A kémiai reakció az egyik anyag átalakulása egy másikká.
Bármilyen típusú kémiai reakciókról is legyen szó, különböző sebességgel mennek végbe. Például a Föld beleiben a geokémiai átalakulások (kristályos hidrátok képződése, sók hidrolízise, ásványi anyagok szintézise vagy lebomlása) több ezer, millió éven keresztül mennek végbe. És az olyan reakciók, mint a lőpor, a hidrogén, a salétrom és a berthollet-só égése, a másodpercek töredékein belül lezajlik.
Sebesség alatt kémiai reakció a reagáló anyagok (vagy reakciótermékek) mennyiségének egységnyi idő alatti változására utal. A leggyakrabban használt fogalom átlagos reakciósebesség (Δc p) az időintervallumban.
v av = ± ∆C/∆t
Termékeknél ∆С > 0, kiindulási anyagoknál -∆С< 0. Наиболее употребляемая единица измерения - моль на литр в секунду (моль/л*с).
Az egyes kémiai reakciók sebessége számos tényezőtől függ: a reagáló anyagok természetétől, a reagáló anyagok koncentrációjától, a reakció hőmérsékletének változásától, a reagáló anyagok őrlésének mértékétől, nyomásváltozásoktól, katalizátor bevezetésétől. a reakcióközegbe.
A reagensek természete jelentősen befolyásolja a kémiai reakció sebességét. Példaként vegyük figyelembe néhány fém kölcsönhatását egy állandó komponenssel - vízzel. Határozzuk meg a fémeket: Na, Ca, Al, Au. A nátrium reakcióba lép vízzel normál hőmérséklet nagyon heves, váladékozással nagy mennyiségben melegség.
2Na + 2H 2O = 2NaOH + H2 + Q;
A kalcium normál hőmérsékleten kevésbé hevesen reagál vízzel:
Ca + 2H 2O = Ca(OH)2 + H2 + Q;
Az alumínium már a vízzel reagál emelkedett hőmérséklet:
2AI + 6H 2O = 2Al(OH)z + ZH2-Q;
Az arany pedig az inaktív fémek közé tartozik, sem normál, sem magasabb hőmérsékleten nem lép reakcióba.
A kémiai reakció sebessége közvetlenül függ attól a reagensek koncentrációja . Tehát a reakcióhoz:
C 2 H 4 + 3O 2 = 2CO 2 + 2H 2 O;
A reakciósebesség kifejezése a következő:
v = k**[O2]3;
ahol k egy kémiai reakció sebességi állandója, számszerűen megegyezik a reakció sebességével, feltéve, hogy a reagáló komponensek koncentrációja 1 g/mol; a [C 2 H 4 ] és [O 2 ] 3 értékei megfelelnek a reagáló anyagok sztöchiometrikus együtthatójuk erejéig emelt koncentrációknak. Hogyan nagyobb koncentráció[C 2 H 4 ] vagy [O 2 ], minél több ezeknek az anyagoknak a molekulái ütköznek egységnyi idő alatt, ezért annál nagyobb a kémiai reakció sebessége.
A kémiai reakciók sebessége általában szintén közvetlenül függ a reakció hőmérsékletén . Természetes, hogy a hőmérséklet emelkedésével a molekulák kinetikus energiája növekszik, ami egységnyi idő alatt nagyobb molekulaütközéshez is vezet. Számos kísérlet kimutatta, hogy minden 10 fokos hőmérséklet-változásnál a reakciósebesség 2-4-szeresére változik (nem Hoff szabály):
ahol V T 2 a kémiai reakció sebessége T 2 -nél; V ti a kémiai reakció sebessége T 1 -nél; g a reakciósebesség hőmérsékleti együtthatója.
Befolyás anyagok őrlési foka
a reakció sebessége is közvetlenül függ. Minél finomabbak a reagáló anyagok részecskéi, egységnyi idő alatt annál többször érintkeznek egymással, és annál nagyobb a kémiai reakció sebessége. Ezért a gáznemű anyagok vagy oldatok közötti reakciók általában gyorsabban mennek végbe, mint szilárd állapotban.
A nyomásváltozások befolyásolják a gáz halmazállapotú anyagok közötti reakció sebességét. Zárt térfogatban, állandó hőmérsékleten a reakció V 1 sebességgel megy végbe. Ha ebben a rendszerben növeljük a nyomást (tehát csökkentjük a térfogatot), akkor a reagáló anyagok koncentrációja nő, molekuláik ütköznek. időegységenkénti időnként növekedni fog, a reakciósebesség V 2 -re nő (v 2 > v 1).
Katalizátorok Olyan anyagok, amelyek megváltoztatják a kémiai reakció sebességét, de a kémiai reakció befejeződése után változatlanok maradnak. A katalizátorok hatását a reakció sebességére katalízisnek nevezik. A katalizátorok felgyorsíthatják és lelassíthatják a kémiai folyamatokat. Ha a kölcsönhatásban lévő anyagok és a katalizátor azonos aggregációs állapotban vannak, akkor homogén katalízisről beszélünk, heterogén katalízisnél pedig a reaktánsok és a katalizátor különböző aggregációs állapotúak. A katalizátor és a reagensek közbenső komplexet képeznek. Például egy reakcióhoz:
A katalizátor (K) komplexet képez A-val vagy B-vel - AK, VK, amely K-t szabadít fel egy szabad A vagy B részecskével való kölcsönhatás során:
AK + B = AB + K
VK + A = VA + K;
weboldalon, az anyag teljes vagy részleges másolásakor a forrásra mutató hivatkozás szükséges.
A kémiai reakció sebessége a reagensek koncentrációjának változása egységnyi idő alatt.
Homogén reakciókban a reakciótér a reakcióedény térfogatát jelenti, heterogén reakcióknál pedig azt a felületet, amelyen a reakció végbemegy. A reagáló anyagok koncentrációját általában mol/l-ben fejezik ki - az anyag mólszáma 1 liter oldatban.
A kémiai reakció sebessége függ a reagensek természetétől, koncentrációjától, hőmérsékletétől, nyomásától, az anyagok érintkezési felületétől és természetétől, valamint a katalizátorok jelenlététől.
A kémiai kölcsönhatásba lépő anyagok koncentrációjának növekedése a kémiai reakció sebességének növekedéséhez vezet. Ez azért történik, mert minden kémiai reakció bizonyos számú reagáló részecske (atomok, molekulák, ionok) között megy végbe. Minél több ilyen részecske van a reakciótér térfogatában, annál gyakrabban ütköznek, és kémiai kölcsönhatás lép fel. A kémiai reakció egy vagy több elemi cselekmény (ütközés) révén is létrejöhet. A reakcióegyenlet alapján felírhatunk egy kifejezést a reakciósebességnek a reaktánsok koncentrációjától való függésére. Ha csak egy molekula vesz részt egy elemi cselekményben (a bomlási reakció során), a függőség a következő formában lesz:
v= k*[A]
Ez a monomolekuláris reakció egyenlete. Amikor két különböző molekula kölcsönhatásba lép egy elemi aktusban, a függőség a következőképpen alakul:
v= k*[A]*[B]
A reakciót bimolekulárisnak nevezzük. Három molekula ütközése esetén a kifejezés érvényes:
v= k*[A]*[B]*[C]
A reakciót trimolekulárisnak nevezzük. Együttható megnevezések:
v — reakciósebesség;
[A], [B], [C] a reagáló anyagok koncentrációi;
k – arányossági együttható; reakciósebesség-állandónak nevezzük.
Ha a reagensek koncentrációja eggyel (1 mol/l) vagy szorzatuk eggyel egyenlő, akkor v = k.. A sebességi állandó a reaktánsok természetétől és a hőmérséklettől függ. Az egyszerű reakciók (azaz egy elemi aktuson keresztül végbemenő reakciók) sebességének a koncentrációtól való függését a tömeghatás törvénye írja le: a kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reagensek sztöchiometrikus együtthatóinak hatványára emelt koncentrációjának szorzatával.
Nézzük például a 2NO + O 2 = 2NO 2 reakciót.
Benne v= k* 2 *
Abban az esetben, ha a kémiai reakció egyenlete nem felel meg az elemi kölcsönhatásnak, hanem csak a reagált anyagok tömege és a képződött anyagok közötti összefüggést tükrözi, akkor a koncentráció foka nem lesz egyenlő a kölcsönhatás elemi aktusával. a reakcióegyenletben a megfelelő anyagok képletei előtt megjelenő együtthatók. Több szakaszban lezajló reakció esetén a reakció sebességét a leglassabb (korlátozó) szakasz sebessége határozza meg.
A reakciósebességnek a reagensek koncentrációjától való függése gázokra és oldatban lejátszódó reakciókra érvényes. A szilárd anyagokat érintő reakciók nem engedelmeskednek a tömeghatás törvényének, mivel a molekulák kölcsönhatása csak a fázis határfelületén megy végbe. Következésképpen a heterogén reakció sebessége a reagáló fázisok érintkezési felületének méretétől és jellegétől is függ. Minél nagyobb a felület, annál gyorsabban megy végbe a reakció.
A hőmérséklet hatása a kémiai reakció sebességére
A hőmérséklet hatását a kémiai reakció sebességére a Van't Hoff-szabály határozza meg: minden 10. hőmérséklet-emelkedéssel ° C, a reakciósebesség 2-4-szeresére nő. Matematikailag ezt a szabályt a következő egyenlet fejezi ki:
v t2= v t1* g(t2-t1)/10
Ahol v t1És v t2 — reakciósebességek t2 és t1 hőmérsékleten; g - reakció hőmérsékleti együtthatója - egy szám, amely megmutatja, hogy a reakciósebesség hányszorosára nő a hőmérséklet növekedésével minden 10. ° C. A kémiai reakció sebességének ilyen jelentős függését a hőmérséklettől az magyarázza, hogy új anyagok képződése nem következik be a reagáló molekulák minden ütközésekor. Csak azok a molekulák (aktív molekulák) lépnek kölcsönhatásba, amelyek elegendő energiával rendelkeznek az eredeti részecskékben lévő kötések megszakításához. Ezért minden reakciót energiagát jellemez. Ennek legyőzéséhez a molekulának szüksége van aktivációs energia - némi többletenergiával, amellyel egy molekulának rendelkeznie kell ahhoz, hogy egy másik molekulával való ütközése új anyag képződéséhez vezessen. A hőmérséklet emelkedésével az aktív molekulák száma gyorsan növekszik, ami a Van't Hoff-szabály szerint a reakciósebesség meredek növekedéséhez vezet. Az egyes reakciók aktiválási energiája a reagensek természetétől függ.
Aktív ütközés elmélet lehetővé teszi bizonyos tényezők befolyásának magyarázatát a kémiai reakció sebességére. Ennek az elméletnek a főbb rendelkezései:
Az egyik legtöbb hatékony eszközök a kémiai reakciók sebességének befolyásolása - katalizátorok használata. TO atalizátorok - Ezek olyan anyagok, amelyek megváltoztatják a reakció sebességét, de a folyamat végén maguk is változatlanok maradnak összetételükben és tömegükben. Más szóval, a reakció pillanatában a katalizátor aktívan részt vesz a kémiai folyamatban, de a reakció végére a reagensek megváltoztatják kémiai összetétel, termékekké alakul, és a katalizátor eredeti formájában szabadul fel. A katalizátor szerepe jellemzően a reakció sebességének növelése, bár egyes katalizátorok inkább lassítják a folyamatot, mint felgyorsítják. A kémiai reakciók katalizátorok jelenléte miatti felgyorsulásának jelenségét ún katalízis,és lassítások - gátlás.
Egyes anyagoknak nincs katalitikus hatása, de adalékaik drámaian növelik a katalizátorok katalitikus képességét. Az ilyen anyagokat ún promóterek. Más anyagok (katalitikus mérgek) csökkentik, sőt teljesen blokkolják a katalizátorok hatását, ezt a folyamatot ún. katalizátormérgezés.
A katalízisnek két típusa van: homogénÉs heterogén. at homogén katalízis a reagensek, a termékek és a katalizátor egy fázist alkotnak (gáz vagy folyadék). Ebben az esetben nincs határfelület a katalizátor és a reagensek között.
Sajátosság heterogén katalízis az, hogy a katalizátorok (általában szilárd anyagok) más fázisállapotban vannak, mint a reakció reagensei és termékei. A reakció általában szilárd anyag felületén megy végbe.
A homogén katalízis során a katalizátor és a reagens között kisebb aktiválási energiájú reakció eredményeként köztes termékek képződnek. Heterogén katalízisben a sebesség növekedését a reaktánsok adszorpciója magyarázza a katalizátor felületén. Ennek eredményeként nő a koncentrációjuk, és nő a reakciósebesség.
A katalízis speciális esete az autokatalízis. Jelentése az, hogy egy kémiai folyamatot felgyorsít az egyik reakciótermék.
A „sebesség” fogalma meglehetősen gyakran megtalálható a szakirodalomban. A fizikából ismert, hogy minél nagyobb távolságot tesz meg egy anyagi test (egy személy, egy vonat, egy űrhajó) egy bizonyos idő alatt, annál nagyobb ennek a testnek a sebessége.
Hogyan mérhető egy olyan kémiai reakció sebessége, amely „sehova nem megy”, és nem tesz meg semmilyen távolságot? A kérdés megválaszolásához meg kell találnia, hogy mit Mindig megváltozik bármilyen kémiai reakció? Mivel minden kémiai reakció egy anyag megváltoztatásának folyamata, az eredeti anyag eltűnik benne, reakciótermékekké alakulva. Így egy kémiai reakció során az anyag mennyisége mindig változik, a kiindulási anyagok részecskéinek száma csökken, és ezért a koncentráció (C).
Egységes államvizsga-feladat. A kémiai reakció sebessége arányos a változással:
Hasonlítsa össze a válaszát a helyesel:
a kémiai reakció sebessége egyenlő a reaktáns koncentrációjának egységnyi idő alatti változásával
Ahol C 1És 0-tól- a reagensek végső és kezdeti koncentrációi; t 1És t 2- a kísérlet időpontja, a végső és a kezdeti időtartam, ill.
Kérdés.Ön szerint melyik érték nagyobb: C 1 vagy 0-tól? t 1 vagy t 0?
Mivel a reagensek egy adott reakcióban mindig elfogynak, akkor
Így ezeknek a mennyiségeknek az aránya mindig negatív, a sebesség pedig nem lehet negatív mennyiség. Ezért egy mínuszjel jelenik meg a képletben, amely egyidejűleg jelzi, hogy a sebesség bármilyen időbeli reakciók (állandó körülmények között) mindig csökken.
Tehát a kémiai reakció sebessége:
Felmerül a kérdés: milyen mértékegységekben kell mérni a reaktánsok (C) koncentrációját és miért? Ahhoz, hogy válaszolni tudj rá, meg kell értened, mi az a feltétel fő- hogy bármilyen kémiai reakció bekövetkezzen.
Ahhoz, hogy a részecskék reagálhassanak, legalább ütközniük kell. azért minél nagyobb a részecskék száma* (mólszám) egységnyi térfogatban, minél gyakrabban ütköznek, annál nagyobb a kémiai reakció valószínűsége.
* Olvassa el, mi az a „vakond” a 29.1 leckében.
Ezért a kémiai folyamatok sebességének mérésekor alkalmazzák moláris koncentráció reagáló keverékekben lévő anyagok.
Egy anyag moláris koncentrációja azt mutatja meg, hogy hány mol van belőle 1 liter oldatban
Tehát minél nagyobb a reagáló anyagok moláris koncentrációja, annál több részecske van egységnyi térfogatban, annál gyakrabban ütköznek, és annál nagyobb (minden más tényező azonossága mellett) a kémiai reakció sebessége. Ezért a kémiai kinetika (ez a kémiai reakciók sebességének tudománya) alaptörvénye az tömegcselekvés törvénye.
A kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reaktánsok koncentrációjának szorzatával.
Az A + B →... típusú reakcióra ez a törvény matematikailag a következőképpen fejezhető ki:
Ha a reakció összetettebb, például 2A + B → vagy, ami ugyanaz, A + A + B → ..., akkor
Így a sebességegyenletben megjelent egy kitevő « két» , ami az együtthatónak felel meg 2 a reakcióegyenletben. Továbbiakért összetett egyenletekÁltalában nem használnak nagy kitevőket. Ez annak köszönhető, hogy mondjuk három A molekula és két B molekula egyidejű ütközésének valószínűsége rendkívül kicsi. Ezért sok reakció több szakaszban megy végbe, amelyek során legfeljebb három részecske ütközik, és a folyamat minden szakasza bizonyos sebességgel megy végbe. Ezt a sebességet és a sebesség kinetikai egyenletét kísérleti úton határozzuk meg.
A fenti (3) vagy (4) kémiai reakciósebesség egyenletek csak erre érvényesek homogén reakciók, azaz olyan reakciók esetében, amikor a reagáló anyagokat a felület nem választja el. Például egy reakció vizes oldatban megy végbe, és mindkét reagens jól oldódik vízben vagy bármilyen gázkeverékben.
Más kérdés, hogy mikor történik meg heterogén reakció. Ebben az esetben interfész van a reagáló anyagok, például a szén-dioxid között gáz vízzel reagál megoldás lúgok. Ebben az esetben bármely gázmolekula ugyanolyan valószínűséggel reagál, mivel ezek a molekulák gyorsan és kaotikusan mozognak. Mi a helyzet a folyékony oldat részecskéivel? Ezek a részecskék rendkívül lassan mozognak, és azoknak a lúgrészecskéknek, amelyek „alul” vannak, gyakorlatilag esélyük sincs szén-dioxiddal reagálni, hacsak nem folyamatosan keverik az oldatot. Csak azok a részecskék reagálnak, amelyek „a felszínen hevernek”. Tehát azért heterogén reakciók -
a reakciósebesség a határfelület nagyságától függ, ami a köszörüléssel növekszik.
Ezért nagyon gyakran összetörik a reagáló anyagokat (például vízben feloldják), az ételt alaposan megrágják, és a főzés során - megőrlik, átengedik egy húsdarálón stb. A nem összetört élelmiszert gyakorlatilag nem emészthető!
Így maximális sebességgel (minden más egyenlőség mellett) homogén reakciók mennek végbe az oldatokban és a gázok között (ha ezek a gázok környezeti körülmények között reagálnak), sőt olyan oldatokban, ahol a molekulák „egymás mellett” helyezkednek el, és az őrlés a ugyanúgy, mint a gázoknál (és még több is!), a reakciósebesség nagyobb.
Egységes államvizsga-feladat. Melyik reakció megy végbe a leggyorsabban szobahőmérsékleten:
IN ebben az esetben meg kell találnunk, hogy melyik folyamat homogén.
Megjegyzendő, hogy a gázok közötti kémiai reakció vagy egy heterogén reakció sebessége, amelyben gáz vesz részt, a nyomástól is függ, mivel a nyomás növekedésével a gázok összenyomódnak és a részecskék koncentrációja nő (lásd a 2. képletet). A nyomásváltozások nem befolyásolják azon reakciók sebességét, amelyekben gázok nem vesznek részt.
Egységes államvizsga-feladat. A savoldat és a vas közötti kémiai reakció sebessége nem változik
És végül a reakció sebessége az anyagok reakciókészségétől is függ. Például, ha az oxigén reakcióba lép egy anyaggal, akkor, ha más feltételek megegyeznek, a reakciósebesség nagyobb lesz, mint amikor ugyanaz az anyag kölcsönhatásba lép nitrogénnel. Az a tény, hogy az oxigén reakcióképessége észrevehetően magasabb, mint a nitrogéné. Ennek a jelenségnek az okát az Öntanító következő részében (14. lecke) nézzük meg.
Egységes államvizsga-feladat. A kémiai reakció a sósav és
Meg kell jegyezni, hogy a molekulák nem minden ütközése vezet kémiai kölcsönhatásukhoz (kémiai reakció). Hidrogén és oxigén gázkeverékében at normál körülmények között másodpercenként több milliárd ütközés történik. De a reakció első jelei (vízcseppek) csak néhány év múlva jelennek meg a lombikban. Ilyen esetekben azt mondják, hogy a reakció gyakorlatilag nem működik. De ő lehetséges, különben mivel magyarázható, hogy ha ezt a keveréket 300 °C-ra melegítjük, a lombik gyorsan bepárásodik, és 700 °C-on szörnyű robbanás történik! Nem véletlenül nevezik a hidrogén és oxigén keverékét „robbanásveszélyes gáznak”.
Kérdés. Mit gondol, miért növekszik meg olyan meredeken a reakciósebesség, ha melegítjük?
A reakciósebesség növekszik, mert egyrészt nő a részecskeütközések száma, másrészt a részecskeütközések száma. aktívütközések. A részecskék aktív ütközései vezetnek kölcsönhatásukhoz. Ahhoz, hogy egy ilyen ütközés bekövetkezzen, a részecskéknek bizonyos mennyiségű energiával kell rendelkezniük.
Azt az energiát, amellyel a részecskéknek rendelkezniük kell egy kémiai reakció lezajlásához, aktiválási energiának nevezzük.
Ezt az energiát az atomok és molekulák külső elektronjai közötti taszító erők leküzdésére, valamint a „régi” kémiai kötések lebontására fordítják.
Felmerül a kérdés: hogyan lehet növelni a reagáló részecskék energiáját? A válasz egyszerű - növelje a hőmérsékletet, mivel a hőmérséklet emelkedésével nő a részecskék mozgási sebessége, és ennek következtében a kinetikus energiájuk.
Szabály van't Hoff*:
Minden 10 fokos hőmérséklet-emelkedéssel a reakciósebesség 2-4-szeresére nő.
VANT-HOFF Jacob Hendrik(1852.08.30–1911.03.01) - holland vegyész. A fizikai kémia és a sztereokémia egyik megalapítója. Nobel-díj kémiából 1. sz. (1901).
Megjegyzendő, hogy ezt a szabályt (nem törvényt!) kísérletileg azokra a reakciókra hozták létre, amelyek mérésre „kényelmesek”, vagyis olyan reakciókra, amelyek sem nem túl gyorsan, sem túl lassan, és a kísérletvezető számára elérhető hőmérsékleten (nem túlságosan) zajlanak le. magas és nem túl alacsony).
Kérdés. Ön szerint mi a leggyorsabb módja a burgonya főzésének: főzzük meg vagy süssük meg egy réteg olajban?
A leírt jelenségek jelentésének megfelelő megértése érdekében összehasonlíthatja a reakcióba lépő molekulákat a magasba ugrásra készülő tanulók csoportjával. Ha 1 m magas sorompót kapnak, akkor a tanulóknak fel kell futniuk (emelni kell a „hőmérsékletüket”), hogy leküzdjék a korlátot. Mindazonáltal mindig lesznek olyan hallgatók („inaktív molekulák”), akik nem fogják tudni leküzdeni ezt a korlátot.
Mit tegyek? Ha betartja az elvet: „Okos ember nem mászik meg a hegyet, az okos ember megkerüli a hegyet”, akkor egyszerűen engedje le a korlátot, mondjuk 40 cm-re, akkor bármelyik diák képes lesz legyőzni akadály. Molekuláris szinten ez azt jelenti: a reakciósebesség növeléséhez egy adott rendszerben csökkenteni kell az aktiválási energiát.
A valódi kémiai folyamatokban ezt a funkciót egy katalizátor látja el.
Katalizátor olyan anyag, amely megváltoztatja a kémiai reakció sebességét, miközben megmarad változatlan a kémiai reakció vége felé.
Katalizátor részt vesz kémiai reakcióban, kölcsönhatásba lépve egy vagy több kiindulási anyaggal. Ilyenkor közbenső vegyületek képződnek, és megváltozik az aktiválási energia. Ha az intermedier aktívabb (aktív komplex), akkor az aktiválási energia csökken és a reakció sebessége nő.
Például a SO 2 és az O 2 közötti reakció normál körülmények között nagyon lassan megy végbe gyakorlatilag nem működik. De NO jelenlétében a reakciósebesség meredeken növekszik. Először NEM nagyon gyorsan O2-vel reagál:
keletkező nitrogén-dioxid gyors reagál kén(IV)-oxiddal:
Feladat 5.1. Ezzel a példával mutassa meg, melyik anyag katalizátor és melyik aktív komplex.
Ezzel szemben, ha több passzív vegyület keletkezik, akkor az aktiválási energia annyira megnőhet, hogy a reakció gyakorlatilag nem megy végbe ilyen körülmények között. Az ilyen katalizátorokat ún inhibitorok.
A gyakorlatban mindkét típusú katalizátort alkalmazzák. Tehát speciális szerves katalizátorok - enzimek- részt vesznek abszolút minden biokémiai folyamatban: ételemésztés, izomösszehúzódás, légzés. Élet nem létezhet enzimek nélkül!
Inhibitorokra van szükség a fémtermékek korrózió elleni védelméhez, a zsírtartalmú élelmiszerek oxidációtól (avasodástól) való védelméhez. Egyes gyógyszerek olyan inhibitorokat is tartalmaznak, amelyek gátolják a mikroorganizmusok létfontosságú funkcióit, és ezáltal elpusztítják azokat.
A katalízis lehet homogén vagy heterogén. A homogén katalízisre példa az NO (ez egy katalizátor) hatása a kén-dioxid oxidációjára. A heterogén katalízis egyik példája a hevített réz alkoholra gyakorolt hatása:
Ez a reakció két szakaszban megy végbe:
Feladat 5.2. Határozza meg, melyik anyag a katalizátor ebben az esetben? Miért nevezik ezt a fajta katalízist heterogénnek?
A gyakorlatban leggyakrabban heterogén katalízist alkalmaznak, ahol szilárd anyagok szolgálnak katalizátorként: fémek, oxidjaik stb. Ezen anyagok felületén speciális pontok (kristályrács csomópontok) találhatók, ahol a katalitikus reakció ténylegesen végbemegy. Ha ezeket a pontokat idegen anyagok borítják, akkor a katalízis leáll. Ezt a katalizátorra káros anyagot ún katalitikus méreg. Egyéb anyagok - promóterek- ellenkezőleg, fokozzák a katalitikus aktivitást.
A katalizátor megváltoztathatja a kémiai reakció irányát, vagyis a katalizátor megváltoztatásával különböző reakciótermékeket kaphatunk. Így a C 2 H 5 OH alkoholból cink és alumínium-oxidok jelenlétében butadién, tömény kénsav jelenlétében etilén nyerhető.
Így egy kémiai reakció során a rendszer energiája megváltozik. Ha a reakció során energia szabadul fel hő formájában K, ezt a folyamatot hívják hőtermelő:
Mert endo termikus folyamatok hő elnyelődik, azaz hőhatás K< 0 .
Feladat 5.3. Határozza meg, hogy a javasolt folyamatok közül melyik exoterm és melyik endoterm:
Egy kémiai reakció egyenlete, amelyben hőhatás, a reakció termokémiai egyenletének nevezzük. Egy ilyen egyenlet létrehozásához ki kell számítani a hőhatást 1 mól reagensre.
Feladat. 6 g magnézium elégetésekor 153,5 kJ hő szabadul fel. Írja fel a reakció termokémiai egyenletét!
Megoldás. Hozzuk létre a reakció egyenletét, és jelöljük FELÜL a megadott képleteket:
Az arány kiszámítása után megkapjuk a reakció kívánt termikus hatását:
Ennek a reakciónak a termokémiai egyenlete:
Az ilyen feladatokat a feladatok tartalmazzák többség Egységes államvizsga lehetőségek! Például.
Egységes államvizsga-feladat. A termokémiai reakcióegyenlet szerint
8 g metán elégetésekor felszabaduló hőmennyiség egyenlő:
* LE CHATELIER Henri Louis(1850.10.8–1936.09.17) - francia fizikai vegyész és kohász. Megfogalmazta az egyensúlyi elmozdulás általános törvényét (1884).
A reakciók lehetnek reverzibilisek vagy visszafordíthatatlanok.
Visszafordíthatatlan Ezek olyan reakciók, amelyeknél nincsenek olyan feltételek, amelyek mellett a fordított folyamat lehetséges.
Ilyen reakciók például azok a reakciók, amelyek akkor lépnek fel, amikor a tej megsavanyodik, vagy amikor egy finom szelet megég. Milyen lehetetlen kihagyni darált hús vissza a húsdarálón (és újra kap egy darab húst), a szelet „újraélesztése” vagy a friss tej elkészítése sem lehetséges.
De tegyünk fel magunknak egy egyszerű kérdést: visszafordíthatatlan a folyamat?
Ennek a kérdésnek a megválaszolásához próbáljuk meg emlékezni, hogy lehetséges-e fordított eljárás? Igen! A mészkő (kréta) lebontását égetett mész CaO előállítására ipari méretekben használják:
Így a reakció reverzibilis, mivel vannak olyan feltételek, amelyek között mindkét folyamat:
Ráadásul vannak olyan feltételek, amelyek mellett az előre irányuló reakció sebessége megegyezik a fordított reakció sebességével.
Ilyen körülmények között létrejön a kémiai egyensúly. Ekkor a reakció nem áll le, de a kapott részecskék száma megegyezik a lebomlott részecskék számával. azért képes kémiai egyensúly a reagáló részecskék koncentrációja nem változik. Például a folyamatunkra a kémiai egyensúly pillanatában
jel azt jelenti egyensúlyi koncentráció.
Felmerül a kérdés, hogy mi lesz az egyensúlyi helyzettel, ha a hőmérsékletet növeljük vagy csökkentjük, vagy más körülmények megváltoznak? Erre a kérdésre az ismeretben meg lehet válaszolni Le Chatelier elve:
ha megváltoztatja azokat a feltételeket (t, p, c), amelyek mellett a rendszer egyensúlyi állapotba kerül, akkor az egyensúly eltolódik a folyamat felé, ellenáll a változásnak.
Más szóval, egy egyensúlyi rendszer mindig ellenáll minden kívülről jövő befolyásnak, ahogy a szeszélyes gyermek, aki „ellentétesen” cselekszik, ellenáll szülei akaratának.
Nézzünk egy példát. Állítsuk be az egyensúlyt az ammóniaképző reakcióban:
Kérdések. A reagáló gázok mólszáma azonos a reakció előtt és után? Ha egy reakció zárt térben megy végbe, mikor nagyobb a nyomás: a reakció előtt vagy után?
Nyilvánvaló, hogy ez a folyamat a gázmolekulák számának csökkenésével megy végbe, ami azt jelenti nyomás a közvetlen reakció során csökken. IN fordított reakciók - éppen ellenkezőleg, a nyomás a keverékben növeli.
Tegyük fel magunknak a kérdést, mi lesz, ha ebben a rendszerben növekedés nyomás? Le Chatelier elve szerint az „ellentétesen cselekvő” reakció megy végbe, i.e. leereszti nyomás. Ez egy közvetlen reakció: kevesebb gázmolekula - kisebb nyomás.
Így, at növekedés nyomás hatására az egyensúly oldalra tolódik el közvetlen folyamat, Hol csökken a nyomás, ahogy a molekulák száma csökken gázok
Egységes államvizsga-feladat. at növekedés nyomásegyensúly eltolódik jobbra a rendszerben:
Ha a reakció következtében molekulák száma gázok nem változnak, akkor a nyomásváltozás nem befolyásolja az egyensúlyi helyzetet.
Egységes államvizsga-feladat. A nyomásváltozás befolyásolja a rendszer egyensúlyának eltolódását:
Ennek és minden más reakciónak az egyensúlyi helyzete a reagáló anyagok koncentrációjától függ: a kiindulási anyagok koncentrációjának növelésével és a keletkező anyagok koncentrációjának csökkentésével mindig a közvetlen reakció felé toljuk el az egyensúlyt (jobbra).
Egységes államvizsga-feladat.
balra tolódik, amikor:
Az ammónia szintézis folyamata exoterm, azaz hőleadás kíséri, azaz hőmérséklet emelkedés a keverékben.
Kérdés. Hogyan fog elmozdulni az egyensúly ebben a rendszerben, amikor hőmérséklet csökkenés?
Hasonlóan vitatkozunk mi is következtetés: ha csökken hőmérsékleten az egyensúly az ammónia képződése felé tolódik el, mivel ebben a reakcióban hő szabadul fel, és a hőmérséklet emelkedik.
Kérdés. Hogyan változik a kémiai reakció sebessége a hőmérséklet csökkenésével?
Nyilvánvaló, hogy a hőmérséklet csökkenésével mindkét reakció sebessége meredeken csökken, azaz nagyon sokáig kell várni a kívánt egyensúly létrejöttére. Mit tegyek? Ebben az esetben szükséges katalizátor. Bár ő nem befolyásolja az egyensúlyi helyzetet, de felgyorsítja ennek az állapotnak a kialakulását.
Egységes államvizsga-feladat. Kémiai egyensúly a rendszerben
a reakciótermék képződése felé tolódik el, ha:
A kémiai reakció sebessége a következőktől függ:
Az egyensúly akkor jön létre, ha az előrehaladó reakció sebessége megegyezik a fordított folyamat sebességével. Ebben az esetben a reaktánsok egyensúlyi koncentrációja nem változik. A kémiai egyensúly állapota a feltételektől függ, és engedelmeskedik Le Chatelier elvének.
Rendszerek. De ez az érték nem tükrözi a reakció bekövetkezésének valós lehetőségét, annak sebességés mechanizmus.
Egy kémiai reakció teljes megértéséhez ismernie kell, hogy milyen időbeli mintázatok léteznek a végrehajtása során, pl. kémiai reakció sebességeés részletes mechanizmusa. Tanulmányozza a reakció sebességét és mechanizmusát kémiai kinetika– a tudomány kémiai folyamat.
A kémiai kinetika szempontjából a reakciók osztályozhatók egyszerűvé és összetetté.
Egyszerű reakciók– közbenső vegyületek képződése nélkül lezajló folyamatok. A benne részt vevő részecskék száma szerint felosztják őket monomolekuláris, bimolekuláris, trimolekuláris. 3-nál több részecske ütközése nem valószínű, ezért a trimolekuláris reakciók meglehetősen ritkák, a négymolekuláris reakciók pedig nem ismertek. Komplex reakciók– több elemi reakcióból álló folyamatok.
Bármely folyamat a velejáró sebességgel megy végbe, amelyet egy bizonyos idő alatt bekövetkező változások határozhatnak meg. Átlagos kémiai reakció sebessége anyagmennyiség változtatásával fejezzük ki n elfogyasztott vagy kapott anyag térfogategységenként V egységnyi idő alatt t.
υ = ± dn/ dt· V
Ha egy anyagot fogyasztunk, akkor „-” jelet teszünk, ha felhalmozódik, akkor „+” jelet teszünk.
Állandó hangerőn:
υ = ± dC/ dt,
Reakciósebesség mértékegysége mol/l s
Általában a υ egy állandó érték, és nem függ attól, hogy a reakcióban melyik anyagot figyeljük.
A reagens vagy termék koncentrációjának a reakcióidőtől való függését a forma mutatja be kinetikai görbe, ami így néz ki:
Kényelmesebb a υ-t kísérleti adatokból kiszámítani, ha a fenti kifejezéseket a következő kifejezéssé alakítjuk:
Az egyik készítmény tömegcselekvés törvényeígy hangzik: Az elemi homogén kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reaktánsok koncentrációjának szorzatával.
Ha a vizsgált folyamat a következő formában van ábrázolva:
a A + b B = termékek
akkor egy kémiai reakció sebessége kifejezhető kinetikai egyenlet:
υ = k [A] a [B] b vagy
υ = k·C a A ·C b B
Itt [ A] És [B] (C A ÉsC B) - a reagensek koncentrációi,
a ésb– egy egyszerű reakció sztöchiometrikus együtthatói,
k– reakciósebesség állandó.
A mennyiség kémiai jelentése k- Ezt reakciósebesség egyszeri koncentrációban. Vagyis ha az A és B anyagok koncentrációja 1, akkor υ = k.
Figyelembe kell venni, hogy összetett kémiai folyamatokban az együtthatók a ésb nem esnek egybe a sztöchiometrikusakkal.
A tömeghatás törvénye akkor teljesül, ha több feltétel teljesül:
Összetett folyamatokhoz tömegcselekvés törvénye nem alkalmazható. Ez azzal magyarázható, hogy egy összetett folyamat több elemi szakaszból áll, és sebességét nem az összes szakasz teljes sebessége fogja meghatározni, hanem csak egy leglassabb szakasz, amely az ún. korlátozó.
Minden reakciónak megvan a sajátja rendelés. Határozza meg magán (rész)rendelés reagenssel és általános (teljes) rend. Például egy folyamat kémiai reakciójának sebességének kifejezésében
a A + b B = termékek
υ = k·[ A] a·[ B] b
a– sorrend reagens szerint A
b — sorrendben reagenssel IN
Általános eljárás a + b = n
Mert egyszerű folyamatok a reakciósorrend a reagáló fajták számát jelzi (egybeesik a sztöchiometrikus együtthatókkal), és egész értékeket vesz fel. Mert összetett folyamatok a reakció sorrendje nem esik egybe a sztöchiometrikus együtthatókkal, és bármilyen lehet.
Határozzuk meg a kémiai reakció sebességét υ befolyásoló tényezőket!
a tömeghatás törvénye határozza meg: υ = k[ A] a·[ B] b
Nyilvánvaló, hogy a reagensek növekvő koncentrációjával υ növekszik, mert nő a kémiai folyamatban részt vevő anyagok közötti ütközések száma. Sőt, fontos figyelembe venni a reakció sorrendjét: ha az n=1 bizonyos reagensek esetén annak sebessége egyenesen arányos ennek az anyagnak a koncentrációjával. Ha bármilyen reagensre n=2, akkor koncentrációjának megkétszerezése a reakciósebesség 2 2 = 4-szeres növekedéséhez vezet, a koncentráció 3-szoros növelése pedig 3 2 = 9-szeresére gyorsítja a reakciót.
Az életben különféle kémiai reakciókkal találkozunk. Némelyikük, például a vas rozsdásodása, több évig is eltarthat. Mások, például a cukor alkohollá erjesztése több hetet vesz igénybe. A tűzifa a kályhában néhány óra alatt, a benzin a motorban a másodperc töredéke alatt ég el.
A berendezések költségeinek csökkentése érdekében a vegyi üzemek növelik a reakciók sebességét. És bizonyos folyamatok, például károk élelmiszeripari termékek, fémek korróziója - lassítani kell.
A kémiai reakció sebességeúgy fejezhető ki anyagmennyiség változása (n, modulo) időegységenként (t) - hasonlítsa össze a mozgó test sebességét a fizikában a koordináták időegységenkénti változásaként: υ = Δx/Δt. Annak érdekében, hogy a sebesség ne függjön annak az edénynek a térfogatától, amelyben a reakció megy végbe, a kifejezést elosztjuk a reagáló anyagok térfogatával (v), azaz azt kapjuk, hogy egy anyag egységnyi idő/térfogat mennyiségének változása, ill az egyik anyag koncentrációjának változása egységnyi idő alatt:
ahol c = n/v az anyag koncentrációja,
A Δ (értsd: delta) az értékváltozás általánosan elfogadott megjelölése.
Ha az egyenletben az anyagoknak különböző együtthatói vannak, akkor az ezzel a képlettel kiszámított reakciósebesség mindegyikre eltérő lesz. Például 2 mól kén-dioxid 1 mól oxigénnel 10 másodperc alatt teljesen reakcióba lép 1 literben:
2SO2 + O2 = 2SO3
Az oxigén aránya a következő lesz: υ = 1: (10 1) = 0,1 mol/l s
Kén-dioxid sebessége: υ = 2: (10 1) = 0,2 mol/l s- ezt nem kell memorizálni és kimondani a vizsga során, a példa úgy van megadva, hogy ne tévesszen meg, ha ez a kérdés felmerül.
A heterogén reakciók (szilárd anyagokkal) sebességét gyakran az érintkező felületek egységnyi területén fejezik ki:
A reakciókat heterogénnek nevezzük, ha a reagensek különböző fázisokban vannak:
Az anyagok között homogén reakciók mennek végbe egy fázisban:
1) A reakciósebesség attól függ a reagensek természete. Egyszerűen fogalmazva, különböző anyagok reagálnak különböző sebességgel. Például a cink hevesen reagál a sósavval, míg a vas meglehetősen lassan.
2) Minél nagyobb a reakciósebesség, annál gyorsabb koncentráció anyagokat. A cink sokkal tovább reagál egy erősen híg savval.
3) A reakciósebesség jelentősen növekszik a növekedéssel hőmérséklet. Például az üzemanyag elégetéséhez meg kell gyújtani, azaz növelni kell a hőmérsékletet. Sok reakciónál a 10°C-os hőmérséklet-emelkedés 2-4-szeres sebességnövekedéssel jár.
4) Sebesség heterogén a reakciók növekedésével növekszik reagáló anyagok felülete. A szilárd anyagokat általában erre a célra őrlik. Például ahhoz, hogy a vas és a kénpor reagálhasson hevítéskor, a vasnak finom fűrészpor formájában kell lennie.
Felhívjuk figyelmét, hogy ebben az esetben az (1) képletről van szó! A (2) képlet az egységnyi területre eső sebességet fejezi ki, ezért nem függhet a területtől.
5) A reakció sebessége a katalizátorok vagy inhibitorok jelenlététől függ.
Katalizátorok- olyan anyagok, amelyek felgyorsítják a kémiai reakciókat, de nem fogyasztják. Példa erre a hidrogén-peroxid gyors bomlása katalizátor - mangán (IV) oxid - hozzáadásával:
2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2
A mangán(IV)-oxid az alján marad, és újra felhasználható.
Inhibitorok- a reakciót lassító anyagok. Például korróziógátló anyagokat adnak a vízmelegítő rendszerhez, hogy meghosszabbítsák a csövek és radiátorok élettartamát. Az autókban korróziógátló anyagokat adnak a fék- és hűtőfolyadékhoz.
Még néhány példa.
