szybkość elementarnej reakcji chemicznej proporcjonalna do stężeń reagentów w potęgach współczynników stechiometrycznych. n A + m B P,
A, B - odczynniki, P - produkty, n ,m - współczynniki.
W = k n m
Współczynnik k nazywany jest stałą szybkości reakcji chemicznej,
charakteryzuje naturę oddziałujących cząstek i nie zależy od stężenia cząstek.
Szybkość reakcji chemicznej. Prawo mas czynnych. równowaga chemiczna. Wielkości n i m są nazywane kolejność reakcji według substancji odpowiednio A i B oraz
ich suma (n + m) - kolejność reakcji.
W przypadku reakcji elementarnych kolejność reakcji może wynosić 1, 2 i 3.
Reakcje elementarne rzędu 1 nazywane są jednocząsteczkowymi, rzędu 2 - dwucząsteczkowymi, rzędu 3 - trójcząsteczkowymi, w zależności od liczby zaangażowanych cząsteczek. Reakcje elementarne wyższe niż trzeciego rzędu są nieznane – obliczenia pokazują, że jednoczesne spotkanie czterech cząsteczek w jednym punkcie jest zbyt niewiarygodnym wydarzeniem.
Ponieważ reakcja złożona składa się z pewnej sekwencji reakcji elementarnych, jej szybkość można wyrazić szybkościami poszczególnych etapów reakcji. Dlatego w przypadku reakcji złożonych rząd może być dowolny, w tym ułamkowy lub zerowy (zerowy rząd reakcji wskazuje, że reakcja zachodzi ze stałą szybkością i nie zależy od stężenia reagujących cząstek W = k).
Najwolniejszy z etapów złożonego procesu jest zwykle nazywany etapem ograniczającym (etap ograniczający szybkość).
Wyobraź sobie, że duża liczba molekuł trafiła do bezpłatnego kina, ale przy wejściu stoi inspektor, który sprawdza wiek każdej molekuły. Dlatego strumień materii wchodzi przez drzwi kina, a molekuły wchodzą do kina pojedynczo, tj. Tak wolno.
Przykładami reakcji elementarnych pierwszego rzędu są odpowiednio procesy rozpadu termicznego lub radioaktywnego, stała szybkości k charakteryzuje albo prawdopodobieństwo zerwania wiązania chemicznego, albo prawdopodobieństwo rozpadu w jednostce czasu.
Istnieje wiele przykładów reakcji elementarnych drugiego rzędu - jest to dla nas najbardziej znany sposób prowadzenia reakcji - cząstka A wleciała w cząsteczkę B, nastąpiła jakaś transformacja i coś się tam stało (zauważ, że produkty w teorii nie nie wpływać na nic - cała uwaga poświęcona tylko reagującym cząsteczkom).
Wręcz przeciwnie, istnieje całkiem sporo reakcji elementarnych trzeciego rzędu, ponieważ dość rzadko zdarza się, aby trzy cząstki spotkały się w tym samym czasie.
Jako ilustrację rozważmy moc predykcyjną kinetyki chemicznej.
Szybkość reakcji chemicznej. Prawo mas czynnych. równowaga chemiczna.
Równanie kinetyczne pierwszego rzędu
(ilustracyjny materiał dodatkowy)
Rozważmy jednorodną reakcję pierwszego rzędu, której stała szybkości jest równa k , początkowe stężenie substancji A jest równe [A]0 .
Z definicji szybkość jednorodnej reakcji chemicznej wynosi |
||||||||||||||||||
K[A] | zmiana stężenia w jednostce czasu. Kiedyś substancja A - |
|||||||||||||||||
odczynnik, wstaw znak minus. | ||||||||||||||||||
Takie równanie nazywa się równaniem różniczkowym |
||||||||||||||||||
pochodna) | ||||||||||||||||||
[A] | Aby go rozwiązać, przenosimy ilości na lewą stronę |
|||||||||||||||||
stężenia, a po prawej czas. | ||||||||||||||||||
Jeśli pochodne dwóch funkcji są równe, to same funkcje |
||||||||||||||||||
musi różnić się nie więcej niż o stałą. | ||||||||||||||||||
Aby rozwiązać to równanie, weź całkę z lewej strony (wg |
||||||||||||||||||
stężenie) i prawą stronę (w czasie). Żeby nie straszyć |
||||||||||||||||||
log[ A ] = −kt +C | słuchaczy, ograniczymy się do odpowiedzi. | |||||||||||||||||
Symbolem ln jest logarytm naturalny, tj. liczba b taka, że | ||||||||||||||||||
\u003d [ A ], e \u003d 2,71828 ... | ||||||||||||||||||
ln[ A ]- ln0 = - kt | Stałą C wyznacza się z warunków początkowych: | |||||||||||||||||
w t = 0 początkowe stężenie wynosi [A]0 | ||||||||||||||||||
[A] | Kiedyś logarytm | jest potęgą liczby, użyj właściwości potęg |
||||||||||||||||
[A]0 | e a-b= | |||||||||||||||||
Teraz pozbądźmy się logarytmu przeciwnego (patrz definicja |
||||||||||||||||||
logarytm 6-7 linii wyżej), | po co podnosić liczbę | |||||||||||||||||
do potęgi lewej strony równania i prawej strony równania. | ||||||||||||||||||
[A] | E-kt | Pomnóż przez [A]0 | ||||||||||||||||
[A]0 | ||||||||||||||||||
Równanie kinetyczne pierwszego rzędu. | ||||||||||||||||||
[ ZA ]= 0 × e − kt | Na podstawie | otrzymane równanie kinetyczne pierwszego |
||||||||||||||||
zamówienie może | obliczony | stężenie substancji | ||||||||||||||||
w dowolnym momencie | ||||||||||||||||||
Na potrzeby naszego kursu wniosek ten ma charakter wyłącznie informacyjny, aby zademonstrować zastosowanie aparatu matematycznego do obliczania przebiegu reakcji chemicznej. Dlatego kompetentny chemik nie może nie znać matematyki. Ucz się matematyki!
Szybkość reakcji chemicznej. Prawo mas czynnych. równowaga chemiczna. Wykres stężenia reagentów i produktów w funkcji czasu można jakościowo przedstawić w następujący sposób (na przykładzie nieodwracalnej reakcji pierwszego rzędu)
Czynniki wpływające na szybkość reakcji
1. Natura reagentów
Na przykład szybkość reakcji następujących substancji: H2 SO4, CH3 COOH, H2 S, CH3 OH - z jonem wodorotlenkowym będzie różna w zależności od siły wiązania H-O. Aby ocenić siłę tego wiązania, można posłużyć się wartością względnego ładunku dodatniego atomu wodoru: im większy ładunek, tym łatwiej będzie przebiegać reakcja.
2. Temperatura
Doświadczenie życiowe mówi nam, że szybkość reakcji zależy od temperatury i rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Na przykład proces kwaśnego mleka zachodzi szybciej w temperaturze pokojowej, a nie w lodówce.
Przejdźmy do matematycznego wyrażenia prawa akcji masowej.
W = k n m
Ponieważ lewa strona tego wyrażenia (szybkość reakcji) zależy od temperatury, prawa strona wyrażenia również zależy od temperatury. Jednocześnie stężenie oczywiście nie zależy od temperatury: na przykład mleko zachowuje zawartość tłuszczu 2,5% zarówno w lodówce, jak iw temperaturze pokojowej. Zatem, jak mawiał Sherlock Holmes, pozostałe rozwiązanie jest właściwe, bez względu na to, jak dziwne może się wydawać: stała szybkości zależy od temperatury!
Szybkość reakcji chemicznej. Prawo mas czynnych. równowaga chemiczna. Zależność stałej szybkości reakcji od temperatury wyraża równanie Arrheniusa:
− Ea
k = k0 eRT ,
w którym
R = 8,314 J mol-1 K-1 - uniwersalna stała gazowa,
E a jest energią aktywacji reakcji (patrz poniżej), warunkowo uważa się, że jest niezależna od temperatury;
k 0 jest czynnikiem przedwykładniczym (tj. czynnikiem, który stoi przed wykładnikiem e ), którego wartość jest również prawie niezależna od temperatury i zależy przede wszystkim od kolejności reakcji.
Zatem wartość k0 wynosi około 1013 s-1 dla reakcji pierwszego rzędu i 10 -10 l mol-1 s-1 dla reakcji drugiego rzędu,
dla reakcji trzeciego rzędu - 10 -33 l2 mol-2 s-1. Tych wartości nie trzeba zapamiętywać.
Dokładne wartości k0 dla każdej reakcji określa się eksperymentalnie.
Pojęcie energii aktywacji staje się jasne na podstawie poniższego rysunku. W rzeczywistości energia aktywacji to energia, którą musi mieć reagująca cząstka, aby zaszła reakcja.
Co więcej, jeśli podgrzejemy układ, to energia cząstek wzrasta (wykres przerywany), podczas gdy stan przejściowy (≠) pozostaje na tym samym poziomie. Zmniejsza się różnica energii między stanem przejściowym a reagentami (energia aktywacji), a szybkość reakcji zgodnie z równaniem Arrheniusa wzrasta.
Szybkość reakcji chemicznej. Prawo mas czynnych. równowaga chemiczna. Oprócz równania Arrheniusa istnieje równanie van't Hoffa, które
charakteryzuje zależność szybkości reakcji od temperatury za pomocą współczynnika temperaturowego γ:
Współczynnik temperaturowy γ pokazuje, ile razy zwiększy się szybkość reakcji chemicznej, gdy temperatura zmieni się o 10o.
Równanie Van't Hoffa:
T 2 - T 1
W (T 2 )= W (T 1 )× γ10
Zazwyczaj współczynnik γ zawiera się w przedziale od 2 do 4. Z tego powodu chemicy często przyjmują przybliżenie, że wzrost temperatury o 20o prowadzi do zwiększenia szybkości reakcji o rząd wielkości (tj. 10-krotny).
Pojęcie „prędkości” jest dość powszechne w literaturze. Z fizyki wiadomo, że im większą odległość pokonuje ciało materialne (człowiek, pociąg, statek kosmiczny) w określonym czasie, tym większa jest prędkość tego ciała.
Ale jak zmierzyć szybkość reakcji chemicznej, która „nigdzie nie idzie” i nie pokonuje żadnej odległości? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy dowiedzieć się, co Zawsze zmiany w każdy Reakcja chemiczna? Ponieważ każda reakcja chemiczna jest procesem zmiany substancji, pierwotna substancja znika w niej, zamieniając się w produkty reakcji. Tak więc w trakcie reakcji chemicznej zawsze zmienia się ilość substancji, maleje liczba cząstek substancji wyjściowych, a co za tym idzie jej stężenie (C).
Zadanie egzaminu. Szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do zmiany:
- stężenie substancji w jednostce czasu;
- ilość substancji na jednostkę objętości;
- masa materii na jednostkę objętości;
- objętość substancji podczas reakcji.
Teraz porównaj swoją odpowiedź z prawidłową:
szybkość reakcji chemicznej jest równa zmianie stężenia reagenta w jednostce czasu
Gdzie Od 1 I od 0- stężenia reagentów odpowiednio końcowe i początkowe; t1 I t2- czas eksperymentu, odpowiednio końcowy i początkowy przedział czasowy.
Pytanie. Jak myślisz, która wartość jest większa? Od 1 Lub od 0? t1 Lub t0?
Ponieważ reagenty są zawsze zużywane w danej reakcji, to
Zatem stosunek tych wielkości jest zawsze ujemny, a prędkość nie może być wartością ujemną. Dlatego we wzorze pojawia się znak minus, który jednocześnie wskazuje, że prędkość każdy reakcje w czasie (w stałych warunkach) zawsze maleje.
Zatem szybkość reakcji chemicznej wynosi:
Powstaje pytanie, w jakich jednostkach należy mierzyć stężenie reagentów (C) i dlaczego? Aby na nie odpowiedzieć, musisz zrozumieć, czym jest warunek główny aby mogła zajść jakakolwiek reakcja chemiczna.
Aby cząsteczki mogły zareagować, muszą się przynajmniej zderzyć. Dlatego im większa liczba cząstek * (liczba moli) na jednostkę objętości, im częściej się zderzają, tym większe prawdopodobieństwo zajścia reakcji chemicznej.
* Przeczytaj lekcję 29.1 o tym, czym jest „kret”.
Dlatego przy pomiarze szybkości procesów chemicznych używa się stężenie molowe substancje w reagujących mieszaninach.
Stężenie molowe substancji pokazuje, ile jej moli znajduje się w 1 litrze roztworu.
Im większe stężenie molowe reagentów, tym więcej cząstek na jednostkę objętości, im częściej zderzają się, tym większa (ceteris paribus) szybkość reakcji chemicznej. Dlatego podstawowym prawem kinetyki chemicznej (jest to nauka o szybkości reakcji chemicznych) jest prawo akcji masowej.
Szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów.
Dla reakcji typu A + B → ... matematycznie to prawo można wyrazić następująco:
Jeśli reakcja jest bardziej złożona, na przykład 2A + B → lub, co jest takie samo, A + A + B → ..., to
W ten sposób wykładnik pojawił się w równaniu prędkości « dwa» , co odpowiada współczynnikowi 2 w równaniu reakcji. W przypadku bardziej złożonych równań zwykle nie stosuje się dużych wykładników. Wynika to z faktu, że prawdopodobieństwo równoczesnego zderzenia, powiedzmy, trzech cząsteczek A i dwóch cząsteczek B jest niezwykle małe. Dlatego wiele reakcji przebiega w kilku etapach, podczas których zderzają się nie więcej niż trzy cząstki, a każdy etap procesu przebiega z określoną szybkością. Ta prędkość i jej kinetyczne równanie prędkości są wyznaczane eksperymentalnie.
Powyższe równania szybkości reakcji chemicznej (3) lub (4) obowiązują tylko dla jednorodny reakcje, tj. takie reakcje, w których reagujące substancje nie dzielą powierzchni. Na przykład reakcja zachodzi w roztworze wodnym, a oba reagenty są dobrze rozpuszczalne w wodzie lub dowolnej mieszaninie gazów.
Inna sprawa to kiedy heterogeniczny reakcja. W tym przypadku istnieje interfejs między reagentami, na przykład dwutlenkiem węgla gaz reaguje z wodą rozwiązanie zasady. W tym przypadku każda cząsteczka gazu z równym prawdopodobieństwem wejdzie w reakcję, ponieważ cząsteczki te poruszają się szybko i losowo. A co z cząsteczkami cieczy? Cząsteczki te poruszają się bardzo wolno, a te cząstki alkaliczne, które znajdują się „na dnie”, prawie nie mają szans na reakcję z dwutlenkiem węgla, jeśli roztwór nie jest stale mieszany. Zareagują tylko te cząsteczki, które „leżą na powierzchni”. Więc dla heterogeniczny reakcje -
szybkość reakcji zależy od wielkości powierzchni międzyfazowej, która zwiększa się wraz ze szlifowaniem.
Dlatego bardzo często reagujące substancje są kruszone (na przykład rozpuszczane w wodzie), żywność jest dokładnie przeżuwana, a podczas gotowania mielona, przepuszczana przez maszynkę do mięsa itp. Niezmielony produkt spożywczy praktycznie nie jest strawiony!
Tak więc z maksymalną szybkością (ceteris paribus) reakcje jednorodne zachodzą w roztworach i między gazami (jeśli te gazy reagują w n.a.), ponadto w roztworach, w których cząsteczki znajdują się „obok siebie”, a rozdrabnianie jest takie samo jak w gazach (a nawet więcej!), - szybkość reakcji jest większa.
Zadanie egzaminu. Która z poniższych reakcji zachodzi najszybciej w temperaturze pokojowej?
- węgiel z tlenem;
- żelazo z kwasem solnym;
- żelazo roztworem kwasu octowego
- roztwory kwasu alkalicznego i siarkowego.
W takim przypadku musisz znaleźć, który proces jest jednorodny.
Należy zauważyć, że szybkość reakcji chemicznej między gazami lub reakcji heterogenicznej, w której bierze udział gaz, zależy również od ciśnienia, ponieważ wraz ze wzrostem ciśnienia gazy są sprężane, a stężenie cząstek wzrasta (patrz wzór 2). Szybkość reakcji, w których gazy nie biorą udziału, nie zależy od zmiany ciśnienia.
Zadanie egzaminu. Szybkość reakcji chemicznej między roztworem kwasu a żelazem nie ulega zmianie
- stężenie kwasu;
- żelazko do szlifowania;
- temperatura reakcji;
- wzrost ciśnienia.
Wreszcie szybkość reakcji zależy również od reaktywności substancji. Na przykład, jeśli tlen reaguje z substancją, to przy ceteris paribus szybkość reakcji będzie wyższa niż w przypadku interakcji tej samej substancji z azotem. Faktem jest, że reaktywność tlenu jest znacznie wyższa niż reaktywność azotu. Przyczynę tego zjawiska rozważymy w następnej części samouczka (lekcja 14).
Zadanie egzaminu. Reakcja chemiczna między kwasem solnym a
- miedź;
- żelazo;
- magnez;
- cynk.
Należy zauważyć, że nie każde zderzenie cząsteczek prowadzi do ich chemicznego oddziaływania (reakcji chemicznej). W gazowej mieszaninie wodoru i tlenu w normalnych warunkach dochodzi do kilku miliardów zderzeń na sekundę. Ale pierwsze oznaki reakcji (krople wody) pojawią się w kolbie dopiero po kilku latach. W takich przypadkach mówi się o reakcji praktycznie nie idzie. Ale ona możliwy, inaczej jak wytłumaczyć fakt, że gdy ta mieszanina zostanie podgrzana do 300 ° C, kolba szybko zaparuje, a przy temperaturze 700 ° C grzmi straszna eksplozja! Nic dziwnego, że mieszanina wodoru i tlenu nazywana jest „gazem wybuchowym”.
Pytanie. Jak myślisz, dlaczego szybkość reakcji wzrasta tak dramatycznie po podgrzaniu?
Szybkość reakcji wzrasta, ponieważ po pierwsze zwiększa się liczba zderzeń cząstek, a po drugie ich liczba aktywny kolizje. To aktywne zderzenia cząstek prowadzą do ich interakcji. Aby doszło do takiego zderzenia, cząstki muszą mieć pewną ilość energii.
Energia, jaką muszą posiadać cząstki, aby mogła zajść reakcja chemiczna, nazywana jest energią aktywacji.
Energia ta jest zużywana na pokonywanie sił odpychania między zewnętrznymi elektronami atomów i cząsteczek oraz na niszczenie „starych” wiązań chemicznych.
Powstaje pytanie: jak zwiększyć energię reagujących cząstek? Odpowiedź jest prosta - podnieść temperaturę, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury zwiększa się prędkość ruchu cząstek, aw konsekwencji ich energia kinetyczna.
reguła Van't Hoff*:
na każde 10 stopni wzrostu temperatury szybkość reakcji wzrasta 2-4 razy.
VANT HOFF Jacob Hendrik(30.08.1852–03.01.1911) - holenderski chemik. Jeden z twórców chemii fizycznej i stereochemii. Nagroda Nobla w dziedzinie chemii nr 1 (1901).
Należy zaznaczyć, że reguła ta (nie prawo!) została ustalona eksperymentalnie dla reakcji „dogodnych” do pomiaru, czyli takich, które nie przebiegały ani za szybko, ani za wolno i w temperaturach dostępnych dla eksperymentatora (nie za wysoka i nie za niska).
Pytanie. Jak myślisz, jak najszybciej ugotować ziemniaki: ugotować je lub usmażyć na warstwie oleju?
Aby właściwie zrozumieć znaczenie opisywanych zjawisk, możemy porównać reagujące molekuły z grupą uczniów, którzy zamierzają skoczyć wysoko. Jeśli otrzymają barierę o wysokości 1 m, uczniowie będą musieli odpowiednio się rozproszyć (podnieść swoją „temperaturę”), aby pokonać barierę. Niemniej jednak zawsze znajdą się studenci („nieaktywne molekuły”), którzy nie będą w stanie pokonać tej bariery.
Co robić? Jeśli zastosujesz się do zasady: „Mądry człowiek nie pójdzie pod górę, mądry ominie górę”, to powinieneś po prostu obniżyć barierę, powiedzmy, do 40 cm, wtedy każdy uczeń będzie w stanie pokonać barierę. Na poziomie molekularnym oznacza to: Aby zwiększyć szybkość reakcji, konieczne jest zmniejszenie energii aktywacji w tym układzie..
W rzeczywistych procesach chemicznych funkcję tę pełni katalizator.
Katalizator jest substancją, która zmienia szybkość reakcji chemicznej pozostając bez zmian pod koniec reakcji chemicznej.
Katalizator zaangażowany w reakcji chemicznej, wchodząc w interakcję z jedną lub kilkoma substancjami wyjściowymi. W tym przypadku powstają związki pośrednie i zmienia się energia aktywacji. Jeśli związek pośredni jest bardziej aktywny (kompleks aktywny), wówczas energia aktywacji maleje, a szybkość reakcji wzrasta.
Na przykład reakcja pomiędzy SO 2 i O 2 jest bardzo powolna w normalnych warunkach praktycznie nie idzie. Ale w obecności NO szybkość reakcji dramatycznie wzrasta. Pierwszy NIE bardzo szybki reaguje z O2:
wytwarzany dwutlenek azotu szybko reaguje z tlenkiem siarki (IV):
Zadanie 5.1. Użyj tego przykładu, aby pokazać, która substancja jest katalizatorem, a która aktywnym kompleksem.
I odwrotnie, jeśli powstanie więcej związków pasywnych, energia aktywacji może wzrosnąć tak bardzo, że reakcja w danych warunkach praktycznie nie nastąpi. Takie katalizatory to tzw inhibitory.
W praktyce stosuje się oba rodzaje katalizatorów. Tak specjalne katalizatory organiczne - enzymy- uczestniczą w absolutnie wszystkich procesach biochemicznych: trawieniu pokarmu, skurczu mięśni, oddychaniu. Życie jest niemożliwe bez enzymów!
Inhibitory są niezbędne w celu ochrony wyrobów metalowych przed korozją, produktów spożywczych zawierających tłuszcze przed utlenianiem (jełczeniem). Niektóre leki zawierają również inhibitory, które hamują funkcje życiowe mikroorganizmów, a tym samym niszczą je.
Kataliza może być jednorodna lub heterogeniczna. Przykładem katalizy homogenicznej jest wpływ NO (jest katalizatorem) na utlenianie dwutlenku siarki. Przykładem katalizy heterogenicznej jest działanie ogrzanej miedzi na alkohol:
Reakcja ta zachodzi w dwóch etapach:
Zadanie 5.2. Jaka substancja jest w tym przypadku katalizatorem? Dlaczego ten rodzaj katalizy nazywa się heterogeniczną?
W praktyce najczęściej stosuje się katalizę heterogeniczną, gdzie katalizatorami są substancje stałe: metale, ich tlenki itp. Na powierzchni tych substancji znajdują się specjalne punkty (miejsca sieci krystalicznej), w których faktycznie zachodzi reakcja katalityczna występuje. Jeśli te punkty są zamknięte obcą materią, kataliza zatrzymuje się. Ta substancja, szkodliwa dla katalizatora, nazywa się trucizna katalityczna. Inne substancje - promotorzy- wręcz przeciwnie, zwiększają aktywność katalityczną.
Katalizator może zmienić kierunek reakcji chemicznej, to znaczy zmieniając katalizator można otrzymać różne produkty reakcji. Tak więc butadien można otrzymać z alkoholu C2H5OH w obecności tlenków cynku i glinu, a etylen można otrzymać w obecności stężonego kwasu siarkowego.
Tak więc w trakcie reakcji chemicznej zmienia się energia układu. Jeśli podczas reakcji uwalniana jest energia w postaci ciepła Q, taki proces nazywa się egzotermiczny:
Dla endo procesy termiczne ciepło jest pochłaniane, czyli efekt termiczny Q< 0 .
Zadanie 5.3. Określ, który z proponowanych procesów jest egzotermiczny, a który endotermiczny:
Równanie reakcji chemicznej, w którym efekt termiczny, nazywa się równaniem reakcji termochemicznej. Aby sporządzić takie równanie, należy obliczyć efekt cieplny przypadający na 1 mol reagenta.
Zadanie. Podczas spalania 6 g magnezu wydzielało się 153,5 kJ ciepła. Napisz równanie termochemiczne tej reakcji.
Rozwiązanie. Ułóżmy równanie reakcji i wskażmy NAD podanymi wzorami:
Zestawiając proporcję, znajdujemy pożądany efekt termiczny reakcji:
Równanie termochemiczne tej reakcji to:
Takie zadania są podane w zadaniach większość opcje egzaminu! Na przykład.
Zadanie egzaminu. Zgodnie z równaniem reakcji termochemicznej
ilość ciepła wydzielonego podczas spalania 8 g metanu wynosi:
Odwracalność procesów chemicznych. Zasada Le Chateliera
* LE CHATELIER Henri Louis(10.08.1850–09.17.1936) - francuski fizykochemik i metalurg. Sformułował ogólne prawo przesunięcia równowagi (1884).
Reakcje są odwracalne i nieodwracalne.
nieodwracalny nazywamy takimi reakcjami, dla których nie ma warunków, w których możliwy jest proces odwrotny.
Przykładem takich reakcji są reakcje, które zachodzą, gdy mleko jest kwaśne lub gdy przypala się smaczny kotlet. Tak jak nie da się przepuścić mielonego mięsa z powrotem przez maszynkę do mięsa (i znowu dostać kawałek mięsa), tak nie da się „reanimować” kotleta ani zrobić świeżego mleka.
Zadajmy sobie jednak proste pytanie: czy proces jest nieodwracalny:
Aby odpowiedzieć na to pytanie, spróbujmy sobie przypomnieć, czy możliwe jest przeprowadzenie procesu odwrotnego? Tak! Rozkład wapienia (kredy) w celu uzyskania wapna palonego CaO stosuje się na skalę przemysłową:
Zatem reakcja jest odwracalna, ponieważ istnieją warunki, w których Zarówno proces:
Ponadto istnieją warunki, w których szybkość reakcji do przodu jest równa szybkości reakcji odwrotnej.
W tych warunkach ustala się równowaga chemiczna. W tym czasie reakcja nie zatrzymuje się, ale liczba otrzymanych cząstek jest równa liczbie cząstek rozłożonych. Dlatego w stanie równowagi chemicznej stężenia reagujących cząstek nie zmieniają się. Na przykład dla naszego procesu w momencie równowagi chemicznej
oznacza znak stężenie równowagowe.
Powstaje pytanie, co stanie się z równowagą, jeśli temperatura zostanie podniesiona lub obniżona lub zmienią się inne warunki? Na to pytanie można odpowiedzieć wiedząc Zasada Le Chateliera:
jeśli zmienimy warunki (t, p, c), w których układ jest w stanie równowagi, to równowaga przesunie się w kierunku procesu, który opiera się zmianom.
Innymi słowy, system równowagi zawsze przeciwstawia się wszelkim wpływom z zewnątrz, tak jak kapryśne dziecko przeciwstawia się woli rodziców, którzy „wszystko jest na odwrót”.
Rozważ przykład. Niech ustali się równowaga w reakcji otrzymywania amoniaku:
Pytania. Czy liczba moli reagujących gazów przed i po reakcji jest taka sama? Jeżeli reakcja zachodzi w zamkniętej objętości, gdy ciśnienie jest większe: przed czy po reakcji?
Oczywiście proces ten zachodzi wraz ze spadkiem liczby cząsteczek gazu, co oznacza, że ciśnienie maleje podczas reakcji bezpośredniej. W odwracać reakcje - wręcz przeciwnie, ciśnienie w mieszaninie wzrasta.
Zadajmy sobie pytanie, co by się stało, gdyby w tym systemie wznosić ciśnienie? Zgodnie z zasadą Le Chateliera reakcja, która „działa odwrotnie”, tj. obniża ciśnienie. Jest to bezpośrednia reakcja: mniej cząsteczek gazu - mniejsze ciśnienie.
Więc, Na awans ciśnienie, równowaga przesuwa się w kierunku procesu bezpośredniego, gdzie ciśnienie spada gdy liczba cząsteczek maleje gazy.
