Studiul vitezei unei reacții chimice șicondiţiile care afectează modificarea acesteia sunt tratate de una dintre domeniile chimiei fizice – cinetica chimică. Ea ia în considerare, de asemenea, mecanismele acestor reacții și validitatea lor termodinamică. Aceste studii sunt importante nu numai în scopuri științifice, ci și pentru controlul interacțiunii componentelor din reactoare în producția de tot felul de substanțe.
Viteza unei reacții este definită ca cevamodificarea concentrațiilor compușilor reacționați (ΔС) pe unitatea de timp (Δt). Formula matematică pentru viteza unei reacții chimice este următoarea:
ᴠ = ±∆C/∆t.
Viteza de reacție se măsoară în mol/l s, dacă are loc în întregul volum (adică reacția este omogenă) și în mol/m2∙с, dacă interacțiunea are loc la suprafață,faza de separare (adică reacția este eterogenă). Semnul „–” din formulă se referă la modificarea valorilor concentrațiilor reactanților inițiali, iar semnul „+” la variația valorilor concentrațiilor produselor aceleiași reacții.
Interacțiunile chimice potefectuate la viteze diferite. Astfel, rata de creștere a stalactitelor, adică formarea carbonatului de calciu, este de numai 0,5 mm la 100 de ani. Unele reacții biochimice sunt lente, cum ar fi fotosinteza și sinteza proteinelor. Coroziunea metalelor are loc într-un ritm destul de scăzut.
Reacțiile pot fi caracterizate prin viteza medie,necesitând una până la câteva ore. Un exemplu este gătitul, care este însoțit de descompunerea și transformarea compușilor conținuti în produse. Sinteza polimerilor individuali necesită încălzirea amestecului de reacție pentru un anumit timp.
Un exemplu de reacție chimică a cărei vitezădestul de mare, pot servi reacțiile de neutralizare, interacțiunea bicarbonatului de sodiu cu o soluție de acid acetic, însoțită de eliberarea de dioxid de carbon. Mai putem aminti de interacțiunea azotatului de bariu cu sulfatul de sodiu, în care se observă precipitarea sulfatului de bariu insolubil.
Un număr mare de reacții pot avea loc cu viteza fulgerului și sunt însoțite de o explozie. Un exemplu clasic este interacțiunea potasiului cu apa.
Trebuie remarcat faptul că aceleași substanțe potreacționează între ele la viteze diferite. Deci, de exemplu, un amestec de oxigen gazos și hidrogen poate să nu dea semne de interacțiune pentru o perioadă destul de lungă de timp, cu toate acestea, atunci când recipientul este scuturat sau lovit, reacția devine explozivă. Prin urmare, cinetica chimică a identificat anumiți factori care au capacitatea de a influența viteza unei reacții chimice. Acestea includ:
O astfel de diferență semnificativă în ratele reacțiilor chimice este explicată prin diferite energii de activare (Eși).Este înțeles ca o anumită cantitate de energie în exces în comparație cu valoarea medie necesară unei molecule în timpul unei coliziuni pentru a avea loc o reacție. Se măsoară în kJ / mol și valorile sunt de obicei în intervalul 50-250.
Este general acceptat că dacă Eși\u003d 150 kJ / mol pentru orice reacție, apoi la n. y.practic nu curge. Această energie este cheltuită pentru depășirea repulsiei dintre moleculele de substanțe și pentru slăbirea legăturilor din substanțele inițiale. Cu alte cuvinte, energia de activare caracterizează puterea legăturilor chimice din substanțe. Prin valoarea energiei de activare, se poate estima preliminar viteza unei reacții chimice:
Dependența vitezei de reacție de concentrație este cel mai precis caracterizată de legea acțiunii masei (LMA), care spune:
Viteza unei reacții chimice este directădependență proporțională de produsul concentrațiilor de substanțe care reacţionează, ale căror valori sunt luate în grade corespunzătoare coeficienţilor lor stoichiometrici.
Această lege este potrivită pentru reacțiile elementare într-o etapă sau orice etapă a interacțiunii substanțelor, caracterizată printr-un mecanism complex.
Dacă doriți să determinați viteza unei reacții chimice, a cărei ecuație poate fi scrisă condiționat ca:
αА+ bB = ϲС, atunci,
în conformitate cu formularea de mai sus a legii, viteza poate fi găsită prin ecuația:
V=k [A]și[B]bUnde
a și b sunt coeficienți stoichiometrici,
[A] și [B] sunt concentrațiile compușilor de pornire,
k este constanta de viteză a reacției considerate.
Semnificația coeficientului de viteză al unei reacții chimiceeste că valoarea sa va fi egală cu viteza dacă concentrațiile compușilor sunt egale cu unități. Trebuie remarcat faptul că pentru calcularea corectă conform acestei formule, este necesar să se țină cont de starea agregată a reactivilor. Concentrația solidului se presupune a fi unitate și nu este inclusă în ecuație deoarece rămâne constantă în timpul reacției. Astfel, numai concentrațiile de substanțe lichide și gazoase sunt incluse în calculul conform MDM. Deci, pentru reacția de obținere a dioxidului de siliciu din substanțe simple, descrise de ecuație
Si(TELEVIZOR) +Ο2 litera (d) = SiΟ2(tv),
viteza va fi determinată de formula:
V=k[Ο2].
Cum s-ar schimba viteza reacției chimice a monoxidului de azot cu oxigenul dacă concentrațiile compușilor inițiali ar fi dublate?
Rezolvare: Acest proces corespunde ecuației reacției:
2ΝΟ + Ο2= 2ΝΟ2.
Să notăm expresiile pentru inițială (ᴠ1) și final (ᴠ2) viteze de reacție:
ᴠ1= k [ΝΟ]2[Ο2] și
ᴠ2= k (2 [ΝΟ])22 Ο2] = k 4[ΝΟ]22[Ο2].
Apoi, separați părțile din stânga și din dreapta:
ᴠ1/ᴠ2 = (k 4[ΝΟ]22[Ο2]) / (k [ΝΟ]2[Ο2]).
Valorile concentrației și constantele vitezei sunt reduse și rămân:
ᴠ2/ᴠ1 = 4 2/1 = 8.
Răspuns: a crescut de 8 ori.
Dependența vitezei unei reacții chimice detemperatura a fost determinată empiric de omul de știință olandez J. H. Van't Hoff. El a descoperit că rata multor reacții crește cu un factor de 2-4 la fiecare 10 grade de creștere a temperaturii. Pentru această regulă, există o expresie matematică care arată astfel:
ᴠ2 = ᴠ1γ(Τ2-Τ1)/10Unde
ᴠ1 și ᴠ2 sunt vitezele corespunzătoare la temperaturi Τ1 și Τ2;
γ - coeficient de temperatură, egal cu 2–4.
Cu toate acestea, această regulă nu explică mecanismulinfluența temperaturii asupra valorii vitezei unei anumite reacții și nu descrie întregul set de regularități. Este logic să concluzionam că odată cu creșterea temperaturii, mișcarea haotică a particulelor crește și acest lucru provoacă un număr mai mare de ciocniri ale acestora. Cu toate acestea, acest lucru nu afectează în mod special eficiența coliziunilor moleculare, deoarece depinde în principal de energia de activare. De asemenea, un rol semnificativ în eficiența ciocnirii particulelor îl joacă corespondența spațială între ele.
Dependența vitezei unei reacții chimice de temperatură, ținând cont de natura reactivilor, respectă ecuația Arrhenius:
k = A0e-Ea/RΤUnde
Adespre - multiplicator;
Eși este energia de activare.
Cum ar trebui modificată temperatura astfel încât viteza unei reacții chimice, al cărei coeficient de temperatură este numeric egal cu 3, să crească de 27 de ori?
Soluţie. Să folosim formula
ᴠ2 = ᴠ1γ(Τ2-Τ1)/10.
Din condiția ᴠ2/ᴠ1 = 27 și γ = 3. Trebuie să găsim ΔΤ = Τ2–Τ1.
Transformând formula originală, obținem:
V2/V1=γΔΤ/10.
Valori de înlocuire: 27=3ΔΤ/10.
Din aceasta este clar că ΔΤ/10 = 3 și ΔΤ = 30.
Răspuns: temperatura trebuie crescută cu 30 de grade.
În chimia fizică, viteza reacțiilor chimicestudiind activ şi secţiunea numită cataliză. El este interesat de cum și de ce cantități relativ mici de anumite substanțe cresc semnificativ rata de interacțiune a altora. Substanțele care pot accelera o reacție, dar nu sunt ele însele consumate se numesc catalizatori.
S-a dovedit că catalizatorii modifică mecanismulinteracțiunea chimică, contribuie la apariția unor noi stări de tranziție, care se caracterizează prin înălțimi mai mici ale barierei energetice. Adică, ele contribuie la o scădere a energiei de activare și, prin urmare, la o creștere a numărului de impacturi efective ale particulelor. Un catalizator nu poate provoca o reacție imposibilă din punct de vedere energetic.
Deci, peroxidul de hidrogen este capabil să se descompună cu formarea de oxigen și apă:
H2Ο2 = H2Ο + Ο2.
Dar această reacție este foarte lentă și în dulapurile noastre cu medicamenteexistă neschimbat de destul de mult timp. Când deschideți doar fiole foarte vechi de peroxid, puteți vedea un mic pop cauzat de presiunea oxigenului pe pereții vasului. Adăugarea doar a câtorva boabe de oxid de magneziu va provoca o eliberare activă de gaz.
Aceeași reacție de descompunere a peroxidului, dar deja subprin acțiunea catalazei, apare în timpul tratamentului rănilor. Există multe substanțe diferite în organismele vii care cresc viteza reacțiilor biochimice. Se numesc enzime.
Efect opus asupra reacțiilorfurnizează inhibitori. Cu toate acestea, acest lucru nu este întotdeauna rău. Inhibitorii sunt utilizați pentru a proteja produsele metalice de coroziune, pentru a prelungi durata de valabilitate a alimentelor, de exemplu, pentru a preveni oxidarea grăsimilor.
Dacă interacţiunea este întrecompuși care au stări agregate diferite, sau între substanțe care nu sunt capabile să formeze un mediu omogen (lichide nemiscibile), atunci acest factor afectează semnificativ și viteza unei reacții chimice. Acest lucru se datorează faptului că reacțiile eterogene sunt efectuate direct la interfața dintre fazele substanțelor care interacționează. Evident, cu cât această limită este mai largă, cu atât mai multe particule au posibilitatea de a se ciocni și cu atât reacția este mai rapidă.
De exemplu, lemnul arde mult mai repedesub formă de chipsuri mici, mai degrabă decât sub formă de buștean. În același scop, multe solide sunt măcinate într-o pulbere fină înainte de a fi adăugate la o soluție. Deci, creta sub formă de pudră (carbonat de calciu) acționează mai repede cu acidul clorhidric decât o bucată de aceeași masă. Cu toate acestea, pe lângă creșterea zonei, această tehnică duce și la o ruptură haotică a rețelei cristaline a substanței, ceea ce înseamnă că crește reactivitatea particulelor.
Din punct de vedere matematic, viteza unei reacții chimice eterogene se găsește ca o modificare a cantității de substanță (Δν) care apare pe unitate de timp (Δt) pe unitate de suprafață
(S): V = Δν/(S Δt).
O modificare a presiunii în sistem are un efectnumai atunci când gazele sunt implicate în reacție. O creștere a presiunii este însoțită de o creștere a moleculelor unei substanțe pe unitatea de volum, adică concentrația acesteia crește proporțional. În schimb, o scădere a presiunii duce la o scădere echivalentă a concentrației reactivului. În acest caz, formula corespunzătoare ZDM este potrivită pentru calcularea vitezei unei reacții chimice.
O sarcină. Cum va crește viteza reacției descrise de ecuație
2ΝΟ + Ο2 = 2ΝΟ2,
dacă volumul unui sistem închis este redus cu un factor de trei (T=const)?
Soluţie. Pe măsură ce volumul scade, presiunea crește proporțional. Să notăm expresiile inițialei (V1) și final (V2) viteze de reacție:
V1 = k [NΟ]2[Ο2] și
V2 = k (3 [NΟ])23 Ο2] = k 9[ΝΟ]23[Ο2].
Pentru a afla de câte ori noua viteză este mai mare decât cea inițială, ar trebui să împărțiți părțile din stânga și din dreapta ale expresiilor:
V1/V2 = (k 9[ΝΟ]23[Ο2]) / (k [ΝΟ]2[Ο2]).
Valorile concentrației și constantele vitezei sunt reduse și rămân:
V2/V1 = 9 3/1 = 27.
Răspuns: viteza a crescut de 27 de ori.
Rezumând, trebuie remarcat faptul că vitezaInteracțiunile substanțelor, sau mai degrabă, numărul și calitatea ciocnirilor particulelor lor, este influențată de mulți factori. În primul rând, este vorba despre energia de activare și geometria moleculelor, care sunt aproape imposibil de corectat. În ceea ce privește condițiile rămase, pentru o creștere a vitezei de reacție urmează:
