Gyors reakció az egyik reagens moláris koncentrációjának változása határozza meg:
V = ± ((С 2 - С 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DC / Dt)
Ahol C 1 és C 2 az anyagok moláris koncentrációja t 1, illetve t 2 időpontban (előjel (+) - ha a sebességet a reakciótermék határozza meg, előjel ( -) - a kiindulási anyag).
Reakciók lépnek fel, amikor a reagáló anyagok molekulái ütköznek. Gyorsaságát az ütközések száma és annak valószínűsége határozza meg, hogy az átalakuláshoz vezet. Az ütközések számát a reagensek koncentrációja határozza meg, a reakció valószínűségét pedig az ütköző molekulák energiája határozza meg.
A kémiai reakciók sebességét befolyásoló tényezők.
1. A reagáló anyagok jellege. A kémiai kötések jellege és a reagensmolekulák szerkezete fontos szerepet játszik. A reakciók a kevésbé erős kötések elpusztítása és az erősebb kötésekkel rendelkező anyagok képződése irányába haladnak. Így nagy energiákra van szükség a H 2 és N 2 molekulák kötéseinek megszakításához; az ilyen molekulák nem túl reakcióképesek. A kötések megszakításához erősen poláris molekulákban (HCl, H 2O) kevesebb energiára van szükség, és a reakciósebesség sokkal magasabb. Az ionok közötti reakciók az elektrolit oldatokban szinte pillanatok alatt zajlanak.
Példák
A fluor robbanásszerűen reagál a hidrogénnel szobahőmérsékleten, a bróm lassan és hevítve reagál a hidrogénnel.
A kalcium -oxid erőteljesen reagál a vízzel, hőt szabadítva fel; réz -oxid - nem reagál.
2. Koncentráció. A koncentráció növekedésével (térfogat egységnyi részecskék száma) gyakrabban fordulnak elő reagáló anyagok molekuláinak ütközései - a reakciósebesség nő.
A tömeges cselekvés törvénye (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
A kémiai reakció sebessége közvetlenül arányos a reagensek koncentrációjának szorzatával.
AA + bB +. ... ... ®. ... ...
A k reakciósebesség -állandó a reagensek jellegétől, a hőmérséklettől és a katalizátortól függ, de nem függ a reagensek koncentrációjától.
A sebességállandó fizikai jelentése az, hogy egyenlő a reakciósebességgel a reagensek egységnyi koncentrációjában.
Heterogén reakciók esetén a szilárd fázis koncentrációja nem szerepel a reakciósebesség kifejezésében.
3. Hőmérséklet. A hőmérséklet emelkedésével minden 10 ° C-on a reakciósebesség 2-4-szeresére nő (Van't Hoff szabálya). A hőmérséklet t 1 -ről t 2 -re történő emelkedésével a reakciósebesség változása a következő képlettel számítható ki:
| |
|
(t 2 - t 1) / 10 |
| Vt 2 / Vt 1 | = g | |
(ahol Vt 2 és Vt 1 a reakciósebesség t 2 és t 1 hőmérsékleten; g ennek a reakciónak a hőmérsékleti együtthatója).
A Van't Hoff szabály csak szűk hőmérséklettartományban alkalmazható. Pontosabb az Arrhenius -egyenlet:
ahol
A - állandó, a reagáló anyagok jellegétől függően;
R az univerzális gázállandó;
Ea az aktiválási energia, azaz az energia, amellyel az ütköző molekuláknak rendelkezniük kell ahhoz, hogy az ütközés kémiai átalakuláshoz vezessen.
Egy kémiai reakció energiadiagramja.
| Exoterm reakció | Endoterm reakció |
A - reagensek, B - aktivált komplex (átmeneti állapot), C - termékek.
Minél nagyobb az Ea aktiválási energia, annál nagyobb a reakciósebesség a hőmérséklet emelkedésével.
4. A reagensek érintkezési felülete. Heterogén rendszerek esetén (ha az anyagok különböző aggregációs állapotokban vannak), minél nagyobb az érintkezési felület, annál gyorsabban megy végbe a reakció. A szilárd anyagok felülete összetöréssel, az oldható anyagok esetében pedig feloldással növelhető.
5. Katalízis. Azokat az anyagokat, amelyek részt vesznek a reakcióban és növelik annak sebességét, és a reakció végére változatlanok maradnak, katalizátoroknak nevezzük. A katalizátorok hatásmechanizmusa a reakció aktivációs energiájának csökkenéséhez kapcsolódik a köztes vegyületek képződése miatt. Nál nél homogén katalízis A reagensek és a katalizátor egy fázist alkotnak (ugyanabban az aggregációs állapotban vannak), amikor heterogén katalízis- különböző fázisok (különböző aggregációs állapotokban vannak). Bizonyos esetekben drasztikusan le lehet lassítani a nemkívánatos kémiai folyamatokat, ha inhibitorokat adunk a reakcióközeghez (ez a jelenség negatív katalízis").
7.1. Homogen és heterogén reakciók
A vegyi anyagok különböző aggregációs állapotokban lehetnek, miközben kémiai tulajdonságaik különböző állapotokban azonosak, de az aktivitásuk eltérő (ezt az utolsó előadásban egy kémiai reakció termikus hatásának példájával mutattuk be).
Fontolja meg az aggregált állapotok különböző kombinációit, amelyekben két A és B anyag lehet.
