อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ
ปฏิกิริยาเคมีที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน
ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นที่ความเร็วต่างๆ: ที่ความเร็วต่ำระหว่างการก่อตัวของหินงอกหินย้อย, ที่ความเร็วเฉลี่ยเมื่อปรุงอาหาร, ทันทีระหว่างการระเบิด ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในสารละลายที่เป็นน้ำเกือบจะในทันที เราผสมสารละลายของแบเรียมคลอไรด์และโซเดียมซัลเฟต - แบเรียมซัลเฟตจะเกิดเป็นตะกอนทันที ซัลเฟอร์เผาไหม้อย่างรวดเร็ว แต่ไม่ทันที แมกนีเซียมละลายในกรดไฮโดรคลอริก เอทิลีนจะเปลี่ยนสีน้ำโบรมีน สนิมจะค่อยๆ ก่อตัวบนวัตถุที่เป็นเหล็ก คราบจุลินทรีย์บนผลิตภัณฑ์ทองแดงและทองแดง ใบไม้จะเน่าเปื่อยอย่างช้าๆ และฟันจะถูกทำลาย
การทำนายอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ตลอดจนการชี้แจงการขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของกระบวนการเป็นหน้าที่ จลนพลศาสตร์เคมี— วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับรูปแบบของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป
ถ้า ปฏิกริยาเคมีเกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกัน เช่น ในสารละลายหรือในเฟสก๊าซ จากนั้นปฏิกิริยาของสารที่ทำปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นตลอดปริมาตรทั้งหมด ปฏิกิริยาดังกล่าวดังที่คุณทราบเรียกว่า เป็นเนื้อเดียวกัน.
อัตราของปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน ($v_(homogenous)$) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงในปริมาณของสารต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยปริมาตร:
$υ_(homog.)=(∆n)/(∆t·V),$
โดยที่ $∆n$ คือการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลของสารหนึ่งชนิด (ส่วนใหญ่มักจะเป็นสารตั้งต้น แต่ก็สามารถเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาได้เช่นกัน) $∆t$ — ช่วงเวลา (s, min.); $V$ คือปริมาตรของก๊าซหรือสารละลาย (l)
เนื่องจากอัตราส่วนของปริมาณของสารต่อปริมาตรแสดงถึงความเข้มข้นของฟันกราม $C$ ดังนั้น
$(∆n)/(V)=∆C.$
ดังนั้น, อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันหมายถึงการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารชนิดใดชนิดหนึ่งต่อหน่วยเวลา:
$υ_(homog.)=(∆C)/(∆t)[(mol)/(l s)]$
หากระดับเสียงของระบบไม่เปลี่ยนแปลง หากปฏิกิริยาเกิดขึ้นระหว่างสารที่มีสถานะการรวมกลุ่มต่างกัน (เช่น ระหว่างของแข็งกับก๊าซหรือของเหลว) หรือระหว่างสารที่ไม่สามารถก่อตัวเป็นตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันได้ (เช่น ระหว่างของเหลวที่ผสมไม่ได้) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเฉพาะกับ พื้นผิวสัมผัสของสาร ปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่า ต่างกัน.
อัตราการเกิดปฏิกิริยาต่างกันหมายถึงการเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารต่อหน่วยเวลาบนพื้นผิวหน่วย:
$υ_(homog.)=(∆C)/(∆t S)[(mol)/(s ม^2)]$
โดยที่ $S$ คือพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างสาร ($m^2, cm^2$)
ในระหว่างปฏิกิริยาใดๆ ที่กำลังดำเนินอยู่ หากความเข้มข้นของสารตั้งต้นถูกวัดด้วยการทดลองที่จุดต่างๆ ในเวลา การเปลี่ยนแปลงของสารนี้สามารถแสดงเป็นกราฟได้โดยใช้เส้นโค้งจลน์สำหรับรีเอเจนต์นี้
อัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่คงที่ เราระบุความเร็วเฉลี่ยของปฏิกิริยาที่กำหนดในช่วงเวลาหนึ่งเท่านั้น
ลองนึกภาพว่าเรากำลังกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยา
$H_2+Cl_2→2HCl$
ก) โดยการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ $Н_2$;
b) โดยการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ $HCl$
เราจะได้รับค่าเดียวกันหรือไม่? ท้ายที่สุดแล้ว จาก $1$ mol $H_2$ $2$ mol $HCl$ ถูกสร้างขึ้น ดังนั้นความเร็วในกรณี b) จะมีขนาดใหญ่เป็นสองเท่า ดังนั้นค่าของอัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงขึ้นอยู่กับสารที่ใช้หาค่าด้วย
การเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารที่กำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นปัจจัยภายนอกที่ผู้วิจัยสังเกตได้ ในความเป็นจริงแล้ว กระบวนการทั้งหมดดำเนินการในระดับจุลภาค แน่นอนว่าเพื่อให้อนุภาคบางตัวทำปฏิกิริยา พวกมันจะต้องชนกันก่อนและชนกันอย่างมีประสิทธิภาพ: ไม่กระจายเหมือนลูกบอลในทิศทางที่ต่างกัน แต่ในลักษณะที่พันธะเก่าในอนุภาคถูกทำลายหรืออ่อนลง และพันธะใหม่สามารถก่อตัวได้ และ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ อนุภาคจะต้องมีพลังงานเพียงพอ
ข้อมูลที่คำนวณได้แสดงให้เห็นว่า ตัวอย่างเช่น ในก๊าซ การชนกันของโมเลกุลที่ความดันบรรยากาศมีค่าเป็นพันล้านต่อ 1$ วินาที กล่าวคือ ปฏิกิริยาทั้งหมดจะต้องเกิดขึ้นทันที แต่นั่นไม่เป็นความจริง ปรากฎว่ามีโมเลกุลเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่มีพลังงานที่จำเป็นในการทำให้เกิดการชนกันอย่างมีประสิทธิภาพ
พลังงานส่วนเกินขั้นต่ำที่อนุภาค (หรือคู่ของอนุภาค) ต้องมีเพื่อให้เกิดการชนกันอย่างมีประสิทธิภาพเรียกว่า พลังงานกระตุ้น$E_a$.
ดังนั้น บนเส้นทางของอนุภาคทั้งหมดที่เข้าสู่ปฏิกิริยา จึงมีสิ่งกีดขวางพลังงานเท่ากับพลังงานกระตุ้น $E_a$ เมื่อมันมีขนาดเล็ก มีอนุภาคมากมายที่สามารถเอาชนะมันได้ และอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็สูง มิฉะนั้นจำเป็นต้องมีการผลักดัน เมื่อคุณนำไม้ขีดมาจุดตะเกียงแอลกอฮอล์ คุณจะให้พลังงานเพิ่มเติม $E_a$ ที่จำเป็นสำหรับการชนกันอย่างมีประสิทธิภาพของโมเลกุลแอลกอฮอล์กับโมเลกุลออกซิเจน (เอาชนะสิ่งกีดขวาง)
โดยสรุป ให้เราสรุป: ปฏิกิริยาที่เป็นไปได้หลายอย่างไม่เกิดขึ้นจริงเพราะว่า พลังงานกระตุ้นอยู่ในระดับสูง
นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับชีวิตของเรา ลองนึกภาพว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากปฏิกิริยาที่ยอมให้ทางอุณหพลศาสตร์ทั้งหมดสามารถดำเนินต่อไปได้โดยไม่มีอุปสรรคด้านพลังงาน (พลังงานกระตุ้น) ออกซิเจนในอากาศจะทำปฏิกิริยากับทุกสิ่งที่สามารถเผาไหม้หรือออกซิไดซ์ได้ สารอินทรีย์ทั้งหมดจะต้องทนทุกข์ทรมาน พวกมันจะกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ $CO_2$ และน้ำ $H_2O$
ความเร็วของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย สิ่งสำคัญคือ: ธรรมชาติและความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา ความดัน (ในปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ) อุณหภูมิ การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยา และพื้นผิวของสารที่ทำปฏิกิริยาในกรณีของปฏิกิริยาที่ต่างกัน ลองพิจารณาอิทธิพลของแต่ละปัจจัยเหล่านี้ที่มีต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
อุณหภูมิ
คุณทราบดีว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในกรณีส่วนใหญ่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในศตวรรษที่ 19 นักเคมีชาวดัตช์ J.H. van't Hoff ได้กำหนดกฎไว้ดังนี้:
การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิทุกๆ 10°C$ จะทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น 2-4 เท่า (ค่านี้เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของปฏิกิริยา)
เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุล พลังงาน และจำนวนการชนจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่สัดส่วนของโมเลกุลที่แอคทีฟมีส่วนร่วมในการชนอย่างมีประสิทธิผล ซึ่งเอาชนะอุปสรรคพลังงานของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
ในทางคณิตศาสตร์ การพึ่งพานี้แสดงโดยความสัมพันธ์:
$υ_(t_2)=υ_(t_1)γ^((t_2-t_1)/(10)),$
โดยที่ $υ_(t_1)$ และ $υ_(t_2)$ คืออัตราการเกิดปฏิกิริยา ณ อุณหภูมิ $t_2$ สุดท้ายและอุณหภูมิเริ่มต้น $t_1$ ตามลำดับ และ $γ$ คือสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของอัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งแสดงจำนวน คูณอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10°С$
อย่างไรก็ตาม ในการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา การเพิ่มอุณหภูมิอาจไม่สามารถใช้ได้เสมอไป เนื่องจาก สารตั้งต้นอาจเริ่มสลายตัว ตัวทำละลายหรือตัวสารเองอาจระเหยได้
ความเข้มข้นของสารตั้งต้น
การเปลี่ยนแปลงความดันเมื่อสารก๊าซมีส่วนร่วมในปฏิกิริยายังนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารเหล่านี้
เพื่อให้ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างอนุภาคเกิดขึ้น พวกมันจะต้องชนกันอย่างมีประสิทธิภาพ ยิ่งความเข้มข้นของสารตั้งต้นสูง การชนกันก็จะยิ่งมากขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย ตัวอย่างเช่น อะเซทิลีนจะเผาไหม้อย่างรวดเร็วในออกซิเจนบริสุทธิ์ ในกรณีนี้จะมีอุณหภูมิเพียงพอที่จะทำให้โลหะหลอมละลายได้ จากวัสดุทดลองจำนวนมากในปี พ.ศ. 2410 ชาวนอร์เวย์ K. Guldenberg และ P. Waage และเป็นอิสระจากพวกเขาในปี พ.ศ. 2408 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย N.I. Beketov ได้กำหนดกฎพื้นฐานของจลนศาสตร์เคมีโดยสร้างการพึ่งพาของอัตราการเกิดปฏิกิริยากับความเข้มข้น ของสารที่ทำปฏิกิริยา
อัตราของปฏิกิริยาเคมีเป็นสัดส่วนกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา ซึ่งมีกำลังเท่ากับค่าสัมประสิทธิ์ของสารในสมการปฏิกิริยา
กฎนี้เรียกอีกอย่างว่ากฎแห่งการกระทำมวลชน
สำหรับปฏิกิริยา $A+B=D$ กฎนี้แสดงไว้ดังนี้:
$υ_1=k_1·C_A·C_B$
สำหรับปฏิกิริยา $2A+B=D$ กฎนี้แสดงไว้ดังนี้:
$υ_2=k_2·C_A^2·C_B$
โดยที่ $С_А, С_В$ คือความเข้มข้นของสาร $А$ และ $В$ (mol/l) $k_1$ และ $k_2$ เป็นสัมประสิทธิ์สัดส่วนที่เรียกว่าค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา
ความหมายทางกายภาพของค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยานั้นสร้างได้ไม่ยาก โดยจะเท่ากับตัวเลขกับอัตราการเกิดปฏิกิริยา โดยที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นเท่ากับ $1$ โมล/ลิตร หรือผลคูณของสารตั้งต้นเท่ากับความสามัคคี ในกรณีนี้ เป็นที่ชัดเจนว่าค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น และไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสาร
กฎแห่งการกระทำของมวลไม่ได้คำนึงถึงความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยาในสถานะของแข็งเพราะว่า พวกมันทำปฏิกิริยากับพื้นผิวและความเข้มข้นของมันมักจะคงที่
ตัวอย่างเช่นสำหรับปฏิกิริยาการเผาไหม้ถ่านหิน
การแสดงออกของอัตราการเกิดปฏิกิริยาควรเขียนดังนี้:
$υ=k·C_(O_2)$,
กล่าวคือ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของออกซิเจนเท่านั้น
หากสมการปฏิกิริยาอธิบายเฉพาะปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่เกิดขึ้นในหลายขั้นตอน อัตราของปฏิกิริยาดังกล่าวอาจขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นในวิธีที่ซับซ้อน การพึ่งพาอาศัยกันนี้ถูกกำหนดโดยการทดลองหรือทางทฤษฎีตามกลไกการเกิดปฏิกิริยาที่เสนอ
การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยา
เป็นไปได้ที่จะเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยใช้สารพิเศษที่เปลี่ยนกลไกการเกิดปฏิกิริยาและกำหนดทิศทางไปตามเส้นทางที่มีพลังมากขึ้นด้วยพลังงานกระตุ้นที่ต่ำกว่า พวกเขาถูกเรียกว่า ตัวเร่งปฏิกิริยา(ตั้งแต่ lat. คาตาไลซิส- การทำลาย).
ตัวเร่งปฏิกิริยาทำหน้าที่เป็นไกด์ที่มีประสบการณ์นำทางกลุ่มนักท่องเที่ยวที่ไม่ผ่านทางสูงบนภูเขา (การเอาชนะมันต้องใช้ความพยายามและเวลามากมายและไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับทุกคน) แต่ไปตามเส้นทางบายพาสที่เขารู้จัก เราสามารถเอาชนะภูเขาได้ง่ายและเร็วขึ้นมาก จริงอยู่ การใช้เส้นทางวงเวียนจะทำให้คุณไม่สามารถไปถึงจุดที่ทางเข้าหลักได้แน่ชัด แต่บางครั้งก็เป็นสิ่งที่จำเป็นจริงๆ! นี่คือสิ่งที่เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา เลือกสรร. เห็นได้ชัดว่าไม่จำเป็นต้องเผาแอมโมเนียและไนโตรเจน แต่ใช้ไนตริกออกไซด์ (II) ในการผลิตกรดไนตริก
ตัวเร่งปฏิกิริยาคือสารที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีและเปลี่ยนความเร็วหรือทิศทาง แต่ในตอนท้ายของปฏิกิริยายังคงไม่เปลี่ยนแปลงทั้งในเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพ
เรียกว่าการเปลี่ยนอัตราของปฏิกิริยาเคมีหรือทิศทางโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา การเร่งปฏิกิริยา. ตัวเร่งปฏิกิริยามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและการขนส่งต่างๆ (ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เปลี่ยนไนโตรเจนออกไซด์จากก๊าซไอเสียรถยนต์ให้เป็นไนโตรเจนที่ไม่เป็นอันตราย)
ตัวเร่งปฏิกิริยามีสองประเภท
การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยที่ทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นอยู่ในสถานะการรวมกลุ่ม (เฟส) เดียวกัน
การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกันซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นอยู่ในระยะที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น การสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์แมงกานีส (IV) ที่เป็นของแข็ง:
$2H_2O_2(→)↖(MnO_2(I))2H_2O_((l))+O_2(g)$
ตัวเร่งปฏิกิริยานั้นไม่ได้ถูกใช้ไปอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยา แต่ถ้าสารอื่นถูกดูดซับบนพื้นผิวของมัน (เรียกว่า สารพิษเร่งปฏิกิริยา) จากนั้นพื้นผิวจะใช้งานไม่ได้และจำเป็นต้องมีการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่ ดังนั้นก่อนที่จะทำปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา วัสดุตั้งต้นจะถูกทำให้บริสุทธิ์อย่างทั่วถึง
ตัวอย่างเช่นในการผลิตกรดซัลฟิวริกโดยวิธีการสัมผัสจะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง - วานาเดียม (V) ออกไซด์ $V_2O_5$:
$2SO_2+O_2⇄2SO_3$
ในการผลิตเมทานอล จะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาสังกะสี-โครเมียมที่เป็นของแข็ง ($8ZnO·Cr_2O_3×CrO_3$):
$CO_((g))+2H_(2(g))⇄CH_3OH_((g))$
ตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก - เอนไซม์. โดยธรรมชาติทางเคมีพวกมันคือโปรตีน ปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อนเกิดขึ้นที่ความเร็วสูงในสิ่งมีชีวิตที่อุณหภูมิต่ำ เอนไซม์มีความเฉพาะเจาะจงเป็นพิเศษ โดยแต่ละเอนไซม์จะเร่งปฏิกิริยาของตัวเองเท่านั้น ซึ่งเกิดขึ้นในเวลาที่เหมาะสมและในตำแหน่งที่เหมาะสมโดยให้ผลตอบแทนเกือบ 100%$ การสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาเทียมที่คล้ายกับเอนไซม์ถือเป็นความฝันของนักเคมี!
แน่นอนคุณเคยได้ยินเกี่ยวกับสารที่น่าสนใจอื่น ๆ - สารยับยั้ง(ตั้งแต่ lat. ยับยั้ง- กักขัง) พวกมันทำปฏิกิริยากับอนุภาคออกฤทธิ์ที่ความเร็วสูงเพื่อสร้างสารประกอบออกฤทธิ์ต่ำ เป็นผลให้ปฏิกิริยาช้าลงอย่างรวดเร็วแล้วหยุดลง สารยับยั้งมักจะถูกเติมเข้าไปในสารต่างๆ โดยเฉพาะเพื่อป้องกันกระบวนการที่ไม่พึงประสงค์
ตัวอย่างเช่น สารยับยั้งถูกใช้เพื่อทำให้สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เสถียร โมโนเมอร์เพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันก่อนวัยอันควร และกรดไฮโดรคลอริกเพื่อให้สามารถขนส่งในภาชนะเหล็กได้ สารยับยั้งยังพบในสิ่งมีชีวิตด้วย โดยยับยั้งปฏิกิริยาออกซิเดชันที่เป็นอันตรายต่างๆ ในเซลล์เนื้อเยื่อ ซึ่งสามารถเริ่มต้นได้ เช่น โดยรังสีกัมมันตภาพรังสี
ลักษณะของสารที่ทำปฏิกิริยา (องค์ประกอบ โครงสร้าง)
ค่าพลังงานกระตุ้นคือปัจจัยที่ธรรมชาติของสารตั้งต้นมีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา
หากพลังงานกระตุ้นมีน้อย ($< 40$ кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к их взаимодействию, и скорость такой реакции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих реакциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в этих случаях ничтожно мала.
หากพลังงานกระตุ้นสูง ($> $120 กิโลจูล/โมล) นั่นหมายความว่าการชนกันระหว่างอนุภาคที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวจึงต่ำมาก ตัวอย่างเช่น ความคืบหน้าของปฏิกิริยาการสังเคราะห์แอมโมเนียที่อุณหภูมิปกติแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสังเกตเห็น
หากพลังงานกระตุ้นมีค่าปานกลาง ($40-120 $ kJ/mol) อัตราของปฏิกิริยาดังกล่าวจะเป็นค่าเฉลี่ย ปฏิกิริยาดังกล่าวรวมถึงปฏิกิริยาของโซเดียมกับน้ำหรือเอทิลแอลกอฮอล์ การลดสีของน้ำโบรมีนกับเอทิลีน ปฏิกิริยาของสังกะสีกับกรดไฮโดรคลอริก เป็นต้น
พื้นผิวสัมผัสของสารที่ทำปฏิกิริยา
อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของสาร ได้แก่ ต่างกัน ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของพื้นผิวนี้ มีสิ่งอื่น ๆ ที่เท่าเทียมกัน เป็นที่ทราบกันดีว่าชอล์กแบบผงละลายได้เร็วกว่ามากในกรดไฮโดรคลอริกมากกว่าชอล์กชิ้นที่มีน้ำหนักเท่ากัน
ประการแรกอธิบายการเพิ่มขึ้นของอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยการเพิ่มขึ้นของพื้นผิวสัมผัสของสารตั้งต้น รวมถึงสาเหตุอื่น ๆ หลายประการ เช่น การทำลายโครงสร้างของโครงตาข่ายคริสตัลปกติ สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าอนุภาคบนพื้นผิวของไมโครคริสตัลที่เกิดขึ้นนั้นมีปฏิกิริยามากกว่าอนุภาคเดียวกันบนพื้นผิวเรียบ
ในอุตสาหกรรม เพื่อดำเนินการปฏิกิริยาที่ต่างกัน ฟลูอิไดซ์เบดจะใช้เพื่อเพิ่มพื้นผิวสัมผัสของสารที่ทำปฏิกิริยา การจ่ายสารตั้งต้น และการกำจัดผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น ในการผลิตกรดซัลฟิวริก ไพไรต์จะถูกยิงโดยใช้ฟลูอิไดซ์เบด ในเคมีอินทรีย์ ดำเนินการโดยใช้ฟลูอิไดซ์เบด การแตกตัวเร่งปฏิกิริยาของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม และการฟื้นฟู (การฟื้นฟู) ของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ล้มเหลว (โค้ก)
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี สมดุลเคมี
วางแผน:
1. แนวคิดเรื่องอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
2. ปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
3. สมดุลเคมี ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความสมดุลของการกระจัด หลักการของเลอ ชาเตอลิเยร์
ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในอัตราที่ต่างกัน ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในสารละลายที่เป็นน้ำ ตัวอย่างเช่น หากสารละลายแบเรียมคลอไรด์และโซเดียมซัลเฟตถูกระบายออกไป ตะกอนสีขาวของแบเรียมซัลเฟตจะตกตะกอนทันที เอทิลีนจะทำให้น้ำโบรมีนเปลี่ยนสีได้อย่างรวดเร็วแต่ไม่ทันที สนิมจะค่อยๆ ก่อตัวบนวัตถุที่เป็นเหล็ก มีคราบจุลินทรีย์ปรากฏบนผลิตภัณฑ์ทองแดงและทองแดง และใบไม้เน่าเปื่อย
วิทยาศาสตร์ศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีรวมทั้งระบุการขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของกระบวนการ - จลนพลศาสตร์เคมี
หากปฏิกิริยาเกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกัน เช่น ในสถานะสารละลายหรือก๊าซ ปฏิกิริยาของสารตั้งต้นจะเกิดขึ้นทั่วทั้งปริมาตร ปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่า เป็นเนื้อเดียวกัน
หากปฏิกิริยาเกิดขึ้นระหว่างสารที่มีสถานะการรวมกลุ่มต่างกัน (เช่น ระหว่างของแข็งกับก๊าซหรือของเหลว) หรือระหว่างสารที่ไม่สามารถสร้างตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันได้ (เช่น ระหว่างของเหลวที่ผสมไม่ได้สองชนิด) ก็จะเกิดขึ้น เฉพาะบนพื้นผิวสัมผัสของสารเท่านั้น ปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่า ต่างกัน
υของปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารต่อหน่วยต่อหน่วยปริมาตร:
υ =Δn / Δt ∙V
โดยที่ Δ n คือการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลของสารตัวใดตัวหนึ่ง (ส่วนใหญ่มักจะเป็นของดั้งเดิม แต่ก็สามารถเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาได้เช่นกัน) (โมล)
V – ปริมาตรของก๊าซหรือสารละลาย (ลิตร)
เนื่องจาก Δ n / V = ΔC (การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น) ดังนั้น
υ =Δ C / Δt (โมล/ลิตร∙ s)
υ ของปฏิกิริยาที่ต่างกันจะถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารต่อหน่วยเวลาบนพื้นผิวหน่วยที่สัมผัสกับสาร
υ =Δn / Δt ∙ ส
โดยที่ Δ n – การเปลี่ยนแปลงปริมาณของสาร (รีเอเจนต์หรือผลิตภัณฑ์) (โมล)
Δt – ช่วงเวลา (s, นาที);
S – พื้นที่ผิวสัมผัสของสาร (ซม. 2, ม. 2)
ทำไมอัตราการเกิดปฏิกิริยาต่างกันจึงไม่เท่ากัน?
เพื่อให้ปฏิกิริยาเคมีเริ่มต้นขึ้น โมเลกุลของสารที่ทำปฏิกิริยาจะต้องชนกัน แต่ไม่ใช่ว่าการชนทุกครั้งจะส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาเคมี เพื่อให้การชนกันทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี โมเลกุลจะต้องมีพลังงานสูงเพียงพอ อนุภาคที่สามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีเมื่อชนกันเรียกว่า คล่องแคล่ว.พวกมันมีพลังงานส่วนเกินเมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานเฉลี่ยของอนุภาคส่วนใหญ่ - พลังงานกระตุ้น อีกระทำมีอนุภาคออกฤทธิ์ในสารน้อยกว่าพลังงานเฉลี่ยมาก ดังนั้นสำหรับปฏิกิริยาหลายอย่างที่จะเริ่มต้น ระบบจะต้องได้รับพลังงานบางส่วน (แสงวูบวาบ ความร้อน การกระแทกทางกล)
อุปสรรคด้านพลังงาน (มูลค่า อีกระทำ) จะแตกต่างกันสำหรับปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน ยิ่งมีค่าน้อย ปฏิกิริยาก็จะยิ่งเกิดขึ้นได้ง่ายและเร็วขึ้นเท่านั้น
2. ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อ υ(จำนวนการชนกันของอนุภาคและประสิทธิภาพ)
1) ลักษณะของสารตั้งต้น:องค์ประกอบ โครงสร้าง => พลังงานกระตุ้น
▪ ยิ่งน้อย. อีกระทำยิ่ง υ;
ถ้า อีกระทำ < 40 кДж/моль, то это значит, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к их взаимодействию, и скорость такой реакции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, т.к. в этих реакциях участвуют разноименнозаряженные частицы, и энергия активации в этих случаях ничтожно мала.
ถ้า อีกระทำ> 120 กิโลจูล/โมล ซึ่งหมายความว่าการชนกันระหว่างอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กันเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ทำให้เกิดปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวต่ำมาก เช่น การเกิดสนิมของเหล็ก หรือ
การเกิดปฏิกิริยาการสังเคราะห์แอมโมเนียที่อุณหภูมิปกติแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสังเกตเห็น
ถ้า อีกระทำมีค่ากลาง (40 – 120 กิโลจูล/โมล) ดังนั้นอัตราของปฏิกิริยาดังกล่าวจะเป็นค่าเฉลี่ย ปฏิกิริยาดังกล่าวรวมถึงอันตรกิริยาของโซเดียมกับน้ำหรือเอธานอล การเปลี่ยนสีของน้ำโบรมีนกับเอทิลีน เป็นต้น
2) อุณหภูมิ: ที่ t ทุกๆ 10 0 C, υ 2-4 ครั้ง (ไม่ใช่กฎของฮอฟฟ์)
υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10
ที่ t จำนวนอนุภาคที่ทำงานอยู่ (s อีกระทำ) และการชนกันที่เกิดขึ้น
ภารกิจที่ 1อัตราของปฏิกิริยาบางอย่างที่ 0 0 C เท่ากับ 1 โมล/ลิตร ∙ ชั่วโมง ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของปฏิกิริยาคือ 3 อัตราของปฏิกิริยานี้จะอยู่ที่ 30 0 C เท่าใด
υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10
υ 2 =1∙3 30-0/10 = 3 3 =27 โมล/ลิตร∙ชม.
3) ความเข้มข้น:ยิ่งเกิดการชนกันและ υ บ่อยขึ้นเท่านั้น ที่อุณหภูมิคงที่สำหรับปฏิกิริยา mA + nB = C ตามกฎของการกระทำของมวล:
υ = k ∙ C A ม. ∙ C B n
โดยที่ k คือค่าคงที่อัตรา
C – ความเข้มข้น (โมล/ลิตร)
กฎแห่งการกระทำของมวล:
อัตราของปฏิกิริยาเคมีเป็นสัดส่วนกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา ซึ่งมีกำลังเท่ากับค่าสัมประสิทธิ์ของสารในสมการปฏิกิริยา
ซี.ดี.เอ็ม. ไม่ได้คำนึงถึงความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยาในสถานะของแข็งเพราะว่า พวกมันทำปฏิกิริยาบนพื้นผิวและความเข้มข้นของมันมักจะคงที่
ภารกิจที่ 2ปฏิกิริยาเกิดขึ้นตามสมการ A + 2B → C อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเปลี่ยนแปลงกี่ครั้งและอย่างไรเมื่อความเข้มข้นของสาร B เพิ่มขึ้น 3 เท่า
วิธีแก้ไข:υ = k ∙ C A m ∙ C B n
υ = k ∙ C A ∙ C B 2
υ 1 = k ∙ a ∙ b 2
υ 2 = k ∙ a ∙ 3 ใน 2
υ 1 / υ 2 = a ∙ใน 2 / a ∙ 9 ใน 2 = 1/9
คำตอบ: จะเพิ่มขึ้น 9 เท่า
สำหรับสารที่เป็นก๊าซ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะขึ้นอยู่กับความดัน
ยิ่งความดันสูง ความเร็วก็จะยิ่งสูงขึ้น
4) ตัวเร่งปฏิกิริยา– สารที่เปลี่ยนกลไกการเกิดปฏิกิริยาลดลง อีกระทำ => υ .
▪ ตัวเร่งปฏิกิริยายังคงไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากปฏิกิริยาเสร็จสิ้น
▪ เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพซึ่งเป็นโปรตีนโดยธรรมชาติ
▪ สารยับยั้ง – สารที่ ↓ υ
5) สำหรับปฏิกิริยาที่ต่างกัน υ ยังขึ้นอยู่กับ:
▪ สถานะของพื้นผิวสัมผัสของสารที่ทำปฏิกิริยา
เปรียบเทียบ: เทสารละลายกรดซัลฟิวริกในปริมาณเท่ากันลงในหลอดทดลอง 2 หลอด และในเวลาเดียวกันก็ตอกตะปูเหล็กลงในหลอดหนึ่งและตะไบเหล็กลงในหลอดทดลองอีกหลอดหนึ่ง การบดของแข็งจะทำให้จำนวนโมเลกุลเพิ่มขึ้นซึ่งสามารถทำปฏิกิริยาพร้อมกันได้ . ดังนั้นในหลอดทดลองหลอดที่สอง อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะมากกว่าหลอดแรก
แนวคิดหลักที่ศึกษา:
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
ความเข้มข้นของฟันกราม
จลนศาสตร์
ปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน
ปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
ตัวเร่งปฏิกิริยาตัวยับยั้ง
การเร่งปฏิกิริยา
ปฏิกิริยาย้อนกลับและไม่สามารถย้อนกลับได้
สมดุลเคมี
ปฏิกิริยาเคมีคือปฏิกิริยาที่เกิดจากการได้รับสารอื่นจากสารชนิดเดียว (สารใหม่เกิดขึ้นจากสารเดิม) ปฏิกิริยาเคมีบางอย่างเกิดขึ้นในเสี้ยววินาที (การระเบิด) ในขณะที่ปฏิกิริยาเคมีบางอย่างใช้เวลาเป็นนาที วัน ปี ทศวรรษ ฯลฯ
ตัวอย่างเช่น: ปฏิกิริยาการเผาไหม้ของดินปืนเกิดขึ้นทันทีด้วยการจุดระเบิดและการระเบิด และปฏิกิริยาการทำให้เงินเข้มขึ้นหรือการเกิดสนิมของเหล็ก (การกัดกร่อน) เกิดขึ้นช้ามากจนสามารถตรวจสอบผลลัพธ์ได้หลังจากผ่านไปเป็นเวลานานเท่านั้น
เพื่อกำหนดลักษณะความเร็วของปฏิกิริยาเคมี จะใช้แนวคิดของความเร็วของปฏิกิริยาเคมี - υ
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีคือการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของหนึ่งในสารตั้งต้นของปฏิกิริยาต่อหน่วยเวลา
สูตรคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี:
| υ = | ตั้งแต่ 2 – จาก 1 | = | ∆วินาที |
| เสื้อ 2 – เสื้อ 1 | ∆ที |
c 1 – ความเข้มข้นของโมลาร์ของสาร ณ เวลาเริ่มต้น t 1
c 2 – ความเข้มข้นของโมลาร์ของสาร ณ เวลาเริ่มต้น t 2
เนื่องจากอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีมีลักษณะเฉพาะคือการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของโมลของสารตั้งต้น (สารตั้งต้น) จากนั้น t 2 > t 1 และ c 2 > c 1 (ความเข้มข้นของสารตั้งต้นลดลงเมื่อปฏิกิริยาดำเนินไป) .
ความเข้มข้นของฟันกราม (s)– คือปริมาณของสารต่อหน่วยปริมาตร หน่วยวัดความเข้มข้นของโมลคือ [mol/l]
สาขาวิชาเคมีที่ศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเรียกว่า จลนพลศาสตร์เคมี. เมื่อทราบกฎหมายแล้ว บุคคลจะสามารถควบคุมกระบวนการทางเคมีและตั้งค่าความเร็วที่แน่นอนได้
เมื่อคำนวณอัตราของปฏิกิริยาเคมี จำเป็นต้องจำไว้ว่าปฏิกิริยาแบ่งออกเป็นเนื้อเดียวกันและต่างกัน
ปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน– ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมเดียวกัน (เช่น สารตั้งต้นอยู่ในสถานะการรวมตัวเดียวกัน ตัวอย่างเช่น: แก๊ส + แก๊ส ของเหลว + ของเหลว).
ปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน– สิ่งเหล่านี้คือปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างสารในตัวกลางที่ต่างกัน (มีอินเทอร์เฟซเฟส เช่น สารที่ทำปฏิกิริยาอยู่ในสถานะการรวมกลุ่มที่แตกต่างกัน เช่น แก๊ส + ของเหลว ของเหลว + ของแข็ง).
สูตรคำนวณอัตราของปฏิกิริยาเคมีข้างต้นใช้ได้กับปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันเท่านั้น หากปฏิกิริยาไม่เหมือนกัน ก็สามารถเกิดขึ้นได้ที่พื้นผิวของสารตั้งต้นเท่านั้น
สำหรับปฏิกิริยาที่ต่างกัน อัตราจะคำนวณโดยใช้สูตร:
∆ν – การเปลี่ยนแปลงปริมาณของสาร
S – พื้นที่ส่วนต่อประสาน
∆ t – ช่วงเวลาที่เกิดปฏิกิริยา
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ ได้แก่ ธรรมชาติของสารตั้งต้น ความเข้มข้นของสาร อุณหภูมิ ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือสารยับยั้ง
การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยากับธรรมชาติของสารที่ทำปฏิกิริยา
มาวิเคราะห์การพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยานี้กัน โดยใช้ตัวอย่าง: ลองหย่อนเม็ดโลหะที่มีพื้นที่เท่ากันลงในหลอดทดลองสองหลอดที่มีสารละลายกรดไฮโดรคลอริก (HCl) ในปริมาณเท่ากัน: ใส่เม็ดเหล็ก (Fe) ลงในหลอดทดลองหลอดแรก และใส่เม็ดแมกนีเซียม (Mg) ลงในหลอดที่สอง จากการสังเกตโดยพิจารณาจากอัตราการปล่อยไฮโดรเจน (H2) สังเกตได้ว่าแมกนีเซียมทำปฏิกิริยากับกรดไฮโดรคลอริกด้วยความเร็วสูงสุดกว่าเหล็ก. อัตราของปฏิกิริยาเคมีนี้ขึ้นอยู่กับธรรมชาติของโลหะ (เช่น แมกนีเซียมเป็นโลหะที่มีปฏิกิริยามากกว่าเหล็ก และดังนั้นจึงทำปฏิกิริยากับกรดได้แรงกว่า)
ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับความเข้มข้นของสารตั้งต้น
ยิ่งความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา (เริ่มต้น) สูงเท่าไร ปฏิกิริยาก็จะดำเนินไปเร็วขึ้นเท่านั้น ในทางกลับกัน ยิ่งความเข้มข้นของตัวทำปฏิกิริยาต่ำลง ปฏิกิริยาก็จะยิ่งช้าลงเท่านั้น
ตัวอย่างเช่น: เทสารละลายเข้มข้นของกรดไฮโดรคลอริก (HCl) ลงในหลอดทดลองหลอดหนึ่ง และเทสารละลายเจือจางของกรดไฮโดรคลอริกลงในอีกหลอดหนึ่ง ให้ใส่เม็ดสังกะสี (Zn) ลงในหลอดทดลองทั้งสองหลอด เราจะสังเกตตามอัตราการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเร็วขึ้นในหลอดทดลองหลอดแรกเพราะว่า ความเข้มข้นของกรดไฮโดรคลอริกในนั้นมากกว่าในหลอดทดลองที่สอง
เพื่อกำหนดอัตราการขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีให้ใช้ กฎแห่งการกระทำของ (การแสดง) มวลชน : อัตราของปฏิกิริยาเคมีเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยาซึ่งอยู่ในกำลังที่เท่ากับค่าสัมประสิทธิ์ของสารเหล่านั้น
ตัวอย่างเช่น สำหรับปฏิกิริยาที่ดำเนินการตามแบบแผน: nA + มิลลิบี → D, อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีถูกกำหนดโดยสูตร:
คุณ = k · C (A) n · C (B) ม. , ที่ไหน
υ xr - อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
ค (ก) – ก
ค (บี) – ความเข้มข้นของโมลของสารใน
เอ็น และ ม – ค่าสัมประสิทธิ์ของพวกเขา
เค – อัตราคงที่ของปฏิกิริยาเคมี (ค่าอ้างอิง)
กฎแห่งการกระทำของมวลใช้ไม่ได้กับสารที่อยู่ในสถานะของแข็งเพราะว่า ความเข้มข้นคงที่ (เนื่องจากพวกมันทำปฏิกิริยาเฉพาะบนพื้นผิวซึ่งยังคงไม่เปลี่ยนแปลง)
ตัวอย่างเช่น: สำหรับปฏิกิริยา 2 Cu + O 2 = 2 CuO อัตราการเกิดปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยสูตร:
คุณ = kค(โอ 2)
ปัญหา: อัตราคงที่ของปฏิกิริยา 2A + B = D คือ 0.005 คำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ความเข้มข้นโมลของสาร A = 0.6 โมล/ลิตร สาร B = 0.8 โมล/ลิตร
ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับอุณหภูมิ.