Zadanie egzaminu. Na awans ciśnienie zmienia równowagę Prawidłowy w systemie:
Jeśli w wyniku reakcji liczba cząsteczek gazy się nie zmieniają, to zmiana ciśnienia nie wpływa na położenie równowagi.
Zadanie egzaminu. Zmiana ciśnienia wpływa na przesunięcie równowagi w układzie:
Pozycja równowagi tej i każdej innej reakcji zależy od stężenia reagujących substancji: zwiększając stężenie substancji wyjściowych i zmniejszając stężenie substancji powstałych, zawsze przesuwamy równowagę w kierunku reakcji bezpośredniej (w prawo).
Zadanie egzaminu.
przesunie się w lewo, gdy:
- wzrost ciśnienia;
- obniżenie temperatury;
- wzrost stężenia CO;
- spadek stężenia CO.
Proces syntezy amoniaku jest egzotermiczny, to znaczy towarzyszy mu wydzielanie ciepła, tj. wzrost temperatury w mieszance.
Pytanie. Jak przesunie się równowaga w tym systemie, kiedy obniżenie temperatury?
Argumentując podobnie, robimy to wniosek: podczas opuszczania temperatura, równowaga przesunie się w kierunku tworzenia amoniaku, ponieważ w tej reakcji uwalniane jest ciepło, a także temperatura wznosi się
Pytanie. Jak zmieni się szybkość reakcji chemicznej wraz ze spadkiem temperatury?
Oczywiste jest, że wraz ze spadkiem temperatury szybkość obu reakcji gwałtownie spada, tj. trzeba będzie bardzo długo czekać na ustalenie pożądanej równowagi. Co robić? W tym przypadku jest to konieczne katalizator. Chociaż on nie wpływa na położenie równowagi, ale przyspiesza początek tego stanu.
Zadanie egzaminu. Równowaga chemiczna w układzie
przesuwa się w kierunku tworzenia produktu reakcji przy:
- wzrost ciśnienia;
- wzrost temperatury;
- Spadek ciśnienia;
- zastosowanie katalizatora.
wnioski
Szybkość reakcji chemicznej zależy od:
- charakter reagujących cząstek;
- stężenie lub obszar międzyfazowy reagentów;
- temperatura;
- obecność katalizatora.
Równowaga jest ustalona, gdy szybkość reakcji do przodu jest równa szybkości procesu odwrotnego. W tym przypadku równowagowe stężenie reagentów nie zmienia się. Stan równowagi chemicznej zależy od warunków i jest zgodny z zasadą Le Chateliera.
Metody chemiczne
Metody fizyczne
Metody pomiaru szybkości reakcji
W powyższym przykładzie szybkość reakcji między węglanem wapnia a kwasem mierzono, badając objętość wydzielającego się gazu w funkcji czasu. Dane eksperymentalne dotyczące szybkości reakcji można uzyskać mierząc inne wielkości.
Jeżeli w trakcie reakcji zmienia się całkowita ilość substancji gazowych, to jej przebieg można obserwować mierząc ciśnienie gazu przy stałej objętości. W przypadkach, gdy jeden z materiałów wyjściowych lub jeden z produktów reakcji jest zabarwiony, postęp reakcji można monitorować obserwując zmianę koloru roztworu. Inną metodą optyczną jest pomiar rotacji płaszczyzny polaryzacji światła (jeśli substancje wyjściowe i produkty reakcji mają różne zdolności rotacyjne).
Niektórym reakcjom towarzyszy zmiana liczby jonów w roztworze. W takich przypadkach szybkość reakcji można zbadać, mierząc przewodność elektryczną roztworu. W następnym rozdziale zostaną omówione inne metody elektrochemiczne, które można wykorzystać do pomiaru szybkości reakcji.
Postęp reakcji można monitorować, mierząc stężenie jednego z uczestników reakcji w czasie, stosując różne metody analizy chemicznej. Reakcję prowadzi się w termostatowanym naczyniu. W określonych odstępach czasu z naczynia pobierana jest próbka roztworu (lub gazu) i oznaczane jest stężenie jednego ze składników. Aby uzyskać wiarygodne wyniki, ważne jest, aby w próbce pobranej do analizy nie wystąpiła żadna reakcja. Osiąga się to poprzez chemiczne wiązanie jednego z odczynników, szybkie schłodzenie lub rozcieńczenie roztworu.
Badania eksperymentalne pokazują, że szybkość reakcji zależy od kilku czynników. Rozważmy najpierw wpływ tych czynników na poziomie jakościowym.
1.Natura reagentów. Z praktyki laboratoryjnej wiemy, że neutralizacja kwasu zasadą
H + + OH-® H2O
oddziaływanie soli z tworzeniem trudno rozpuszczalnego związku
Ag + + Cl – ® AgCl
a inne reakcje w roztworach elektrolitów zachodzą bardzo szybko. Czas potrzebny do zajścia takich reakcji mierzony jest w milisekundach, a nawet mikrosekundach. Jest to całkiem zrozumiałe, ponieważ istotą takich reakcji jest zbliżanie się i łączenie cząstek naładowanych z ładunkami o przeciwnym znaku.
W przeciwieństwie do reakcji jonowych, oddziaływanie między kowalencyjnie związanymi cząsteczkami zwykle przebiega znacznie wolniej. Rzeczywiście, w trakcie reakcji między takimi cząstkami wiązania w cząsteczkach substancji wyjściowych muszą pękać. Aby to zrobić, zderzające się cząsteczki muszą mieć określoną ilość energii. Ponadto, jeśli cząsteczki są wystarczająco złożone, aby zaszła między nimi reakcja, muszą być zorientowane w przestrzeni w określony sposób.
2. Stężenie reagenta. Szybkość reakcji chemicznej, ceteris paribus, zależy od liczby zderzeń reagujących cząstek w jednostce czasu. Prawdopodobieństwo zderzeń zależy od liczby cząstek na jednostkę objętości, tj. od koncentracji. Dlatego szybkość reakcji wzrasta wraz ze wzrostem stężenia.
3. Stan fizyczny substancji. W układach jednorodnych szybkość reakcji zależy od liczby zderzeń cząstek objętość roztworu(lub gaz). W układach heterogenicznych zachodzi interakcja chemiczna na interfejsie. Zwiększenie pola powierzchni ciała stałego podczas jego mielenia ułatwia dostęp reagujących cząstek do cząstek ciała stałego, co prowadzi do znacznego przyspieszenia reakcji.
4. Temperatura ma znaczący wpływ na tempo różnych procesów chemicznych i biologicznych. Wraz ze wzrostem temperatury energia kinetyczna cząstek wzrasta, aw konsekwencji zwiększa się frakcja cząstek, których energia jest wystarczająca do interakcji chemicznej.
5. Współczynnik steryczny charakteryzuje potrzebę wzajemnej orientacji reagujących cząstek. Im bardziej złożone cząsteczki, tym mniejsze prawdopodobieństwo ich właściwej orientacji, tym mniejsza efektywność zderzeń.
6. Dostępność katalizatorów.Katalizatory to substancje zmieniające szybkość reakcji chemicznej. Wprowadzony do układu reakcyjnego w duże ilości i pozostając niezmienionym po reakcji, są w stanie bardzo zmienić szybkość procesu.
Główne czynniki, od których zależy szybkość reakcji, zostaną omówione bardziej szczegółowo poniżej.
Zdefiniujmy podstawowe pojęcie kinetyki chemicznej - szybkość reakcji chemicznej:
Szybkość reakcji chemicznej to liczba elementarnych aktów reakcji chemicznej zachodzących w jednostce czasu na jednostkę objętości (w przypadku reakcji jednorodnych) lub na jednostkę powierzchni (w przypadku reakcji heterogenicznych).
Szybkość reakcji chemicznej to zmiana stężenia reagentów w jednostce czasu.
Pierwsza definicja jest najbardziej rygorystyczna; wynika z niego, że szybkość reakcji chemicznej można również wyrazić jako zmianę w czasie dowolnego parametru stanu układu, w zależności od liczby cząstek dowolnej reagującej substancji, odniesionej do jednostki objętości lub powierzchni - przewodnictwo elektryczne, gęstość optyczna, stała dielektryczna itp. i tak dalej. Jednak najczęściej w chemii bierze się pod uwagę zależność stężenia odczynników od czasu. W przypadku jednostronnych (nieodwracalnych) reakcji chemicznych (dalej rozważane są tylko reakcje jednostronne) oczywiste jest, że stężenia substancji wyjściowych stale maleją w czasie (ΔС ref< 0), а концентрации продуктов реакции увеличиваются (ΔС прод >0). Zakłada się, że szybkość reakcji jest dodatnia, więc definicja matematyczna jest taka średnia szybkość reakcji w przedziale czasu Δt zapisujemy następująco:
(II.1)
W różnych przedziałach czasu średnia szybkość reakcji chemicznej ma różne wartości; rzeczywista (natychmiastowa) szybkość reakcji definiuje się jako pochodną stężenia po czasie:
(II.2)
Graficznym przedstawieniem zależności stężenia odczynników od czasu jest krzywa kinetyczna (Rysunek 2.1).
Ryż. 2.1 Krzywe kinetyczne dla materiałów wyjściowych (A) i produktów reakcji (B).
Rzeczywistą szybkość reakcji można określić graficznie, rysując styczną do krzywej kinetycznej (ryc. 2.2); rzeczywista szybkość reakcji w danym czasie jest równa wartości bezwzględnej tangensowi nachylenia stycznej:
Ryż. 2.2 Definicja grafiki V ist.
(II.3)
Należy zauważyć, że w przypadku, gdy współczynniki stechiometryczne w równaniu reakcji chemicznej nie są takie same, szybkość reakcji będzie zależała od zmiany stężenia, którego odczynnik został określony. Oczywiście w reakcji
2H2 + O2 → 2H2O
stężenia wodoru, tlenu i wody różnią się w różnym stopniu:
ΔC (H2) \u003d ΔC (H2O) \u003d 2 ΔC (O2).
Szybkość reakcji chemicznej zależy od wielu czynników: charakteru reagentów, ich stężenia, temperatury, charakteru rozpuszczalnika itp.
Jednym z zadań stojących przed kinetyką chemiczną jest określenie składu mieszaniny reakcyjnej (tj. stężeń wszystkich reagentów) w dowolnym momencie, dla czego konieczna jest znajomość zależności szybkości reakcji od stężeń. Ogólnie rzecz biorąc, im większe stężenie reagentów, tym większa szybkość reakcji chemicznej. Podstawą kinetyki chemicznej jest tzw. podstawowy postulat kinetyki chemicznej:
Szybkość reakcji chemicznej jest wprost proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów, wziętych do pewnego stopnia.
czyli za reakcję
AA + bB + dD + ... → eE + ...
Można napisać
(II.4)
Współczynnik proporcjonalności k wynosi stała szybkości reakcji chemicznej. Stała szybkości jest liczbowo równa szybkości reakcji przy stężeniach wszystkich reagentów równych 1 mol/L.
Zależność szybkości reakcji od stężeń reagentów określa się eksperymentalnie i nazywa się równanie kinetyczne Reakcja chemiczna. Oczywiście, aby napisać równanie kinetyczne, konieczne jest eksperymentalne wyznaczenie stałej szybkości i wykładników przy stężeniach reagentów. Wykładnik przy stężeniu każdego z reagentów w równaniu kinetycznym reakcji chemicznej (w równaniu (II.4) odpowiednio x, y i z) wynosi reakcja na zamówienie prywatne dla tego komponentu. Suma wykładników w równaniu kinetycznym reakcji chemicznej (x + y + z) wynosi ogólna kolejność reakcji . Należy podkreślić, że kolejność reakcji jest określona jedynie na podstawie danych eksperymentalnych i nie jest związana ze współczynnikami stechiometrycznymi reagentów w równaniu reakcji. Stechiometryczne równanie reakcji jest równaniem bilansu materiałowego iw żaden sposób nie może określić charakteru przebiegu tej reakcji w czasie.
W kinetyce chemicznej zwyczajowo klasyfikuje się reakcje według ogólnej kolejności reakcji. Rozważmy zależność stężenia reagentów od czasu dla nieodwracalnych (jednokierunkowych) reakcji zerowego, pierwszego i drugiego rzędu.
Szybkość reakcji chemicznej
Szybkość reakcji chemicznej- zmiana ilości jednej z reagujących substancji na jednostkę czasu w jednostce przestrzeni reakcji. Jest to kluczowe pojęcie kinetyki chemicznej. Szybkość reakcji chemicznej jest zawsze dodatnia, dlatego jeśli jest określona przez substancję początkową (której stężenie zmniejsza się podczas reakcji), to wynikową wartość mnoży się przez −1.
Na przykład dla reakcji:
wyrażenie określające prędkość będzie wyglądać następująco:
. Szybkość reakcji chemicznej w każdym momencie jest proporcjonalna do stężeń reagentów, podniesionych do potęg równych ich współczynnikom stechiometrycznym.W przypadku reakcji elementarnych wykładnik wartości stężenia każdej substancji jest często równy jej współczynnikowi stechiometrycznemu, w przypadku reakcji złożonych zasada ta nie jest przestrzegana. Oprócz stężenia na szybkość reakcji chemicznej wpływają następujące czynniki:
- charakter reagentów,
- obecność katalizatora
- temperatura (reguła van't Hoffa),
- ciśnienie,
- powierzchnia reagentów.
Jeśli weźmiemy pod uwagę najprostszą reakcję chemiczną A + B → C, to zauważymy to natychmiastowy szybkość reakcji chemicznej nie jest stała.
Literatura
- Kubasov A. A. Kinetyka chemiczna i kataliza.
- Prigogine I., Defey R. Termodynamika chemiczna. Nowosybirsk: Nauka, 1966. 510 s.
- Yablonsky GS, Bykov VI, Gorban AN, Kinetyczne modele reakcji katalitycznych, Nowosybirsk: Nauka (Siberian Branch), 1983.- 255 s.
Fundacja Wikimedia. 2010 .
Zobacz, jaka jest „Szybkość reakcji chemicznej” w innych słownikach:
Podstawowe pojęcia kinetyki chemicznej. W przypadku prostych reakcji jednorodnych szybkość reakcji chemicznej mierzy się zmianą liczby moli reagującej substancji (przy stałej objętości układu) lub zmianą stężenia którejkolwiek z substancji wyjściowych ... Wielki słownik encyklopedyczny
SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ- podstawowe pojęcie chemii. kinetyka, wyrażająca stosunek ilości przereagowanej substancji (w molach) do czasu trwania interakcji. Ponieważ stężenia reagentów zmieniają się podczas interakcji, szybkość jest zwykle ... Wielka encyklopedia politechniczna
szybkość reakcji chemicznej- wartość charakteryzująca intensywność reakcji chemicznej. Szybkość tworzenia produktu reakcji to ilość tego produktu w wyniku reakcji na jednostkę czasu na jednostkę objętości (jeśli reakcja jest jednorodna) lub na ... ...
Podstawowe pojęcia kinetyki chemicznej. W przypadku prostych reakcji jednorodnych szybkość reakcji chemicznej mierzy się zmianą liczby moli reagującej substancji (przy stałej objętości układu) lub zmianą stężenia którejkolwiek z substancji wyjściowych ... słownik encyklopedyczny
Wartość charakteryzująca intensywność reakcji chemicznej (patrz Reakcje chemiczne). Szybkość tworzenia produktu reakcji to ilość tego produktu wynikająca z reakcji w jednostce czasu w jednostce objętości (jeśli ... ...
Główny koncepcja chemii. kinetyka. Dla prostych reakcji jednorodnych S. x. R. mierzona zmianą liczby moli przereagowanego in va (przy stałej objętości układu) lub zmianą stężenia któregokolwiek z początkowych in lub produktów reakcji (jeśli objętość układu ...
Dla złożonych reakcji składających się z kilku. etapy (proste lub elementarne reakcje), mechanizm jest zbiorem etapów, w wyniku których początkowe w va są przekształcane w produkty. Pośrednik w tobie w tych reakcjach może działać jako cząsteczki, ... ... Naturalna nauka. słownik encyklopedyczny
- (angielska reakcja podstawienia nukleofilowego) reakcja podstawienia, w której atak przeprowadzany jest przez odczynnik nukleofilowy niosący nieudostępnioną parę elektronów. Grupa opuszczająca w reakcjach podstawienia nukleofilowego nazywana jest nukleofugiem. Wszystko ... Wikipedia
Przekształcenie jednej substancji w inną, różniącą się od oryginału składem chemicznym lub strukturą. Całkowita liczba atomów każdego danego pierwiastka, a także same pierwiastki chemiczne, z których składają się substancje, pozostają w R. x. bez zmian; ten Rx... Wielka radziecka encyklopedia
szybkość rysowania- prędkość liniowa ruchu metalu na wyjściu z matrycy, m/s. Na nowoczesnych ciągarkach prędkość ciągnienia sięga 50-80 m/s. Jednak nawet podczas ciągnienia drutu prędkość z reguły nie przekracza 30–40 m/s. Na… … Słownik encyklopedyczny metalurgii