A (g.), B (g.) |
||||||||||||||||||||||||||||||
A (tv.), B (tv.) | A (f.), B (tv.) | keveredik | A (tv.), B (g.) | A (f.), B (g.) |
||||||||||||||||||||||||||
keveredik | (megoldás) | |||||||||||||||||||||||||||||
heterogén | heterogén | heterogén | homogén | heterogén | heterogén | homogén |
||||||||||||||||||||||||
Hg (f) + HNO3 | H2O + D2O | Fe + O2 | H2S + H2SO4 | CO + O2 |
||||||||||||||||||||||||||
A fázis egy kémiai rendszer azon része, amelyben a rendszer minden tulajdonsága állandó (azonos), vagy pontról pontra folyamatosan változik. Mindegyik szilárd fázis külön fázis, ezen kívül vannak oldat- és gázfázisok.
Homogénnek nevezik kémiai rendszer, amelyben minden anyag ugyanabban a fázisban van (oldatban vagy gázban). Ha több fázis van, akkor a rendszert hívják
heterogén.
Illetőleg kémiai reakció homogénnek nevezzük, ha a reagensek ugyanabban a fázisban vannak. Ha a reagensek különböző fázisokban vannak, akkor kémiai reakció heterogénnek nevezik.
Könnyen érthető, hogy mivel a kémiai reakcióhoz reagensek érintkezésére van szükség, az oldat vagy reakcióedény teljes térfogatában egyidejűleg homogén reakció megy végbe, míg a fázisok szűk határfelületén - a határfelületen - heterogén reakció lép fel. Így pusztán elméletileg a homogén reakció gyorsabban megy végbe, mint a heterogén.
Így továbblépünk a koncepcióhoz kémiai reakció sebessége.
Kémiai reakciósebesség. A cselekvő tömegek törvénye. Kémiai egyensúly.
7.2. Kémiai reakciósebesség
A kémia azon része, amely a kémiai reakciók sebességét és mechanizmusait tanulmányozza, a fizikai kémia része, és az ún kémiai kinetika.
A kémiai reakció sebessége az anyagmennyiség változása a reagáló rendszer térfogat egységére jutó időegységenként (homogén reakció esetén) vagy egységnyi felületen (heterogén reakció esetén).
Így, ha a kötet | vagy terület | felület |
|||||||||
nem változnak, akkor a kémiai reakciók sebességének kifejezései a következők: |
|||||||||||
hom o | |||||||||||
Az anyag mennyiségének és a rendszer térfogatának változása az adott anyag koncentrációjának változásaként értelmezhető.
Vegye figyelembe, hogy a reagensek esetében a kémiai reakció sebességének kifejezése mínusz jellel van írva, mivel a reagensek koncentrációja csökken, és a kémiai reakció sebessége általában pozitív.
A további következtetések egyszerű fizikai megfontolásokon alapulnak, amelyek a kémiai reakciót több részecske kölcsönhatásának következményének tekintik.
Az elemi (vagy egyszerű) egy kémiai reakció, amely egy szakaszban megy végbe. Ha több szakasz van, akkor ezeket a reakciókat komplex, összetett vagy durva reakcióknak nevezzük.
1867 -ben javasolták a kémiai reakció sebességének leírását tömeges cselekvés törvénye: egy elemi kémiai reakció sebessége, amely arányos a reagensek koncentrációjával a sztöchiometrikus együtthatók n A + m B P teljesítményében,
A, B - reagensek, P - termékek, n, m - együtthatók.
W = k n m
A k együtthatót kémiai reakció sebességállandójának nevezzük,
a kölcsönhatásba lépő részecskék jellegét jellemzi, és nem függ a részecskék koncentrációjától.
Kémiai reakciósebesség. A cselekvő tömegek törvénye. Kémiai egyensúly. Az n és m mennyiségeket nevezzük a reakció sorrendje anyag szerint A és B, illetve
összegük (n + m) - reakció sorrendje.
Elemi reakciók esetén a reakció sorrendje 1, 2 és 3 lehet.
Az 1 -es rendű elemi reakciókat monomolekulárisnak nevezzük, 2 -es sorrendben - bimolekulárisnak, 3 -as sorrendben - trimolekulárisnak az érintett molekulák számát tekintve. A harmadik rendnél magasabb elemi reakciók ismeretlenek - a számítások azt mutatják, hogy négy molekula egyidejű találkozása egy ponton túl hihetetlen esemény.
Mivel a komplex reakció az elemi reakciók egy bizonyos sorozatából áll, annak sebessége kifejezhető a reakció egyes szakaszainak sebességével. Ezért összetett reakciók esetén a sorrend tetszőleges lehet, beleértve a töredéket vagy a nullát (a reakció nulla sorrendje azt jelzi, hogy a reakció állandó sebességgel megy végbe, és nem függ a reagáló részecskék koncentrációjától W = k).
A komplex folyamat leglassabb szakaszát általában sebességkorlátozó szakasznak (sebességkorlátozó szakasznak) nevezik.
Képzeld el, hogy nagyszámú molekula ment el egy ingyenes moziba, de a bejáratnál van egy vezérlő, aki ellenőrzi az egyes molekulák korát. Ezért anyagáram lép be a mozi ajtaján, és a molekulák egyenként hatolnak be a moziterembe, azaz Olyan lassú.
Az elemi elsőrendű reakciókra példák a termikus vagy radioaktív bomlás folyamatai, illetve a k sebességállandó vagy a kémiai kötés megszakadásának valószínűségét, vagy az egységnyi időn belüli bomlás valószínűségét jellemzi.
Rengeteg példa van az elemi másodrendű reakciókra - ez a reakciófolyamat legismertebb módja - az A részecske beleütközött a B részecskébe, valamilyen átalakulás történt, és valami történt ott (vegye figyelembe, hogy a termékek elméletileg nem befolyásolnak semmit - minden figyelem csak a reagáló részecskékre).
Éppen ellenkezőleg, elég sok elemi, harmadik rendű reakció van, mivel meglehetősen ritka, hogy három részecske egyszerre találkozik.
Illusztrációként vegyük figyelembe a kémiai kinetika előrejelző erejét.
Kémiai reakciósebesség. A cselekvő tömegek törvénye. Kémiai egyensúly.
Elsőrendű kinetikai egyenlet
(szemléltető kiegészítő anyag)
Tekintsünk egy homogén elsőrendű reakciót, amelynek sebességállandója k, az A anyag kezdeti koncentrációja [A] 0.
Definíció szerint a homogén kémiai reakció sebessége |
||||||||||||||||||
K [A] | koncentrációváltozás időegységenként. Times anyag A - |
|||||||||||||||||
reagens, tegyen mínusz jelet. | ||||||||||||||||||
Egy ilyen egyenletet differenciálnak neveznek (van |
||||||||||||||||||
derivált) | ||||||||||||||||||
[A] | A megoldáshoz átvisszük a mennyiségeket a bal oldalra |
|||||||||||||||||
koncentráció, és a megfelelő időben. | ||||||||||||||||||
Ha két függvény származéka egyenlő, akkor maguk a függvények |
||||||||||||||||||
legfeljebb egy állandó értékkel térhet el. | ||||||||||||||||||
Ennek az egyenletnek a megoldásához vegye a bal oldali integrált (over |
||||||||||||||||||
koncentráció) és a jobb oldal (időben). Hogy ne ijedjünk meg |
||||||||||||||||||
ln [A] = −kt + C | hallgatók, a válaszra szorítkozunk. | |||||||||||||||||
Az ln jel a természetes logaritmus, azaz b szám olyan, hogy | ||||||||||||||||||
= [A], e = 2,71828 ... | ||||||||||||||||||
ln [A] - ln0 = - kt | A C állandó a kezdeti feltételekből származik: | |||||||||||||||||
t = 0 esetén a kezdeti koncentráció [A] 0 | ||||||||||||||||||
[A] | Logaritmus idők - | ez a szám ereje, használjuk a hatványok tulajdonságait |
||||||||||||||||
[A] 0 | e a− b = | |||||||||||||||||
Most szabaduljunk meg az ellentétes logaritmustól (lásd a definíciót |
||||||||||||||||||
logaritmus 6-7 sorral magasabb), | miért emeljük a számot | |||||||||||||||||
az egyenlet bal oldalának és az egyenlet jobb oldalának erejéig. | ||||||||||||||||||
[A] | E - kt | Szorozzuk meg [A] 0 -val | ||||||||||||||||
[A] 0 | ||||||||||||||||||
Elsőrendű kinetikai egyenlet. | ||||||||||||||||||
[A] = 0 × e - kt | Alapú | az első kinetikai egyenlete |
||||||||||||||||
rendelni lehet | számított | az anyag koncentrációja | ||||||||||||||||
bármikor | ||||||||||||||||||
Tanfolyamunk céljaira ez a következtetés tájékoztató jellegű, annak érdekében, hogy bemutassuk Önnek a matematikai készülék használatát a kémiai reakció lefolyásának kiszámításához. Következésképpen egy hozzáértő vegyész nem tudhatja a matematikát. Tanulj matekot!
Kémiai reakciósebesség. A cselekvő tömegek törvénye. Kémiai egyensúly. A reagensek és termékek koncentrációjának időbeli függőségének grafikonja az alábbiak szerint minőségileg ábrázolható (egy visszafordíthatatlan elsőrendű reakció példájával)
A reakciósebességet befolyásoló tényezők
1. A reagáló anyagok jellege
Például a következő anyagok reakciósebessége: H2S04, CH3COOH, H2S, CH3OH - hidroxid -ionnal a H -O kötés erősségétől függően eltérő lesz. Ennek a kötésnek az erősségének felméréséhez használhatja a hidrogénatom relatív pozitív töltésének értékét: minél nagyobb a töltés, annál könnyebb lesz a reakció.
2. Hőmérséklet
Az élettapasztalatok azt mutatják, hogy a reakciósebesség a hőmérséklettől függ, és a hőmérséklet növekedésével nő. Például a tej savanyítási folyamata gyorsabban megy végbe szobahőmérsékleten, és nem a hűtőszekrényben.
Térjünk rá a tömeges cselekvés törvényének matematikai kifejezésére.
W = k n m
Mivel ennek a kifejezésnek a bal oldala (reakciósebessége) a hőmérséklettől függ, ezért a kifejezés jobb oldala is a hőmérséklettől függ. Ebben az esetben a koncentráció természetesen nem függ a hőmérséklettől: például a tej megőrzi 2,5% -os zsírtartalmát mind a hűtőszekrényben, mind szobahőmérsékleten. Aztán, ahogy Sherlock Holmes szokta mondani, a maradék megoldás helyes, bármennyire furcsának is tűnik: a sebességállandó a hőmérséklettől függ!
Kémiai reakciósebesség. A cselekvő tömegek törvénye. Kémiai egyensúly. A reakciósebesség állandójának függését a hőmérséklettől az Arrhenius -egyenlet fejezi ki:
- É a
k = k0 eRT,
amiben
R = 8,314 J mol-1 K-1-univerzális gázállandó,
E a a reakció aktivációs energiája (lásd alább), hagyományosan független a hőmérséklettől;
k 0 egy pre-exponenciális tényező (azaz az e exponenciális előtt álló tényező), amelynek értéke szintén szinte független a hőmérséklettől, és mindenekelőtt a reakció sorrendje határozza meg.
Így a k0 értéke körülbelül 1013 s-1 elsőrendű reakció esetén, és 10-10 l mol-1 s-1 másodrendű reakció esetén,
harmadrendű reakció esetén-10 -33 l2 · mol-2 · s-1. Nem szükséges megjegyezni ezeket az értékeket.
Az egyes reakciók k0 pontos értékeit kísérletileg határozzuk meg.
Az aktiválási energia fogalma a következő ábrából világossá válik. Valójában az aktiválási energia az az energia, amellyel a reagáló részecskének rendelkeznie kell ahhoz, hogy a reakció bekövetkezzen.
Sőt, ha felmelegítjük a rendszert, akkor a részecskék energiája növekszik (pontozott grafikon), míg az átmeneti állapot (≠) ugyanazon a szinten marad. Az energiakülönbség az átmeneti állapot és a reagensek (aktivációs energia) között csökken, és az Arrhenius -egyenlet szerinti reakciósebesség nő.
Kémiai reakciósebesség. A cselekvő tömegek törvénye. Kémiai egyensúly. Az Arrhenius -egyenlet mellett létezik a Van't Hoff -egyenlet, amely
jellemzi a reakciósebesség függését a hőmérséklettől a γ hőmérsékleti együttható segítségével:
A γ hőmérsékleti együttható megmutatja, hogy a kémiai reakció sebessége hányszor nő, ha a hőmérséklet 10o -kal változik.
Van't Hoff egyenlet:
T 2− T 1
W (T 2) = W (T 1) × γ10
A γ együttható jellemzően 2 és 4 között van. Emiatt a vegyészek gyakran azt a megközelítést használják, hogy a hőmérséklet 20 ° -os emelkedése nagyságrenddel (azaz 10 -szeresére) növeli a reakciósebességet .
A USE kodifikátor témái:Gyors reakció. Függése különböző tényezőktől.
A kémiai reakció sebessége megmutatja, hogy egy adott reakció milyen gyorsan megy végbe. A kölcsönhatás akkor következik be, amikor a részecskék ütköznek a térben. Ebben az esetben a reakció nem minden ütközéskor megy végbe, hanem csak akkor, ha a részecske rendelkezik a megfelelő energiával.
Gyors reakció - a kölcsönhatásba lépő részecskék elemi ütközéseinek száma, kémiai átalakulással végződve, időegységenként.
A kémiai reakció sebességének meghatározása a végrehajtás feltételeivel függ össze. Ha a reakció homogén- azaz a termékek és a reagensek ugyanabban a fázisban vannak - akkor a kémiai reakció sebességét az anyag időegységenkénti változásaként határozzák meg:
υ = ΔC / Δt.
Ha a reagensek vagy termékek különböző fázisokban vannak, és a részecskék ütközése csak a határfelületen történik, akkor a reakciót ún. heterogén, és sebességét a reakciófelület egységenkénti időegységenkénti anyagmennyiség változása határozza meg:
υ = Δν / (S · Δt).
Hogyan lehet a részecskéket gyakrabban ütközni, azaz hogyan növelje a kémiai reakció sebességét?
1. A legegyszerűbb módszer az emelés hőfok ... Amint azt valószínűleg a fizika tanfolyamából tudja, a hőmérséklet az anyag részecskéinek átlagos mozgási energiájának mértéke. Ha megemeljük a hőmérsékletet, akkor bármely anyag részecskéi gyorsabban mozognak, és ezért gyakrabban ütköznek.
A hőmérséklet emelkedésével azonban a kémiai reakciók sebessége elsősorban annak köszönhető, hogy a tényleges ütközések száma nő. A hőmérséklet emelkedésével élesen megnő azoknak az aktív részecskéknek a száma, amelyek képesek leküzdeni a reakció energiagátját. Ha csökkentjük a hőmérsékletet, a részecskék lassabban kezdenek mozogni, csökken az aktív részecskék száma, és csökken a másodpercenként történő hatékony ütközések száma. És így, a hőmérséklet növekedésével a kémiai reakció sebessége nő, a hőmérséklet csökkenésével pedig csökken.
Jegyzet! Ez a szabály minden kémiai reakcióra (beleértve az exoterm és az endoterm reakciót) is ugyanúgy működik. A reakciósebesség nem függ a termikus hatástól. Az exoterm reakciók sebessége a hőmérséklet emelkedésével nő, a hőmérséklet csökkenésével csökken. Az endoterm reakciók sebessége is nő a hőmérséklet emelkedésével, és csökken a hőmérséklet csökkenésével.
Sőt, a 19. században Van't Hoff holland fizikus kísérletileg megállapította, hogy a legtöbb reakció körülbelül egyformán (körülbelül 2-4-szeresére) növeli a sebességet, amikor a hőmérséklet 10 ° C-kal emelkedik. A Van't Hoff-szabály úgy hangzik, mint ez: a hőmérséklet 10 ° C-kal történő növekedése a kémiai reakció sebességének 2-4-szeres növekedéséhez vezet (ezt az értéket a γ kémiai reakció sebességének hőmérsékleti együtthatójának nevezzük). A hőmérséklet -együttható pontos értékét minden reakciónál meg kell határozni.
Itt v 2 A reakciósebesség T 2 hőmérsékleten, v 1 a reakciósebesség T 1 hőmérsékleten, γ - a reakciósebesség hőmérsékleti együtthatója, Van't Hoff -együttható.
Bizonyos helyzetekben nem mindig lehetséges a reakció sebességének növelése a hőmérséklet segítségével, mert egyes anyagok lebomlanak, amikor a hőmérséklet emelkedik, egyes anyagok vagy oldószerek elpárolognak magasabb hőmérsékleten stb. megsértik a folyamat feltételeit.
2. Koncentráció. A változtatással növelheti a hatékony ütközések számát is koncentráció reaktánsok ... általában gázokhoz és folyadékokhoz használják, mint pl gázokban és folyadékokban a részecskék gyorsan mozognak és aktívan keverednek. Minél nagyobb a reagensek (folyadékok, gázok) koncentrációja, annál több a hatékony ütközés, és annál nagyobb a kémiai reakció sebessége.
Számos kísérlet alapján 1867 -ben P. Guldenberg és P. Vaage norvég tudósok munkáiban, és tőlük függetlenül 1865 -ben N.I. orosz tudós munkáiban. Beketov levezette a kémiai kinetika alaptörvényét, amely megállapítja a kémiai reakció sebességének függését a reagáló anyagok koncentrációjától:
A kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reaktánsok koncentrációjának szorzatával, amelynek teljesítménye megegyezik a kémiai reakcióegyenletben szereplő együtthatókkal.
Az alábbi kémiai reakció esetén: aA + bB = cC + dD, a tömeghatás törvényét a következőképpen írjuk fel:
itt v a kémiai reakció sebessége,
C A és C B - az A és B anyagok koncentrációja, mol / l
k - arányossági együttható, a reakciósebesség állandója.
Például, ammóniaképződés reakciójához:
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3
a tömeges cselekvés törvénye így néz ki:
A reakciósebesség -konstans azt a sebességet mutatja, amellyel az anyagok reagálnak, ha koncentrációjuk 1 mol / l, vagy a termékük 1. A kémiai reakció sebességállandója a hőmérséklettől függ, és nem függ a reagáló anyagok koncentrációjától.
A tömeghatás törvénye nem veszi figyelembe a szilárd anyagok koncentrációját, mert általában a felszínen reagálnak, és a felületre jutó részecskék száma nem változik.
A legtöbb esetben a kémiai reakció több egyszerű lépésből áll, ebben az esetben a kémiai reakció egyenlete csak a folyamatok teljes vagy végső egyenletét mutatja. Ebben az esetben a komplex kémiai reakció sebessége függ (vagy nem függ) a reagensek, köztes anyagok vagy katalizátor koncentrációjától; ezért a kinetikai egyenlet pontos formáját kísérletileg vagy a feltételezett reakciómechanizmus elemzéséről. Általában egy összetett kémiai reakció sebességét a leglassabb szakaszának sebessége határozza meg ( korlátozó szakasz).
3. Nyomás. A gázok esetében a koncentráció közvetlenül függ nyomás... A nyomás emelkedésével a gázok koncentrációja nő. A függőség matematikai kifejezése (ideális gáz esetén) a Mendelejev-Clapeyron egyenlet:
pV = νRT
Így ha a reagensek között gáz halmazállapotú anyag található, akkor a a nyomás növekedése, a kémiai reakció sebessége nő, a nyomás csökkenésével csökken .
Például. Hogyan változik a mész és a szilícium -oxid fúziójának reakciósebessége:
CaCO 3 + SiO 2 ↔ CaSiO 3 + CO 2
mikor emelkedik a nyomás?
A helyes válasz az lenne - dehogy, mert a reagensek között nincs gáz, és a kalcium -karbonát szilárd só, vízben oldhatatlan, a szilícium -oxid szilárd. A gáz a termék - szén -dioxid. De a termékek nem befolyásolják a közvetlen reakció sebességét.
Egy másik módszer a kémiai reakció sebességének növelésére, ha más úton irányítják azt, például az A és B anyagok közvetlen kölcsönhatását felváltva egy sor, egymást követő reakcióval egy harmadik K anyaggal, amelyek sokkal kevesebb energiafogyasztást igényelnek. (alacsonyabb az aktiválási energia gátja), és gyorsabban haladjon az adott körülmények között, mint a közvetlen válasz. Ezt a harmadik anyagot ún katalizátor .
Olyan vegyi anyagok, amelyek részt vesznek egy kémiai reakcióban, megváltoztatva annak sebességét és irányát, de nem fogyasztható a reakció során (a reakció végén sem mennyiségben, sem összetételben nem változnak). Az A + B típusú reakció katalizátorának hozzávetőleges működési mechanizmusa a következőképpen ábrázolható:
A + K = AK
AK + B = AB + K
A katalizátorral való kölcsönhatás során a reakciósebesség megváltoztatásának folyamatát nevezzük katalízis... A katalizátorokat széles körben használják az iparban, amikor szükség van a reakciósebesség növelésére vagy egy bizonyos úton történő irányítására.
A katalizátor fázisállapota szerint homogén és heterogén katalízist különböztetünk meg.
Homogén katalízis - ekkor a reagensek és a katalizátor ugyanabban a fázisban vannak (gáz, oldat). Tipikus homogén katalizátorok a savak és a bázisok. szerves aminok stb.
Heterogén katalízis - ekkor a reagensek és a katalizátor különböző fázisokban vannak. A heterogén katalizátorok általában szilárd anyagok. Mivel Az ilyen katalizátorok kölcsönhatása csak az anyag felületén fordul elő; a katalizátorok fontos követelménye a nagy felület. A heterogén katalizátorokat nagy porozitás jellemzi, ami növeli a katalizátor felületét. Így egyes katalizátorok teljes felülete néha eléri az 500 négyzetmétert / gramm katalizátor. A nagy felület és a porozitás hatékony kölcsönhatást biztosít a reagensekkel. A heterogén katalizátorok közé tartoznak a fémek, zeolitok - az alumínium -szilikátok (szilícium és alumíniumvegyületek) csoportjába tartozó kristályos ásványok és mások.
Példa heterogén katalízis - ammónia szintézis:
N 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3
Katalizátorként porózus vasat használnak Al 2 O 3 és K 2 O szennyeződésekkel.
Maga a katalizátor nem fogy el kémiai reakció során, de más anyagok halmozódnak fel a katalizátor felületén, amelyek megkötik a katalizátor aktív központjait és blokkolják annak működését ( katalitikus mérgek). Ezeket rendszeresen el kell távolítani a katalizátor regenerálásával.
A biokémiai reakciókban a katalizátorok nagyon hatékonyak - enzimek... Az enzimatikus katalizátorok rendkívül hatékonyan és szelektíven működnek, 100%-os párolgási sebességgel. Sajnos az enzimek nagyon érzékenyek a hőmérséklet emelkedésére, a közeg savasságára és más tényezőkre, ezért számos korlátozás van az enzimkatalízissel végzett ipari méretű folyamatok végrehajtására.
A katalizátorokat nem szabad összetéveszteni kezdeményezők folyamat és gátlók. Például, a metán -klórozás radikális reakciójának elindításához ultraibolya besugárzás szükséges. Ez nem katalizátor. Néhány radikális reakciót peroxidgyökök indítanak el. Ezek szintén nem katalizátorok.
Gátlók Olyan anyagok, amelyek lelassítják a kémiai reakciót. Az inhibitorok fogyaszthatók és részt vehetnek kémiai reakcióban. Ebben az esetben az inhibitorok nem katalizátorok. A fordított katalízis elvileg lehetetlen - a reakció minden esetben megpróbálja a leggyorsabb utat követni.
5. A reagensek érintkezési területe. A heterogén reakciók esetében a hatékony ütközések számának növelésének egyik módja a növekedés reakciófelület ... Minél nagyobb a reagáló fázisok érintkezési felülete, annál nagyobb a heterogén kémiai reakció sebessége. A porított cink sokkal gyorsabban oldódik savban, mint az azonos tömegű szemcsés cink.
Az iparban a reaktánsok érintkező felületének növelésére használnak fluidágyas módszer. Például, a kénsav forrásban levő módszerrel történő előállításakor a piritot pörkölik.
6. A reagáló anyagok jellege ... Ha más dolgok is egyenlők, a kémiai reakciók sebességét a kémiai tulajdonságok is befolyásolják, azaz a reagáló anyagok jellege. A kevesebb hatóanyag magasabb aktivációs gáttal és lassabban reagál, mint a több hatóanyag. A több hatóanyag alacsonyabb aktiválási energiával rendelkezik, és sokkal könnyebben és gyakrabban lépnek kémiai reakciókba.
Alacsony aktiválási energiáknál (kevesebb, mint 40 kJ / mol) a reakció nagyon gyorsan és egyszerűen megy végbe. A részecskék közötti ütközések nagy része kémiai átalakulást eredményez. Például normál körülmények között az ioncserélő reakciók nagyon gyorsan lejátszódnak.
Az aktiválási energia magas értékeinél (több mint 120 kJ / mol) csak kis számú ütközés eredményez kémiai átalakulást. Az ilyen reakciók gyakorisága elhanyagolható. Például a nitrogén normál körülmények között gyakorlatilag nem lép kölcsönhatásba az oxigénnel.
Az aktiválási energia átlagos értékei (40-120 kJ / mol) esetén a reakciósebesség átlagos lesz. Az ilyen reakciók normál körülmények között is előfordulnak, de nem túl gyorsan, így szabad szemmel is megfigyelhetők. Ezek a reakciók magukban foglalják a nátrium és a víz kölcsönhatását, a vas és a sósav kölcsönhatását stb.
Azok az anyagok, amelyek normál körülmények között stabilak, általában nagy aktivációs energiával rendelkeznek.
Mint minden folyamat, a kémiai reakciók időben játszódnak le, ezért egyik vagy másik sebesség jellemzi őket.
A kémia egyik ága, amely a kémiai reakciók sebességét és azok előfordulásának mechanizmusát tanulmányozza, hívott kémiai kinetika... A kémiai kinetika a "fázis", "rendszer" fogalmaival működik. Fázis – a rendszer egy része, elválasztva a többi részétől egy válaszfalfelülettel.
A rendszerek homogének és heterogének. Homogén rendszerek magába foglal egy fázis... Például levegőt vagy bármilyen gázkeveréket, sóoldatot. Heterogén rendszerek magába foglal két vagy több fázis... Például folyékony víz - jég - gőz, sóoldat + üledék.
Reakciók homogén rendszerben hívják homogén... Például N2 (g) + 3H2 (g) = 2NH3 (g). A teljes térfogatban folynak. Reakciók heterogén rendszerben, hívják heterogén... Például C (k) + O 2 (g) = CO 2 (g). A felületen folynak.
Kémiai reakciósebesség eltökélt a reakció során reakcióba lépő vagy keletkező anyag mennyisége időegység / térfogat egység(a homogén reakcióhoz) vagy az egység interfészén(heterogén rendszer esetén).
A reakciósebesség a reagensek jellegétől, koncentrációjától, hőmérsékletétől és a katalizátorok jelenlététől függ.
1. A reagáló anyagok jellege.
A reakciók a kevésbé erős kötések elpusztítása és az erősebb kötésekkel rendelkező anyagok képződése irányába haladnak. Így nagy energiákra van szükség a H 2 és N 2 molekulák kötéseinek megszakításához; az ilyen molekulák nem túl reakcióképesek. A kötések megszakításához erősen poláris molekulákban (HCl, H 2O) kevesebb energiára van szükség, és a reakciósebesség sokkal magasabb. Az ionok közötti reakciók az elektrolit oldatokban szinte pillanatok alatt zajlanak.
2. Koncentráció.
A koncentráció növekedésével a reagáló anyagok molekuláinak ütközése gyakrabban fordul elő - a reakciósebesség nő.
A kémiai reakció sebességének függése a reagáló anyagok koncentrációjától fejeződik ki tömeges cselekvés törvénye (ZDM): állandó hőmérsékleten a kémiai reakció sebessége közvetlenül arányos a reagensek koncentrációjának szorzatával.
Általában azért homogén reakciók
nA (g) + mB (g) = pAB (g)
a reakciósebesség függését az alábbi egyenlet fejezi ki:
ahol C A és C B a reagensek koncentrációja, mol / l; k a reakciósebesség állandója. Egy specifikus reakció esetén 2NO (g) + O 2 (g) = 2NO 2 (g), a ZDM matematikai kifejezése:
υ = k ∙∙
A k reakciósebesség -állandó a reagensek jellegétől, a hőmérséklettől és a katalizátortól függ, de nem függ a reagensek koncentrációjától. A sebességállandó fizikai jelentése az, hogy egyenlő a reakciósebességgel a reagensek egységnyi koncentrációjában.
For heterogén reakciók (amikor az anyagok különböző aggregációs állapotokban vannak), a reakciósebesség csak a gázok vagy oldott anyagok koncentrációjától függ, és a szilárd fázis koncentrációja nem számít bele az EDM matematikai kifejezésébe:
nA (k) + mB (g) = pAB (g)
Például a szén oxigénben történő égésének reakciósebessége csak az oxigén koncentrációjával arányos:
C (k) + O 2 (g) = CO 2 (k)
3. Hőmérséklet.
A hőmérséklet emelkedésével a molekulák mozgási sebessége nő, ami viszont a köztük lévő ütközések számának növekedéséhez vezet. Ahhoz, hogy a reakció megtörténhessen, az ütköző molekuláknak bizonyos energiafelesleggel kell rendelkezniük. A felesleges energia, amellyel a molekuláknak rendelkezniük kell ahhoz, hogy ütközésük új anyag képződéséhez vezethessen nak, nek hívják aktiválási energia... Aktiválási energia ( E a) kJ / mol -ban vannak megadva. Értéke a reagáló anyagok jellegétől függ, azaz minden reakciónak saját aktivációs energiája van. Aktivációs energiával rendelkező molekulák hívják aktív... A hőmérséklet emelkedése növeli az aktív molekulák számát, és ezért növeli a kémiai reakció sebességét.
A kémiai reakció sebességének a hőmérséklettől való függését fejezzük ki van't Hoff szabálya: amikor a hőmérséklet emelkedik minden 10 ° C-on, a reakciósebesség 2-4-szeresére nő.
ahol υ 2 és υ 1 a reakciósebesség t 2 és t 1 hőmérsékleten,
γ a reakciósebesség hőmérsékleti együtthatója, amely azt mutatja, hogy a reakciósebesség hányszorosára nő a hőmérséklet 10 0 C -os emelkedésével.
4. A reagensek érintkezési felülete.
Heterogén rendszereknél minél nagyobb az érintkezési felület, annál gyorsabban megy végbe a reakció. A szilárd anyagok felülete összetöréssel, az oldható anyagok esetében pedig feloldással növelhető.
5. Katalizátorok.
Azok az anyagok, amelyek részt vesznek a reakciókban és növelik annak sebességét, a reakció végére változatlanok maradnak hívják katalizátorok... A reakciósebesség változását katalizátorok hatására ún katalízis... Megkülönböztetni a katalízist homogénés heterogén.
NAK NEK homogén Ide tartoznak azok a folyamatok, amelyekben a katalizátor ugyanolyan aggregációs állapotban van, mint a reagensek.
2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g)
A homogén katalizátor hatása többé -kevésbé erős közbenső hatóanyagok képződéséből áll, amelyekből ezután teljesen regenerálódik.
NAK NEK heterogén A katalízis olyan folyamatokat foglal magában, amelyekben a katalizátor és a reagensek különböző aggregációs állapotokban vannak, és a reakció a katalizátor felületén megy végbe.
N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g)
A heterogén katalizátorok hatásmechanizmusa összetettebb, mint a homogének. Ezekben a folyamatokban jelentős szerepet játszik a gáznemű és folyékony anyagok szilárd anyag felületén történő felszívódásának jelensége - az adszorpció jelensége. Az adszorpció következtében a reagensek koncentrációja növekszik, kémiai aktivitásuk nő, ami a reakciósebesség növekedéséhez vezet.
Kémiai reakciósebesség
Kémiai reakciósebesség- az egyik reagáló anyag mennyiségének változása időegységenként a reakciótér egységében. Ez a kémiai kinetika kulcsfogalma. A kémiai reakció sebessége mindig pozitív érték, ezért ha azt a kiindulási anyag határozza meg (amelynek koncentrációja a reakció során csökken), akkor a kapott értéket −1 -gyel kell megszorozni.
Például egy reakcióhoz:
a sebesség kifejezése így fog kinézni:
... A kémiai reakció sebessége minden időpillanatban arányos a reagensek koncentrációjával, amelyek a sztöchiometrikus együtthatóikkal megegyező teljesítményre emelkedtek.Elemi reakcióknál az egyes anyagok koncentrációjában a kitevő gyakran megegyezik sztöchiometrikus együtthatójával; összetett reakcióknál ezt a szabályt nem tartják be. A koncentráción kívül a következő tényezők befolyásolják a kémiai reakció sebességét:
Ha figyelembe vesszük a legegyszerűbb kémiai reakciót A + B → C, akkor ezt észrevesszük azonnali a kémiai reakció sebessége változó.
Wikimédia Alapítvány. 2010.
A KÉMIAI REAKCIÓ RÁTUMA- a kémiai kinetika alapfogalma. Egyszerű homogén reakciók esetén a kémiai reakció sebességét a reagált anyag mólszámának változásával (a rendszer állandó térfogatánál) vagy bármely kiindulási anyag koncentrációjának változásával mérik. Nagy enciklopédikus szótár
A KÉMIAI REAKCIÓ RÁTUMA- a chem alapfogalma. kinetika, amely a reagált anyag mennyiségének (molban) arányát fejezi ki az interakció lejátszódásának időtartamához viszonyítva. Mivel a reagensek koncentrációja a kölcsönhatás során változik, az arány általában ... Nagy Politechnikai Enciklopédia
kémiai reakció sebessége- a kémiai reakció intenzitását jellemző érték. A reakciótermék képződésének sebessége ennek a terméknek a mennyisége a reakció eredményeként, időegység / térfogat egység szerint (ha a reakció homogén) vagy ... ...
kémiai reakció sebessége- a kémiai kinetika alapfogalma. Egyszerű homogén reakciók esetén a kémiai reakció sebességét a reagált anyag mólszámának változásával (a rendszer állandó térfogatánál) vagy bármely kiindulási anyag koncentrációjának változásával mérik. enciklopédikus szótár
Kémiai reakciósebesség- egy érték, amely a kémiai reakció intenzitását jellemzi (lásd Kémiai reakciók). A reakciótermék képződésének sebessége a terméknek a reakcióból származó mennyisége időegységben, térfogat egységben (ha ... ...
A KÉMIAI REAKCIÓ RÁTUMA- fő. a chem fogalma. kinetika. Egyszerű homogén reakciókhoz C. x. R. a VA -ban reagált mólok számának változásával (a rendszer állandó térfogatánál) vagy a B vagy reakciótermékek bármelyikének kezdeti koncentrációjának változásával (ha a rendszer térfogata ...
KÉMIAI REAKCIÓS MECHANIZMUS- Összetett reakciók esetén, amelyek többből állnak. szakaszok (egyszerű vagy elemi reakciók), a mechanizmus szakaszok halmaza, amelynek eredményeként a va kezdőbetű termékké alakul. Ezekben a reakciókban a közted lévő anyagok molekulákként működhetnek, ... ... Természettudomány. enciklopédikus szótár
Nukleofil szubsztitúciós reakciók- (angol nukleofil szubsztitúciós reakció) szubsztitúciós reakciók, amelyekben a támadást magányos elektronpárt hordozó nukleofil reagens hajtja végre. A nukleofil szubsztitúciós reakciók távozó csoportját nukleofugának nevezik. Minden ... Wikipédia
Kémiai reakciók- egyes anyagok átalakítása más anyagokká, amelyek kémiai összetételükben vagy szerkezetükben eltérnek az eredetitől. Az egyes elemek összes atomszáma, valamint maguk az anyagot alkotó kémiai elemek a kémiai összetételben maradnak. változatlan; ez az R. x ... Nagy szovjet enciklopédia
rajzolási sebesség- a fém mozgásának lineáris sebessége a rajzból kilépve, m / s. A modern rajzológépeken a húzási sebesség eléri az 50-80 m / s -ot. A huzal húzásakor azonban a sebesség általában nem haladja meg a 30-40 m / s-ot. Nál nél… … A kohászat enciklopédikus szótára