การพึ่งพาอาศัยกันนี้ถูกกำหนดแล้ว กฎของแวนต์ฮอฟฟ์ (1884): เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นทุกๆ 10°C อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้นโดยเฉลี่ย 2-4 เท่า
ดังนั้นปฏิกิริยาของไฮโดรเจน (H 2) และออกซิเจน (O 2) ที่อุณหภูมิห้องแทบจะไม่เกิดขึ้นเลย อัตราของปฏิกิริยาเคมีนี้จึงต่ำมาก แต่ที่อุณหภูมิ 500 C o ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นใน 50 นาที และที่อุณหภูมิ 700 C o จะเกิดขึ้นเกือบจะในทันที
สูตรคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีตามกฎของแวนต์ฮอฟฟ์:
โดยที่: υ เสื้อ 1 และ υ เสื้อ 2 - อัตราปฏิกิริยาเคมีที่ เสื้อ 2 และ เสื้อ 1
γ คือค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิซึ่งแสดงจำนวนครั้งที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 C o
การเปลี่ยนความเร็วปฏิกิริยา:
2. แทนข้อมูลจากคำชี้แจงปัญหาลงในสูตร:
การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยากับสารพิเศษ - ตัวเร่งปฏิกิริยาและสารยับยั้ง
ตัวเร่ง- สารที่เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี แต่ไม่ได้มีส่วนร่วมด้วยตัวมันเอง
สารยับยั้ง- สารที่ทำให้ปฏิกิริยาเคมีช้าลง แต่ไม่ได้มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีนั้นเอง
ตัวอย่าง: ใส่สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 3% (H 2 O 2) ลงในหลอดทดลองซึ่งได้รับความร้อนแล้ว ให้เติมเศษที่คุกรุ่นอยู่ - มันจะไม่สว่างเพราะ อัตราการเกิดปฏิกิริยาของการสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ลงในน้ำ (H 2 O) และออกซิเจน (O 2) ต่ำมากและผลลัพธ์ที่ได้คือออกซิเจนไม่เพียงพอที่จะทำปฏิกิริยาคุณภาพสูงต่อออกซิเจน (การเผาไหม้อย่างยั่งยืน) ทีนี้มาเติมผงแมงกานีส (IV) ออกไซด์ (MnO 2) สีดำเล็กน้อยลงในหลอดทดลอง แล้วดูว่าฟองก๊าซ (ออกซิเจน) ปล่อยออกมาอย่างรวดเร็วได้เริ่มขึ้นแล้ว และเศษที่คุกรุ่นอยู่ในหลอดทดลองก็ลุกเป็นไฟอย่างสว่างไสว MnO 2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยานี้ มันเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยา แต่ไม่ได้มีส่วนร่วมในตัวมันเอง (ซึ่งสามารถพิสูจน์ได้โดยการชั่งน้ำหนักตัวเร่งปฏิกิริยาก่อนและหลังปฏิกิริยา - มวลของมันจะไม่เปลี่ยนแปลง)
เราต้องเผชิญกับปฏิกิริยาทางเคมีต่างๆ อยู่ตลอดเวลา การเผาไหม้ของก๊าซธรรมชาติ การเกิดสนิมของเหล็ก การทำให้นมเปรี้ยว สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่กระบวนการทั้งหมดที่ได้รับการศึกษาอย่างละเอียดในหลักสูตรเคมีของโรงเรียน
ปฏิกิริยาบางอย่างใช้เวลาเพียงเสี้ยววินาทีจึงจะเกิดขึ้น ในขณะที่ปฏิกิริยาบางอย่างใช้เวลาหลายวันหรือหลายสัปดาห์
ลองระบุความขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิ ความเข้มข้น และปัจจัยอื่นๆ มาตรฐานการศึกษาใหม่จัดสรรเวลาสอนขั้นต่ำสำหรับปัญหานี้ การทดสอบของการสอบ Unified State ประกอบด้วยงานที่ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิ ความเข้มข้น และแม้แต่เสนอปัญหาในการคำนวณ นักเรียนมัธยมปลายหลายคนประสบปัญหาในการหาคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ ดังนั้นเราจะวิเคราะห์หัวข้อนี้โดยละเอียด
ความเกี่ยวข้องของปัญหาที่อยู่ระหว่างการพิจารณา
ข้อมูลเกี่ยวกับอัตราการเกิดปฏิกิริยามีความสำคัญเชิงปฏิบัติและทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น ในการผลิตสารและผลิตภัณฑ์โดยเฉพาะ ผลผลิตของอุปกรณ์และต้นทุนของสินค้าจะขึ้นอยู่กับมูลค่านี้โดยตรง
การจำแนกประเภทของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง
มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างสถานะของการรวมตัวของส่วนประกอบเริ่มต้นและผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาที่ต่างกัน
ในวิชาเคมี ระบบมักจะหมายถึงสารหรือการรวมกันของสารเหล่านั้น
ระบบที่ประกอบด้วยเฟสเดียว (สถานะการรวมกลุ่มเดียวกัน) ถือเป็นระบบที่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวอย่างเช่น เราสามารถพูดถึงส่วนผสมของก๊าซและของเหลวหลายชนิดได้
ระบบที่ต่างกันคือระบบที่สารที่ทำปฏิกิริยาอยู่ในรูปของก๊าซและของเหลว ของแข็งและก๊าซ
ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับเฟสที่ใช้ส่วนประกอบต่างๆ ที่เข้าสู่ปฏิกิริยาที่วิเคราะห์ด้วย
องค์ประกอบที่เป็นเนื้อเดียวกันมีลักษณะเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นตลอดทั้งปริมาตรซึ่งช่วยปรับปรุงคุณภาพได้อย่างมาก
หากสารตั้งต้นอยู่ในสถานะเฟสที่แตกต่างกัน ปฏิกิริยาสูงสุดจะถูกสังเกตที่ส่วนต่อประสานเฟส ตัวอย่างเช่น เมื่อโลหะแอคทีฟถูกละลายในกรด การก่อตัวของผลิตภัณฑ์ (เกลือ) จะเกิดขึ้นเฉพาะบนพื้นผิวที่สัมผัสกันเท่านั้น
ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างความเร็วกระบวนการกับปัจจัยต่างๆ
สมการของการพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับอุณหภูมิมีลักษณะอย่างไร สำหรับกระบวนการที่เป็นเนื้อเดียวกัน อัตราจะถูกกำหนดโดยปริมาณของสารที่ทำปฏิกิริยาหรือเกิดขึ้นระหว่างการทำปฏิกิริยาในปริมาตรของระบบต่อหน่วยเวลา
สำหรับกระบวนการที่ต่างกัน อัตราจะถูกกำหนดในแง่ของปริมาณของสารที่ทำปฏิกิริยาหรือผลิตในกระบวนการต่อหน่วยพื้นที่ในช่วงเวลาขั้นต่ำ
ปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
ธรรมชาติของสารที่ทำปฏิกิริยาเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้อัตรากระบวนการต่างกัน ตัวอย่างเช่น โลหะอัลคาไลจะเกิดเป็นด่างด้วยน้ำที่อุณหภูมิห้อง และกระบวนการนี้จะมาพร้อมกับการปล่อยก๊าซไฮโดรเจนอย่างเข้มข้น โลหะมีตระกูล (ทอง แพลทินัม เงิน) ไม่สามารถผ่านกระบวนการดังกล่าวได้ไม่ว่าจะที่อุณหภูมิห้องหรือเมื่อถูกความร้อน
ลักษณะของสารตั้งต้นเป็นปัจจัยที่นำมาพิจารณาในอุตสาหกรรมเคมีเพื่อเพิ่มผลกำไรของการผลิต
มีการเปิดเผยความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของรีเอเจนต์กับความเร็วของปฏิกิริยาเคมี ยิ่งสูงเท่าไรอนุภาคก็จะยิ่งชนกันมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นกระบวนการจึงดำเนินไปเร็วขึ้น
กฎแห่งการกระทำของมวลในรูปแบบทางคณิตศาสตร์อธิบายความสัมพันธ์ตามสัดส่วนโดยตรงระหว่างความเข้มข้นของสารตั้งต้นและความเร็วของกระบวนการ
คิดค้นขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 โดยนักเคมีชาวรัสเซีย N. N. Beketov สำหรับแต่ละกระบวนการ จะมีการกำหนดค่าคงที่ของปฏิกิริยา ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ ความเข้มข้น หรือธรรมชาติของสารตั้งต้น
เพื่อเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับสารที่เป็นของแข็ง คุณต้องบดให้เป็นผง
ในกรณีนี้พื้นที่ผิวจะเพิ่มขึ้นซึ่งส่งผลดีต่อความเร็วของกระบวนการ สำหรับน้ำมันดีเซลจะใช้ระบบหัวฉีดพิเศษเนื่องจากเมื่อสัมผัสกับอากาศอัตราการเผาไหม้ของส่วนผสมไฮโดรคาร์บอนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก
เครื่องทำความร้อน
การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับอุณหภูมิอธิบายได้โดยทฤษฎีจลน์ศาสตร์ของโมเลกุล ช่วยให้คุณสามารถคำนวณจำนวนการชนกันระหว่างโมเลกุลรีเอเจนต์ภายใต้เงื่อนไขบางประการ หากคุณติดอาวุธด้วยข้อมูลดังกล่าว ภายใต้สภาวะปกติ กระบวนการทั้งหมดควรดำเนินการทันที
แต่ถ้าเราพิจารณาตัวอย่างเฉพาะของการพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิปรากฎว่าในการโต้ตอบจำเป็นต้องทำลายพันธะเคมีระหว่างอะตอมก่อนเพื่อให้สารใหม่เกิดขึ้นจากพวกมัน สิ่งนี้ต้องใช้พลังงานจำนวนมาก อัตราปฏิกิริยาต่ออุณหภูมิขึ้นอยู่กับอะไร? พลังงานกระตุ้นเป็นตัวกำหนดความเป็นไปได้ของการแตกของโมเลกุลซึ่งเป็นพลังงานที่กำหนดลักษณะความเป็นจริงของกระบวนการอย่างแม่นยำ มีหน่วยเป็น kJ/mol
หากพลังงานไม่เพียงพอ การชนกันก็จะไม่เกิดผล จึงไม่เกิดโมเลกุลใหม่ตามมาด้วย
การแสดงกราฟิก
การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับอุณหภูมิสามารถแสดงเป็นกราฟได้ เมื่อถูกความร้อน จำนวนการชนกันระหว่างอนุภาคจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะช่วยเร่งปฏิกิริยากัน
กราฟอัตราการเกิดปฏิกิริยาเทียบกับอุณหภูมิมีลักษณะอย่างไร พลังงานของโมเลกุลจะแสดงในแนวนอน และจำนวนอนุภาคที่มีการสำรองพลังงานสูงจะแสดงในแนวตั้ง กราฟคือเส้นโค้งที่ใช้ตัดสินความเร็วของการโต้ตอบหนึ่งๆ ได้
ยิ่งความแตกต่างของพลังงานจากค่าเฉลี่ยมาก จุดของเส้นโค้งก็จะยิ่งอยู่ห่างจากค่าสูงสุด และเปอร์เซ็นต์ของโมเลกุลที่น้อยลงก็มีพลังงานสำรองดังกล่าว
ประเด็นสำคัญ
เป็นไปได้ไหมที่จะเขียนสมการการขึ้นต่อของอัตราการเกิดปฏิกิริยาคงที่กับอุณหภูมิ? การเพิ่มขึ้นนี้สะท้อนให้เห็นในการเพิ่มความเร็วของกระบวนการ การพึ่งพาอาศัยกันนี้มีลักษณะเฉพาะด้วยค่าบางอย่างที่เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของอัตรากระบวนการ
สำหรับอันตรกิริยาใดๆ จะเปิดเผยการขึ้นต่อกันของค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิ หากเพิ่มขึ้น 10 องศา ความเร็วของกระบวนการจะเพิ่มขึ้น 2-4 เท่า
การพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเอกพันธ์ต่ออุณหภูมิสามารถแสดงได้ในรูปแบบทางคณิตศาสตร์
สำหรับปฏิกิริยาส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิห้อง ค่าสัมประสิทธิ์จะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 2 ถึง 4 ตัวอย่างเช่น ด้วยค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ 2.9 อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 100 องศาจะทำให้กระบวนการเร็วขึ้นเกือบ 50,000 เท่า
การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิสามารถอธิบายได้ง่ายด้วยพลังงานกระตุ้นที่แตกต่างกัน มันมีค่าต่ำสุดในระหว่างกระบวนการไอออนิก ซึ่งจะถูกกำหนดโดยปฏิกิริยาของแคตไอออนและแอนไอออนเท่านั้น การทดลองจำนวนมากบ่งชี้ถึงการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวในทันที
ที่พลังงานกระตุ้นสูง การชนกันระหว่างอนุภาคเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาโต้ตอบ ที่พลังงานกระตุ้นโดยเฉลี่ย สารตั้งต้นจะมีปฏิกิริยาโต้ตอบที่อัตราเฉลี่ย
งานที่ขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาต่อความเข้มข้นและอุณหภูมิจะพิจารณาเฉพาะในระดับการศึกษาระดับสูงเท่านั้นและมักทำให้เกิดปัญหาร้ายแรงสำหรับเด็ก
การวัดความเร็วของกระบวนการ
กระบวนการเหล่านั้นที่ต้องใช้พลังงานกระตุ้นที่สำคัญเกี่ยวข้องกับการแตกครั้งแรกหรือการอ่อนตัวลงของพันธะระหว่างอะตอมในสารตั้งต้น ในกรณีนี้พวกมันจะเปลี่ยนไปสู่สถานะขั้นกลางที่เรียกว่าคอมเพล็กซ์ที่เปิดใช้งาน มันเป็นสถานะที่ไม่เสถียรและสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาค่อนข้างเร็วกระบวนการนี้มาพร้อมกับการปล่อยพลังงานเพิ่มเติม
ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด สารเชิงซ้อนที่ถูกกระตุ้นคือโครงร่างของอะตอมที่มีพันธะเก่าอ่อนลง
สารยับยั้งและตัวเร่งปฏิกิริยา
ให้เราวิเคราะห์การขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์กับอุณหภูมิของตัวกลาง สารดังกล่าวทำหน้าที่เป็นตัวเร่งกระบวนการ
พวกเขาเองไม่ใช่ผู้เข้าร่วมในการโต้ตอบ จำนวนของพวกเขายังคงไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากกระบวนการเสร็จสิ้น แม้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาจะช่วยเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา แต่ในทางกลับกัน สารยับยั้งกลับทำให้กระบวนการนี้ช้าลง
สาระสำคัญของสิ่งนี้อยู่ที่การก่อตัวของสารประกอบระดับกลางซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงความเร็วของกระบวนการ
บทสรุป
ปฏิกิริยาทางเคมีต่างๆ เกิดขึ้นทุกนาทีในโลก จะสร้างการพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิได้อย่างไร? สมการอาร์เรเนียสเป็นคำอธิบายทางคณิตศาสตร์เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่อัตราและอุณหภูมิ มันให้แนวคิดเกี่ยวกับคุณค่าของพลังงานกระตุ้นซึ่งการทำลายหรือทำให้พันธะระหว่างอะตอมในโมเลกุลอ่อนลงเป็นไปได้การกระจายตัวของอนุภาคไปสู่สิ่งใหม่ สารเคมี.
ต้องขอบคุณทฤษฎีจลน์ศาสตร์ระดับโมเลกุล ทำให้สามารถทำนายความน่าจะเป็นของอันตรกิริยาระหว่างส่วนประกอบเริ่มต้นและคำนวณอัตราของกระบวนการได้ ปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยามีความสำคัญอย่างยิ่ง ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ เปอร์เซ็นต์ความเข้มข้นของสารที่มีปฏิกิริยา พื้นที่ผิวสัมผัส การมีอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยา (สารยับยั้ง) ตลอดจนลักษณะของส่วนประกอบที่มีปฏิกิริยากัน
ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นที่ความเร็วต่างๆ: ที่ความเร็วต่ำระหว่างการก่อตัวของหินงอกหินย้อย, ที่ความเร็วเฉลี่ยเมื่อปรุงอาหาร, ทันทีระหว่างการระเบิด ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วในสารละลายที่เป็นน้ำ
การกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีรวมถึงการชี้แจงการขึ้นอยู่กับเงื่อนไขของกระบวนการนั้นเป็นงานของจลนศาสตร์เคมี - ศาสตร์แห่งรูปแบบของปฏิกิริยาเคมีในช่วงเวลาหนึ่ง
หากปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกัน เช่น ในสารละลายหรือในสถานะก๊าซ ปฏิกิริยาของสารที่ทำปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นตลอดปริมาตรทั้งหมด ปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่า เป็นเนื้อเดียวกัน.
(v homog) หมายถึงการเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยปริมาตร:
โดยที่ Δn คือการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลของสารหนึ่งชนิด (ส่วนใหญ่มักจะเป็นของดั้งเดิม แต่ก็สามารถเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาได้เช่นกัน) Δt - ช่วงเวลา (s, นาที); V คือปริมาตรของก๊าซหรือสารละลาย (l)
เนื่องจากอัตราส่วนของปริมาณของสารต่อปริมาตรแสดงถึงความเข้มข้นของโมล C ดังนั้น
ดังนั้น อัตราของปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันจึงถูกกำหนดให้เป็นการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตัวใดตัวหนึ่งต่อหน่วยเวลา:
หากระดับเสียงของระบบไม่เปลี่ยนแปลง
หากปฏิกิริยาเกิดขึ้นระหว่างสารที่มีสถานะการรวมกลุ่มต่างกัน (เช่น ระหว่างของแข็งกับก๊าซหรือของเหลว) หรือระหว่างสารที่ไม่สามารถก่อตัวเป็นตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันได้ (เช่น ระหว่างของเหลวที่ผสมไม่ได้) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเฉพาะกับ พื้นผิวสัมผัสของสาร ปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่า ต่างกัน.
กำหนดเป็นการเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารต่อหน่วยเวลาบนพื้นผิวหน่วย
โดยที่ S คือพื้นที่ผิวสัมผัสของสาร (m 2, cm 2)
การเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารที่กำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นปัจจัยภายนอกที่ผู้วิจัยสังเกตได้ ในความเป็นจริงแล้ว กระบวนการทั้งหมดดำเนินการในระดับจุลภาค แน่นอนว่าเพื่อให้อนุภาคบางตัวทำปฏิกิริยา พวกมันจะต้องชนกันก่อนและชนกันอย่างมีประสิทธิภาพ: ไม่กระจายเหมือนลูกบอลในทิศทางที่ต่างกัน แต่ในลักษณะที่ "พันธะเก่า" จะถูกทำลายหรืออ่อนลงในอนุภาค และ "พันธะใหม่" สามารถ เป็นรูปเป็นร่าง " และเพื่อการนี้ อนุภาคจะต้องมีพลังงานเพียงพอ
ข้อมูลที่คำนวณได้แสดงให้เห็นว่า ตัวอย่างเช่น ในก๊าซ การชนกันของโมเลกุลที่ความดันบรรยากาศมีจำนวนหลายพันล้านต่อวินาที กล่าวคือ ปฏิกิริยาทั้งหมดควรเกิดขึ้นทันที แต่นั่นไม่เป็นความจริง ปรากฎว่ามีโมเลกุลเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่มีพลังงานที่จำเป็นในการทำให้เกิดการชนกันอย่างมีประสิทธิภาพ
พลังงานส่วนเกินขั้นต่ำที่อนุภาค (หรือคู่ของอนุภาค) ต้องมีเพื่อให้เกิดการชนกันอย่างมีประสิทธิภาพเรียกว่า พลังงานกระตุ้นเอ้า.
ดังนั้นบนเส้นทางของอนุภาคทั้งหมดที่เข้าสู่ปฏิกิริยาจะมีกำแพงพลังงานเท่ากับพลังงานกระตุ้น E a เมื่อมันมีขนาดเล็ก มีอนุภาคมากมายที่สามารถเอาชนะมันได้ และอัตราการเกิดปฏิกิริยาก็สูง ไม่อย่างนั้นก็ต้อง "ผลักดัน" เมื่อคุณนำไม้ขีดมาจุดตะเกียงแอลกอฮอล์ คุณจะให้พลังงานเพิ่มเติม E ซึ่งจำเป็นต่อการชนกันอย่างมีประสิทธิภาพของโมเลกุลแอลกอฮอล์กับโมเลกุลออกซิเจน (เอาชนะสิ่งกีดขวาง)
ความเร็วของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย สิ่งสำคัญคือ: ธรรมชาติและความเข้มข้นของสารตั้งต้น ความดัน (ในปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับก๊าซ) อุณหภูมิ การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยา และพื้นผิวของสารตั้งต้นในกรณีของปฏิกิริยาที่ต่างกัน
อุณหภูมิ
เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในกรณีส่วนใหญ่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในศตวรรษที่ 19 นักเคมีชาวดัตช์ J. X. van't Hoff ได้กำหนดกฎไว้ดังนี้:
อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 °C จะทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นความเร็วปฏิกิริยา 2-4 เท่า(ค่านี้เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของปฏิกิริยา)
เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุล พลังงานของพวกมัน และจำนวนการชนจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่สัดส่วนของโมเลกุลที่ "แอคทีฟ" ที่มีส่วนร่วมในการชนอย่างมีประสิทธิผล ซึ่งเอาชนะอุปสรรคด้านพลังงานของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในทางคณิตศาสตร์ การพึ่งพานี้แสดงโดยความสัมพันธ์:
โดยที่ v t 1 และ v t 2 คืออัตราการเกิดปฏิกิริยา ตามลำดับ ณ อุณหภูมิ t 2 สุดท้ายและ t 1 เริ่มต้น และ γ คือสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของอัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งแสดงจำนวนครั้งที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นทุกๆ 10 °C ที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 °C ในอุณหภูมิ
อย่างไรก็ตาม ในการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา การเพิ่มอุณหภูมิอาจไม่สามารถใช้ได้เสมอไป เนื่องจากสารตั้งต้นอาจเริ่มสลายตัว ตัวทำละลายหรือตัวสารเองอาจระเหยไป เป็นต้น
ปฏิกิริยาดูดความร้อนและปฏิกิริยาคายความร้อน
เป็นที่รู้กันว่าปฏิกิริยาของมีเทนกับออกซิเจนในบรรยากาศเกิดขึ้นพร้อมกับการปล่อยความร้อนจำนวนมากออกมา ดังนั้นจึงใช้ในชีวิตประจำวันในการประกอบอาหาร ทำน้ำร้อน และทำความร้อน ก๊าซธรรมชาติที่จ่ายให้กับบ้านเรือนผ่านทางท่อประกอบด้วยมีเทน 98% ปฏิกิริยาของแคลเซียมออกไซด์ (CaO) กับน้ำก็มาพร้อมกับการปล่อยความร้อนจำนวนมากเช่นกัน
ข้อเท็จจริงเหล่านี้บ่งชี้อะไรได้บ้าง? เมื่อมีพันธะเคมีใหม่ในผลิตภัณฑ์ที่ทำปฏิกิริยา มากกว่าพลังงานเกินกว่าที่จำเป็นในการทำลายพันธะเคมีในรีเอเจนต์ พลังงานส่วนเกินจะถูกปล่อยออกมาเป็นความร้อนและบางครั้งก็เป็นแสง
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (พลังงาน (แสง, ความร้อน));
CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (พลังงาน (ความร้อน))
ปฏิกิริยาดังกล่าวควรเกิดขึ้นได้ง่าย (เช่น หินกลิ้งลงเนินได้ง่าย)
ปฏิกิริยาที่ปล่อยพลังงานออกมาเรียกว่า คายความร้อน(จากภาษาละติน “exo” - ออก)
ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยารีดอกซ์หลายชนิดเป็นแบบคายความร้อน หนึ่งในปฏิกิริยาที่สวยงามเหล่านี้คือการลดการเกิดออกซิเดชันภายในโมเลกุลที่เกิดขึ้นภายในเกลือเดียวกัน - แอมโมเนียมไดโครเมต (NH 4) 2 Cr 2 O 7:
(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O + Q (พลังงาน)
อีกสิ่งหนึ่งคือการฟันเฟือง เปรียบเสมือนการกลิ้งหินขึ้นเนินเขา ยังคงไม่สามารถรับมีเทนจาก CO 2 และน้ำได้ และจำเป็นต้องใช้ความร้อนสูงเพื่อให้ได้ CaO ปูนขาวจากแคลเซียมไฮดรอกไซด์ Ca(OH) 2 ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีพลังงานไหลจากภายนอกอย่างต่อเนื่อง:
Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (พลังงาน (ความร้อน))
สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าการทำลายพันธะเคมีใน Ca(OH) 2 ต้องใช้พลังงานมากกว่าที่สามารถปล่อยออกมาได้ในระหว่างการก่อตัวของพันธะเคมีใหม่ในโมเลกุล CaO และ H2 O
ปฏิกิริยาที่ดูดซับพลังงานเรียกว่า ความร้อน(จาก "เอนโด" - เข้าด้านใน)
ความเข้มข้นของสารตั้งต้น
การเปลี่ยนแปลงความดันเมื่อสารก๊าซมีส่วนร่วมในปฏิกิริยายังนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารเหล่านี้
เพื่อให้ปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างอนุภาคเกิดขึ้น พวกมันจะต้องชนกันอย่างมีประสิทธิภาพ ยิ่งความเข้มข้นของสารตั้งต้นสูง การชนกันก็จะยิ่งมากขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย ตัวอย่างเช่น อะเซทิลีนจะเผาไหม้อย่างรวดเร็วในออกซิเจนบริสุทธิ์ ในกรณีนี้จะมีอุณหภูมิเพียงพอที่จะทำให้โลหะหลอมละลายได้ จากวัสดุทดลองจำนวนมากในปี พ.ศ. 2410 ชาวนอร์เวย์ K. Guldenberg และ P. Waage และเป็นอิสระจากพวกเขาในปี พ.ศ. 2408 นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย N.I. Beketov ได้กำหนดกฎพื้นฐานของจลนศาสตร์เคมีโดยสร้างการพึ่งพาของอัตราการเกิดปฏิกิริยากับความเข้มข้น ของสารที่ทำปฏิกิริยา
อัตราของปฏิกิริยาเคมีเป็นสัดส่วนกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา ซึ่งมีกำลังเท่ากับค่าสัมประสิทธิ์ของสารในสมการปฏิกิริยา
กฎหมายนี้เรียกอีกอย่างว่า กฎแห่งการกระทำของมวลชน
สำหรับปฏิกิริยา A + B = D กฎนี้จะแสดงดังนี้:
สำหรับปฏิกิริยา 2A + B = D กฎนี้จะแสดงดังนี้:
โดยที่ C A, C B คือความเข้มข้นของสาร A และ B (โมล/ลิตร) k 1 และ k 2 เป็นค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน เรียกว่าค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา
ความหมายทางกายภาพของค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยานั้นสร้างได้ไม่ยาก โดยจะเท่ากับตัวเลขกับอัตราการเกิดปฏิกิริยา โดยที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นคือ 1 โมล/ลิตร หรือผลคูณของสารตั้งต้นเท่ากับความสามัคคี ในกรณีนี้ เป็นที่ชัดเจนว่าค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น และไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสาร
กฎแห่งการกระทำของมวล ไม่คำนึงถึงความเข้มข้นของสารตั้งต้นในสถานะของแข็งเนื่องจากพวกมันทำปฏิกิริยากับพื้นผิวและความเข้มข้นของพวกมันมักจะคงที่
ตัวอย่างเช่น สำหรับปฏิกิริยาการเผาไหม้ถ่านหิน การแสดงออกของอัตราการเกิดปฏิกิริยาควรเขียนได้ดังนี้:
กล่าวคือ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของออกซิเจนเท่านั้น
หากสมการปฏิกิริยาอธิบายเฉพาะปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดที่เกิดขึ้นในหลายขั้นตอน อัตราของปฏิกิริยาดังกล่าวอาจขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นในวิธีที่ซับซ้อน การพึ่งพาอาศัยกันนี้ถูกกำหนดโดยการทดลองหรือทางทฤษฎีตามกลไกการเกิดปฏิกิริยาที่เสนอ
การกระทำของตัวเร่งปฏิกิริยา
เป็นไปได้ที่จะเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยใช้สารพิเศษที่เปลี่ยนกลไกการเกิดปฏิกิริยาและกำหนดทิศทางไปตามเส้นทางที่มีพลังมากขึ้นด้วยพลังงานกระตุ้นที่ต่ำกว่า พวกมันถูกเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา (จากภาษาละติน katalysis - การทำลายล้าง)
ตัวเร่งปฏิกิริยาทำหน้าที่เป็นไกด์ที่มีประสบการณ์นำทางกลุ่มนักท่องเที่ยวที่ไม่ผ่านทางสูงบนภูเขา (การเอาชนะมันต้องใช้ความพยายามและเวลามากมายและไม่สามารถเข้าถึงได้สำหรับทุกคน) แต่ไปตามเส้นทางบายพาสที่เขารู้จัก เราสามารถเอาชนะภูเขาได้ง่ายและเร็วขึ้นมาก
จริงอยู่ การใช้เส้นทางวงเวียนจะทำให้คุณไม่สามารถไปถึงจุดที่ทางเข้าหลักได้แน่ชัด แต่บางครั้งก็เป็นสิ่งที่จำเป็นจริงๆ! นี่คือวิธีที่ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เรียกว่าการเลือกปฏิบัติ เห็นได้ชัดว่าไม่จำเป็นต้องเผาแอมโมเนียและไนโตรเจน แต่ใช้ไนโตรเจนออกไซด์ (II) ในการผลิตกรดไนตริก
ตัวเร่งปฏิกิริยา- สารเหล่านี้เป็นสารที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีและเปลี่ยนความเร็วหรือทิศทาง แต่เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา สารเหล่านี้ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงทั้งในเชิงปริมาณและคุณภาพ
การเปลี่ยนอัตราของปฏิกิริยาเคมีหรือทิศทางโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมและการขนส่งต่างๆ (ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เปลี่ยนไนโตรเจนออกไซด์จากก๊าซไอเสียรถยนต์ให้เป็นไนโตรเจนที่ไม่เป็นอันตราย)
ตัวเร่งปฏิกิริยามีสองประเภท
การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยที่ทั้งตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นอยู่ในสถานะการรวมกลุ่ม (เฟส) เดียวกัน
การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกันซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาและสารตั้งต้นอยู่ในระยะที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น การสลายตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์แมงกานีส (IV) ที่เป็นของแข็ง:
ตัวเร่งปฏิกิริยานั้นไม่ได้ถูกใช้ไปอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยา แต่ถ้าสารอื่นถูกดูดซับบนพื้นผิวของมัน (เรียกว่าพิษของตัวเร่งปฏิกิริยา) พื้นผิวก็จะใช้งานไม่ได้และจำเป็นต้องมีการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นมาใหม่ ดังนั้นก่อนที่จะทำปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา วัสดุตั้งต้นจะถูกทำให้บริสุทธิ์อย่างทั่วถึง
ตัวอย่างเช่นในการผลิตกรดซัลฟิวริกโดยวิธีการสัมผัสจะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นของแข็ง - วานาเดียม (V) ออกไซด์ V 2 O 5:
ในการผลิตเมทานอลจะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา "สังกะสี - โครเมี่ยม" ที่เป็นของแข็ง (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):
ตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ - เอนไซม์ - ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก โดยธรรมชาติทางเคมีพวกมันคือโปรตีน ปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อนเกิดขึ้นที่ความเร็วสูงในสิ่งมีชีวิตที่อุณหภูมิต่ำ
รู้จักสารที่น่าสนใจอื่น ๆ - สารยับยั้ง (จากภาษาละติน inhibere - เพื่อชะลอ) พวกมันทำปฏิกิริยากับอนุภาคออกฤทธิ์ที่ความเร็วสูงเพื่อสร้างสารประกอบออกฤทธิ์ต่ำ เป็นผลให้ปฏิกิริยาช้าลงอย่างรวดเร็วแล้วหยุดลง สารยับยั้งมักจะถูกเติมเข้าไปในสารต่างๆ โดยเฉพาะเพื่อป้องกันกระบวนการที่ไม่พึงประสงค์
ตัวอย่างเช่น สารละลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์จะถูกทำให้เสถียรโดยใช้สารยับยั้ง
ลักษณะของสารที่ทำปฏิกิริยา (องค์ประกอบ โครงสร้าง)
ความหมาย พลังงานกระตุ้นเป็นปัจจัยที่ส่งผลต่ออิทธิพลของธรรมชาติของสารที่ทำปฏิกิริยาต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา
หากพลังงานกระตุ้นต่ำ (< 40 кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к их взаимодействию, и скорость такой реакции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих реакциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.
หากพลังงานกระตุ้นสูง(> 120 กิโลจูล/โมล) ซึ่งหมายความว่าการชนกันระหว่างอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กันเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ทำให้เกิดปฏิกิริยา อัตราการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวจึงต่ำมาก ตัวอย่างเช่น ความคืบหน้าของปฏิกิริยาการสังเคราะห์แอมโมเนียที่อุณหภูมิปกติแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสังเกตเห็น
หากพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาเคมีมีค่าปานกลาง (40120 กิโลจูล/โมล) อัตราของปฏิกิริยาดังกล่าวจะเป็นค่าเฉลี่ย ปฏิกิริยาดังกล่าวรวมถึงปฏิกิริยาของโซเดียมกับน้ำหรือเอทิลแอลกอฮอล์ การลดสีของน้ำโบรมีนกับเอทิลีน ปฏิกิริยาของสังกะสีกับกรดไฮโดรคลอริก เป็นต้น
พื้นผิวสัมผัสของสารที่ทำปฏิกิริยา
อัตราของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของสสารซึ่งก็คือปฏิกิริยาที่ต่างกันนั้นขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของพื้นผิวนี้ สิ่งอื่น ๆ ที่เท่าเทียมกัน เป็นที่ทราบกันดีว่าชอล์กแบบผงละลายได้เร็วกว่ามากในกรดไฮโดรคลอริกมากกว่าชอล์กชิ้นที่มีน้ำหนักเท่ากัน
อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นมีสาเหตุหลักมาจาก เพิ่มพื้นผิวสัมผัสของสารตั้งต้นรวมถึงสาเหตุอื่น ๆ อีกหลายประการ เช่น การละเมิดโครงสร้างของโครงตาข่ายคริสตัลที่ "ถูกต้อง" สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าอนุภาคบนพื้นผิวของไมโครคริสตัลที่เกิดขึ้นนั้นมีปฏิกิริยามากกว่าอนุภาคเดียวกันบนพื้นผิวที่ "เรียบ"
ในอุตสาหกรรม เพื่อดำเนินการปฏิกิริยาที่ต่างกัน จะใช้ "ฟลูอิไดซ์เบด" เพื่อเพิ่มพื้นผิวสัมผัสของสารที่ทำปฏิกิริยา การจ่ายสารตั้งต้น และการกำจัดผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น ในการผลิตกรดซัลฟิวริก ไพไรต์จะถูกยิงโดยใช้ "ฟลูอิไดซ์เบด"
เอกสารอ้างอิงในการทำแบบทดสอบ:
ตารางคะแนน เมนเดเลเยฟ
ตารางการละลาย