על ידי לימוד שיעור התגובה הכימיתהתנאים המשפיעים על שינויו מטופלים על ידי אחד התחומים של הכימיה הפיזית - קינטיקה כימית. היא גם מחשיבה את מנגנוני התגובות הללו ואת תוקפם התרמודינמי. מחקרים אלה חשובים לא רק למטרות מדעיות, אלא גם לבקרת האינטראקציה של רכיבים בכורים בייצור חומרים שונים.
מהירות התגובה נקראת בדרך כללהשינוי בריכוזים של התרכובות המגובות (ΔС) ליחידת זמן (Δt). הנוסחה המתמטית לשיעור התגובה הכימית היא כדלקמן:
ᴠ = ± ΔC / Δt.
מדוד את קצב התגובה ב- mol / l ∙ s, אם הוא מתרחש בכל הנפח (כלומר, התגובה הומוגנית) וב mol / m2∙ ש, אם האינטראקציה מתרחשת על פני השטח,הפרדת שלב (כלומר, התגובה הטרוגנית). הסימן " -" בנוסחה מתייחס לשינוי בערכי ריכוזי החומרים המגיבים הראשוניים, וסימן "+" - לערכים המשתנים של ריכוזי התוצרים של אותה תגובה.
אינטראקציות כימיות יכולותמתבצע במהירויות שונות. אם כן, קצב הגידול של נטיפים, כלומר יצירת סידן פחמתי, הוא 0.5 מ"מ בלבד לכל 100 שנים. חלק מהתגובות הביוכימיות איטיות, כגון פוטוסינתזה וסינתזת חלבונים. קורוזיה של מתכות מתקדמת בקצב נמוך למדי.
מהירות ממוצעת יכולה להיות מאופיינת בתגובות,הדורש בין שעה למספר שעות. דוגמה לכך היא הכנת מזון, המלווה בפירוק ובהמרה של תרכובות הכלולות במזונות. סינתזה של פולימרים בודדים דורשת חימום של תערובת התגובה למשך זמן מסוים.
דוגמא לתגובות כימיות, שהקצב שלהןתגובות נטרול גבוהות למדי, האינטראקציה של נתרן ביקרבונט עם תמיסה של חומצה אצטית, מלווה בשחרור של פחמן דו חמצני, יכולה לשמש. אתה יכול גם להזכיר את האינטראקציה של בריום חנקתי עם נתרן סולפט, שבה נצפתה משקעים של בריום סולפט בלתי מסיס.
מספר רב של תגובות יכול להתקדם במהירות הבזק ומלוות בפיצוץ. דוגמה קלאסית היא אינטראקציה של אשלגן עם מים.
יש לציין כי אותם חומרים יכוליםלהגיב אחד עם השני בקצב שונה. כך, למשל, תערובת של חמצן גזי ומימן עשויה שלא להראות סימנים של אינטראקציה במשך זמן רב למדי, אולם כאשר המיכל מזועזע או נפגע, התגובה הופכת לנפיצה. לכן, קינטיקה כימית וזיהו גורמים מסוימים שיש להם את היכולת להשפיע על קצב התגובה הכימית. אלו כוללים:
הבדל כה משמעותי בשיעורי התגובות הכימיות מוסבר על ידי ערכים שונים של אנרגיית ההפעלה (Eא).היא מובנת ככמות עודפת מסוימת של אנרגיה בהשוואה לערכה הממוצע הנדרש למולקולה בהתנגשות על מנת שתתרחש תגובה. הוא נמדד ב- kJ / mol והערכים הם בדרך כלל בטווח של 50-250.
מקובל כי אם הא= 150 kJ / mol עבור כל תגובה, ואז ב- n. בְּ.זה כמעט לא דולף. אנרגיה זו מושקעת בהתגברות על הדחייה בין מולקולות החומרים ועל היחלשות הקשרים בחומרים המקוריים. במילים אחרות, אנרגיית ההפעלה מאפיינת את חוזק הקשרים הכימיים בחומרים. לפי ערך אנרגיית ההפעלה, ניתן להעריך מראש את קצב התגובה הכימית:
התלות של קצב התגובה בריכוז מאופיינת בצורה המדויקת ביותר בחוק הפעולה ההמונית (MAS), שכתוב עליה:
קצב התגובה הכימית הוא ישירתלות פרופורציונלית בתוצר ריכוזי החומרים המגיבים, שערכיהם נלקחים בכוחות המתאימים למקדמים הסטוכיומטרים שלהם.
חוק זה מתאים לתגובות יסודיות של שלב אחד, או לכל שלב באינטראקציה של חומרים, המאופיין במנגנון מורכב.
אם ברצונך לקבוע את קצב התגובה הכימית שאת משוואתה ניתן לכתוב באופן מקובל כך:
αА + bB = ϲС, אם כן,
בהתאם לניסוח החוק לעיל, ניתן למצוא את המהירות על ידי המשוואה:
V = k · [A]א· [B]בתוך, איפה
a ו- b הם מקדמים סטוכיומטרים,
[A] ו- [B] הם הריכוזים של התרכובות ההתחלתיות,
k הוא קבוע הקצב של התגובה הנחשבת.
המשמעות של מקדם הקצב של תגובה כימיתטמון בעובדה שערכו יהיה שווה לשיעור אם ריכוזי התרכובות שווים ליחידות. יש לציין כי לחישוב נכון באמצעות נוסחה זו כדאי לקחת בחשבון את מצב הצבירה של הריאגנטים. ריכוז המוצק נחשב לאחדות ואינו נכלל במשוואה, מכיוון שהוא נשאר קבוע במהלך התגובה. לפיכך, רק ריכוזים של חומרים נוזליים וגזים נכללים בחישוב עבור ZDM. אז, לתגובה של קבלת דו תחמוצת הסיליקון מחומרים פשוטים, המתוארים על ידי המשוואה
סִי(טֵלֶוִיזִיָה) + Ο2 (ד) = SiΟ2 (טלוויזיה),
המהירות תיקבע לפי הנוסחה:
V = k · [Ο2u
כיצד היה משתנה קצב התגובה הכימית של חנקן חד חמצני עם חמצן אם ריכוזי התרכובות ההתחלתיות יוכפלו?
פתרון: תהליך זה מתאים למשוואת התגובה:
2ΝΟ + Ο2= 2ΝΟ2.
הבה נכתוב ביטויים לראשוני (ᴠ1) וסופי (ᴠ2) שיעורי התגובה:
ᴠ1= k · [ΝΟ]2· [Ο2] ו
ᴠ2= k · (2 · [ΝΟ])2· 2 · [Ο2] = k · 4 [ΝΟ]2· 2 [Ο2u
השלב הבא הוא הפרדת הצד השמאלי והימני:
ᴠ1/ ᴠ2 = (k · 4 [ΝΟ]2· 2 [Ο2]) / (k · [ΝΟ]2· [Ο2]).
ערכי הריכוז וקביעי הקצב מופחתים, וזה נשאר:
ᴠ2/ ᴠ1 = 4 2/1 = 8.
תשובה: גדל פי 8.
תלות בקצב התגובה הכימית בהטמפרטורה נקבעה באופן אמפירי על ידי המדען ההולנדי ג'יי ה 'ואנט'ט הופ. הוא מצא כי קצב התגובות הרבות עולה בגורם 2-4 עם עלייה בטמפרטורה על כל 10 מעלות. לכלל זה יש ביטוי מתמטי שנראה כך:
ᴠ2 = ᴠ1Γ(Τ2-Τ1) / 10, איפה
ᴠ1 ו- ᴠ2 - המהירויות המתאימות בטמפרטורות Τ1 ו- Τ2;
γ - מקדם טמפרטורה, שווה ל 2-4.
עם זאת, כלל זה אינו מסביר את המנגנוןהשפעת הטמפרטורה על ערך קצב התגובה כזו או אחרת ואינה מתארת את מכלול הדפוסים. הגיוני להסיק שעם עלייה בטמפרטורה, התנועה הכאוטית של חלקיקים עולה וזה מעורר מספר רב יותר של התנגשויות שלהם. עם זאת, הדבר אינו משפיע במיוחד על יעילות ההתנגשות של מולקולות, מכיוון שהוא תלוי בעיקר באנרגיית ההפעלה. כמו כן, תפקיד משמעותי ביעילות התנגשויות החלקיקים ממלא את ההתאמה המרחבית שלהם זה לזה.
התלות של קצב התגובה הכימית בטמפרטורה, בהתחשב באופי המגיבים, מצייתת למשוואת Arrhenius:
k = א0· ה-Ea / RΤ, איפה
אo - מכפיל;
הא - אנרגיית הפעלה.
כיצד יש לשנות את הטמפרטורה כך ששיעור התגובה הכימית, שעבורו מקדם הטמפרטורה שווה מבחינה מספרית ל -3, יגדל בפקטור של 27?
פִּתָרוֹן. בואו נשתמש בנוסחה
ᴠ2 = ᴠ1Γ(Τ2-Τ1) / 10.
מהמצב ᴠ2/ ᴠ1 = 27, ו γ = 3. מצא את ΔΤ = Τ2–Τ1.
בהפיכת הנוסחה המקורית נקבל:
ב2/ ו1= γΔΤ / 10.
החלף את הערכים: 27 = 3ΔΤ / 10.
מכאן שברור ש ΔΤ / 10 = 3 ו- ΔΤ = 30.
תשובה: הטמפרטורה צריכה להיות מוגברת ב- 30 מעלות.
בכימיה הפיזיקלית קצב התגובות הכימיותהוא גם לומד באופן פעיל את החלק שנקרא קטליזה. הוא מתעניין כיצד ומדוע כמויות קטנות יחסית של חומרים מסוימים מגבירים משמעותית את קצב האינטראקציה של אחרים. חומרים כאלה שיכולים להאיץ את התגובה, אך אינם נצרכים בה בעצמם, נקראים זרזים.
הוכח כי זרזים משנים את המנגנון של עצםאינטראקציה כימית, תורמים להופעתם של מצבי מעבר חדשים, המתאפיינים בגובה מחסום אנרגיה נמוך יותר. כלומר, הם תורמים לירידה באנרגיית ההפעלה, ומכאן לעלייה במספר ההתנגשויות האפקטיביות של חלקיקים. הזרז אינו יכול לגרום לתגובה שהיא בלתי אפשרית מבחינה אנרגטית.
אז מי חמצן מסוגל להתפרק ליצירת חמצן ומים:
ח2Ο2 = H2Ο + Ο2.
אבל תגובה זו איטית מאוד ובערכות העזרה הראשונה שלנוהוא קיים ללא שינוי במשך די הרבה זמן. אם תפתחו רק בקבוקונים ישנים מאוד של חמצן, תוכלו להבחין בקפיצה קלה הנגרמת מלחץ החמצן על דפנות הכלי. תוספת של כמה גרגירי תחמוצת מגנזיום בלבד תעורר התפתחות גז פעיל.
אותה תגובה של פירוק חמצן, אבל כבר מתחתעל ידי פעולת קטלאז, מתרחשת במהלך הטיפול בפצעים. אורגניזמים חיים מכילים חומרים רבים ושונים המגבירים את קצב התגובות הביוכימיות. הם נקראים אנזימים.
השפעה הפוכה על מהלך התגובותיש מעכבים. עם זאת, זה לא תמיד דבר רע. מעכבים משמשים להגנה על מוצרי מתכת מפני קורוזיה, כדי להאריך את חיי המדף של מזון, למשל, למניעת חמצון שומן.
במקרה שהאינטראקציה עוברת ביןתרכובות בעלות מצבי צבירה שונים, או בין חומרים שאינם מסוגלים ליצור מדיום הומוגני (נוזלים שאינם ניתנים לניתוק), אזי גורם זה משפיע באופן משמעותי גם על קצב התגובה הכימית. זאת בשל העובדה שתגובות הטרוגניות מתבצעות ישירות בממשק בין שלבי החומרים האינטראקטיביים. ברור שככל שהגבול הזה רחב יותר כך יש לחלקיקים יותר אפשרות להתנגש והתגובה מתקדמת מהר יותר.
לדוגמה, עץ נשרף הרבה יותר מהרבצורה של שבבים קטנים ולא של בולי עץ. לאותה מטרה, מוצקים רבים נטחנים לאבקה דקה לפני הוספתם לתמיסה. אז, אבקת גיר (סידן פחמתי) פועלת מהר יותר עם חומצה כלורית מאשר חתיכה מאותה מסה. עם זאת, בנוסף להגדלת השטח, טכניקה זו מובילה גם לקרע כאוטי של סריג הגביש של החומר, מה שאומר שהיא מגבירה את תגובתיות החלקיקים.
מבחינה מתמטית, קצב התגובה הכימית הטרוגנית נמצא כשינוי בכמות החומר (Δν) המתרחשת ליחידת זמן (Δt) ליחידת שטח
(S): V = Δν / (S Δt).
לשינויים בלחץ המערכת יש השפעהרק במקרה בו גזים לוקחים חלק בתגובה. עלייה בלחץ מלווה בעלייה במולקולות החומר ליחידת נפח, כלומר ריכוזו עולה באופן יחסי. מנגד, הורדת הלחץ מובילה לירידה מקבילה בריכוז המגיב. במקרה זה, הנוסחה המתאימה ל- ZDM מתאימה לחישוב קצב התגובה הכימית.
מְשִׁימָה. כיצד יגדל קצב התגובה המתוארת במשוואה
2ΝΟ + Ο2 = 2ΝΟ2,
אם נפח המערכת הסגורה מופחת פי שלוש (T = const)?
פִּתָרוֹן. ככל שהנפח יורד, הלחץ עולה באופן יחסי. הבה נכתוב ביטויים לראשוני (V1) וגמר (V2) שיעורי התגובה:
ב1 = k · [NΟ]2· [Ο2] ו
ב2 = k · (3 · [NΟ])2· 3 · [Ο2] = k · 9 [ΝΟ]2· 3 [Ο2u
כדי לגלות כמה פעמים המהירות החדשה גדולה מהמהירות הראשונית, עליך להפריד בין החלקים השמאליים והימניים של הביטויים:
ב1/ ו2 = (k · 9 [ΝΟ]2· 3 [Ο2]) / (k · [ΝΟ]2· [Ο2]).
ערכי הריכוז וקביעי הקצב מופחתים, וזה נשאר:
ב2/ ו1 = 9 3/1 = 27.
תשובה: המהירות עלתה 27 פעמים.
לסיכום, יש לציין כי המהירותהאינטראקציה של חומרים, או יותר נכון, מספר ואיכות ההתנגשויות של חלקיקיהם מושפע מגורמים רבים. קודם כל, זוהי אנרגיית ההפעלה והגיאומטריה של המולקולות, שכמעט בלתי אפשרי לתקן אותן. באשר לשאר התנאים, לעלייה בקצב התגובה, נובע:
