Kemiallisen reaktion nopeus: olosuhteet, esimerkit. Kemiallisen reaktion nopeuteen vaikuttavat tekijät

Tutkimalla kemiallisen reaktion nopeutta jayksi fysikaalisen kemian suunnista, kemiallinen kinetiikka, koskee sen muutokseen vaikuttavia olosuhteita. Hän tutkii myös näiden reaktioiden mekanismeja ja niiden termodynaamista pätevyyttä. Nämä tutkimukset ovat tärkeitä paitsi tieteellisiin tarkoituksiin myös reaktorien komponenttien vuorovaikutuksen seurantaan kaikenlaisten aineiden tuotannossa.

Nopeuden käsite kemiassa

Reaktionopeutta kutsutaan yleensä tiettyksimuutos reagoivien yhdisteiden pitoisuuksissa (ΔC) aikayksikköä kohti (Δt). Kemiallisen reaktion nopeuden matemaattinen kaava on seuraava:

ᴠ = ± ΔC / Δt.

Mittaa reaktionopeus mol / l ∙ s, jos sitä esiintyy koko tilavuudessa (eli reaktio on homogeeninen) ja mol / m²The s, jos vuorovaikutus tapahtuu pinnalla,erotusfaasi (eli reaktio on heterogeeninen). " -" -merkki kaavassa viittaa alkuperäisten reagoivien aineiden pitoisuuksien arvojen muutokseen ja "+" -merkki - saman reaktion tuotteiden pitoisuuksien muuttuviin arvoihin.

Esimerkkejä reaktioista eri nopeuksilla

Kemialliset vuorovaikutukset voivatsuoritetaan eri nopeuksilla. Niinpä tippukivien kasvunopeus eli kalsiumkarbonaatin muodostuminen on vain 0,5 mm / 100 vuotta. Jotkut biokemialliset reaktiot ovat hitaita, kuten fotosynteesi ja proteiinisynteesi. Metallien korroosio etenee melko hitaasti.

Keskinopeutta voidaan luonnehtia reaktioilla,kestää yhdestä useaan tuntiin. Esimerkki on ruoan valmistus, johon liittyy elintarvikkeissa olevien yhdisteiden hajoaminen ja muuntaminen. Yksittäisten polymeerien synteesi vaatii reaktioseoksen kuumentamisen tietyn ajan.

Esimerkki kemiallisista reaktioista, joiden nopeuson melko korkea, neutralointireaktiot, natriumbikarbonaatin vuorovaikutus etikkahapon liuoksen kanssa ja hiilidioksidin vapautuminen voivat toimia. Voit myös mainita bariumnitraatin vuorovaikutuksen natriumsulfaatin kanssa, jossa havaitaan liukenemattoman bariumsulfaatin saostumista.

Suuri määrä reaktioita voi edetä salamannopeasti ja niihin liittyy räjähdys. Klassinen esimerkki on kaliumin vuorovaikutus veden kanssa.

Tekijät, jotka vaikuttavat kemiallisen reaktion nopeuteen

On huomattava, että samat aineet voivatreagoivat keskenään eri tahtiin. Joten esimerkiksi kaasumaisen hapen ja vedyn seos ei välttämättä osoita vuorovaikutuksen merkkejä melko pitkään, mutta kun säiliötä ravistellaan tai lyödään, reaktio muuttuu räjähtäväksi. Siksi kemiallinen kinetiikka ja tunnistivat tietyt tekijät, joilla on kyky vaikuttaa kemiallisen reaktion nopeuteen. Nämä sisältävät:

• vuorovaikutuksessa olevien aineiden luonne;
• reagenssien pitoisuus;
• lämpötilan muutos;
• katalyytin läsnäolo;
• paineen muutos (kaasumaisille aineille);
• aineiden kosketusalue (jos puhumme heterogeenisistä reaktioista).

Aineen luonteen vaikutus

Tällainen merkittävä ero kemiallisten reaktioiden nopeuksissa selittyy erilaisilla aktivointienergian arvoilla (E._ja).Se ymmärretään tietyltä ylimääräiseltä energiamäärältä verrattuna sen keskimääräiseen arvoon, joka vaaditaan molekyylille törmäyksessä, jotta reaktio voi tapahtua. Se mitataan kJ / mol ja arvot ovat yleensä välillä 50-250.

On yleisesti hyväksytty, että jos E._ja= 150 kJ / mol mille tahansa reaktiolle, sitten n. klo.se ei käytännössä vuoda. Tämä energia käytetään aineiden molekyylien välisen vastenmielisyyden voittamiseen ja alkuperäisten aineiden sidosten heikentämiseen. Toisin sanoen aktivointienergia luonnehtii aineiden kemiallisten sidosten lujuutta. Aktivointienergian arvon perusteella voidaan alustavasti arvioida kemiallisen reaktion nopeutta:

• E_ja<40, aineiden vuorovaikutus tapahtuu melko nopeasti, koska lähes kaikki hiukkasten törmäykset johtavat niiden reaktioon;
• 40 <E._ja<120, oletetaan keskimääräinen reaktio, koska vain puolet molekyylien törmäyksistä on tehokkaita (esimerkiksi sinkin reaktio suolahapon kanssa);
• E_ja> 120, vain hyvin pieni osa hiukkasten törmäyksistä johtaa reaktioon ja sen nopeus on alhainen.

Keskittymisen vaikutus

Reaktionopeuden riippuvuus keskittymisestä on tarkimmin määritelty massatoimilailla (MAS), joka kuuluu seuraavasti:

Tämä laki soveltuu yksinkertaisiin yksivaiheisiin reaktioihin tai mihin tahansa aineiden vuorovaikutuksen vaiheeseen, jolle on ominaista monimutkainen mekanismi.

Jos haluat määrittää kemiallisen reaktion nopeuden, jonka yhtälö voidaan perinteisesti kirjoittaa seuraavasti:

αА + bB = ϲС,

edellä mainitun lain muotoilun mukaisesti nopeus voidaan löytää yhtälöstä:

V = k · [A]^ja· [B]^sisäänjossa

a ja b ovat stökiometrisiä kertoimia,

[A] ja [B] ovat lähtöyhdisteiden pitoisuuksia,

k on tarkasteltavan reaktion nopeusvakio.

Kemiallisen reaktion nopeuskertoimen merkityson se, että sen arvo on yhtä suuri kuin nopeus, jos yhdisteiden pitoisuudet ovat yhtä suuret kuin yksiköt. On huomattava, että oikean laskennan suorittamiseksi tämän kaavan avulla on syytä ottaa huomioon reagenssien aggregaatiotila. Kiinteän aineen pitoisuuden katsotaan olevan yhtenäisyys eikä sitä sisällytetä yhtälöön, koska se pysyy vakiona reaktion aikana. Näin ollen vain nestemäisten ja kaasumaisten aineiden pitoisuudet otetaan huomioon ZDM: n laskennassa. Joten reaktiossa piidioksidin saamiseksi yksinkertaisista aineista, kuvattu yhtälöllä

Si_(TV) + Ο_{2 (d)} = SiΟ_{2 (tv)},

nopeus määritetään kaavalla:

V = k · [Ο₂u.

Tyypillinen tehtävä

Miten typpimonoksidin ja hapen kemiallisen reaktion nopeus muuttuisi, jos lähtöyhdisteiden pitoisuudet kaksinkertaistettaisiin?

Ratkaisu: Tämä prosessi vastaa reaktioyhtälöä:

2ΝΟ + Ο₂= 2ΝΟ₂.

Kirjoitetaan lausekkeet alkukirjaimelle (ᴠ₁) ja viimeinen (ᴠ₂) reaktionopeudet:

ᴠ₁= k · [ΝΟ]²· [Ο₂] ja

ᴠ₂= k · (2 ​​· [ΝΟ])²· 2 · [Ο₂] = k · 4 [ΝΟ]²· 2 [Ο₂u.

Seuraava vaihe on erottaa vasen ja oikea puoli:

ᴠ₁/ ᴠ₂ = (k · 4 [ΝΟ]²· 2 [Ο₂]) / (k · [ΝΟ]²· [Ο₂]).

Pitoisuusarvot ja nopeusvakiot pienenevät ja pysyvät:

ᴠ₂/ ᴠ₁ = 4 2/1 = 8.

Vastaus: lisätty 8 kertaa.

Lämpötilan vaikutus

Kemiallisen reaktion nopeuden riippuvuuslämpötilan määritti empiirisesti hollantilainen tiedemies J. H. Van't Hoff. Hän havaitsi, että monien reaktioiden nopeus kasvaa kertoimella 2-4 lämpötilan noustessa jokaista 10 astetta kohden. Tälle säännölle on matemaattinen lauseke, joka näyttää tältä:

ᴠ₂ = ᴠ₁Γ^{(Τ2-Τ1) / 10}jossa

ᴠ₁ ja ᴠ₂ - vastaavat nopeudet lämpötiloissa Τ₁ ja Τ₂;

γ - lämpötilakerroin, 2–4.

Tämä sääntö ei kuitenkaan selitä mekanismialämpötilan vaikutus yhden tai toisen reaktion nopeuden arvoon eikä kuvaa kaikkia lakeja. On loogista päätellä, että lämpötilan noustessa hiukkasten kaoottinen liike lisääntyy ja tämä aiheuttaa enemmän niiden törmäyksiä. Tämä ei kuitenkaan vaikuta erityisesti molekyylien törmäyksen tehokkuuteen, koska se riippuu pääasiassa aktivointienergiasta. Myös hiukkasten törmäysten tehokkuudessa on merkittävä rooli niiden avaruudellisella vastaavuudella toistensa kanssa.

Kemiallisen reaktion nopeuden riippuvuus lämpötilasta, ottaen huomioon reagoivien aineiden luonne, noudattaa Arrhenius -yhtälöä:

k = A₀· E^{-Ea / RΤ}jossa

Ja_noin - kerroin;

E_ja - aktivointienergia.

Esimerkki Van't Hoffin lain ongelmasta

Miten lämpötilaa tulisi muuttaa niin, että kemiallisen reaktion nopeus, jonka lämpötilakerroin on numeerisesti yhtä suuri kuin 3, kasvaa kertoimella 27?

Ratkaisu. Käytämme kaavaa

ᴠ₂ = ᴠ₁Γ^{(Τ2-Τ1) / 10}.

Tilasta ᴠ₂/ ᴠ₁ = 27 ja γ = 3. Etsi ΔΤ = Τ₂–Τ₁.

Muuttamalla alkuperäistä kaavaa, saamme:

AT₂/ V₁= γ^{ΔΤ / 10}.

Korvaa arvot: 27 = 3^{ΔΤ / 10}.

Näin ollen on selvää, että ΔΤ / 10 = 3 ja ΔΤ = 30.

Vastaus: lämpötilaa tulisi nostaa 30 astetta.

Katalyyttien vaikutus

Fysikaalisessa kemiassa kemiallisten reaktioiden nopeushän tutkii myös aktiivisesti katalyysin osaa. Hän on kiinnostunut siitä, miten ja miksi suhteellisen pienet määrät tiettyjä aineita lisäävät merkittävästi muiden vuorovaikutusta. Tällaisia ​​aineita, jotka voivat nopeuttaa reaktiota, mutta joita ei kuluteta itse, kutsutaan katalyytteiksi.

On osoitettu, että katalyytit muuttavat mekanismiakemiallinen vuorovaikutus, edistävät uusien siirtymistilojen syntymistä, joille on ominaista alhaisemmat energiaesteiden korkeudet. Toisin sanoen ne vähentävät aktivointienergiaa ja siten lisäävät hiukkasten tehokkaiden törmäysten määrää. Katalyytti ei voi aiheuttaa reaktiota, joka on energeettisesti mahdotonta.

Joten vetyperoksidi pystyy hajottamaan hapen ja veden muodostamiseksi:

H₂Ο₂ = H₂Ο + Ο₂.

Mutta tämä reaktio on hyvin hidas ja ensiapupakkauksissammese on pysynyt muuttumattomana jo pitkään. Avatessasi vain hyvin vanhoja peroksidi -injektiopulloja huomaat pienen paukuttamisen, joka johtuu hapen paineesta astian seiniin. Vain muutaman rakeisen magnesiumoksidin lisääminen aiheuttaa aktiivisen kaasunkehityksen.

Sama reaktio peroksidin hajoamisesta, mutta jo allekatalaasin vaikutuksesta, esiintyy haavojen hoidon aikana. Elävät organismit sisältävät monia erilaisia ​​aineita, jotka lisäävät biokemiallisten reaktioiden nopeutta. Niitä kutsutaan entsyymeiksi.

Vastakkainen vaikutus reaktioiden kulkuunon inhibiittoreita. Tämä ei kuitenkaan ole aina huono asia. Inhibiittoreita käytetään metallituotteiden suojaamiseen korroosiolta, elintarvikkeiden säilyvyyden pidentämiseen, esimerkiksi rasvan hapettumisen estämiseksi.

Aineiden kosketusalue

Siinä tapauksessa, että vuorovaikutus menee välilläyhdisteitä, joilla on erilaiset aggregaatiotilat tai aineiden välillä, jotka eivät pysty muodostamaan homogeenista väliainetta (sekoittumattomat nesteet), tämä tekijä vaikuttaa myös kemiallisen reaktion nopeuteen merkittävästi. Tämä johtuu siitä, että heterogeeniset reaktiot suoritetaan suoraan vuorovaikutuksessa olevien aineiden faasien rajapinnalla. On selvää, että mitä laajempi tämä raja on, sitä enemmän hiukkasilla on mahdollisuus törmätä ja mitä nopeammin reaktio etenee.

Esimerkiksi puu palaa paljon nopeammin.pienten sirujen kuin tukkien muodossa. Samaa tarkoitusta varten monet kiinteät aineet jauhetaan hienoksi jauheeksi ennen liuokseen lisäämistä. Joten jauheliitu (kalsiumkarbonaatti) toimii nopeammin suolahapon kanssa kuin pala samaa massaa. Alueen lisäämisen lisäksi tämä tekniikka johtaa kuitenkin myös aineen kidehilan kaoottiseen repeämään, mikä tarkoittaa, että se lisää hiukkasten reaktiivisuutta.

Matemaattisesti heterogeenisen kemiallisen reaktion nopeus havaitaan aineen määrän muutoksena (Δν), joka esiintyy aikayksikköä kohti (Δt) pintayksikköä kohti

(S): V = Δν / (S Δt).

Paineen vaikutus

Järjestelmän paineen muutokset vaikuttavatvain siinä tapauksessa, että kaasut osallistuvat reaktioon. Paineen nousuun liittyy aineen molekyylien lisääntyminen tilavuusyksikköä kohti, eli sen pitoisuus kasvaa suhteellisesti. Sitä vastoin paineen alentaminen johtaa reagenssin pitoisuuden vastaavaan laskuun. Tässä tapauksessa ZDM: ää vastaava kaava soveltuu kemiallisen reaktion nopeuden laskemiseen.

Tehtävä. Miten reaktionopeus kuvataan yhtälössä

2ΝΟ + Ο₂ = 2ΝΟ₂,

jos suljetun järjestelmän tilavuus pienenee kolme kertaa (T = const)?

Ratkaisu. Kun tilavuus pienenee, paine kasvaa suhteellisesti. Kirjoitetaan lausekkeet alkukirjaimelle (V₁) ja lopullinen (V.₂) reaktionopeudet:

AT₁ = k · [NΟ]²· [Ο₂] ja

AT₂ = k · (3 · [NΟ])²· 3 · [Ο₂] = k · 9 [ΝΟ]²· 3 [Ο₂u.

Jos haluat selvittää, kuinka monta kertaa uusi nopeus on suurempi kuin alkuperäinen, erota lausekkeiden vasen ja oikea osa:

AT₁/ V₂ = (k · 9 [ΝΟ]²· 3 [Ο₂]) / (k · [ΝΟ]²· [Ο₂]).

Pitoisuusarvot ja nopeusvakiot pienenevät ja pysyvät:

AT₂/ V₁ = 9 3/1 = 27.

Vastaus: nopeus on kasvanut 27 kertaa.

Yhteenvetona on huomattava, että nopeusaineiden vuorovaikutukseen tai pikemminkin niiden hiukkasten törmäysten määrään ja laatuun vaikuttavat monet tekijät. Ensinnäkin tämä on aktivointienergia ja molekyylien geometria, joita on lähes mahdotonta korjata. Mitä tulee muihin olosuhteisiin, reaktionopeuden lisäämiseksi seuraa:

• nostaa reaktioväliaineen lämpötilaa;
• lisätä lähtöaineiden pitoisuutta;
• nostaa järjestelmän painetta tai pienentää sen tilavuutta kaasujen osalta;
• saattaa eri aineet samaan aggregaatiotilaan (esimerkiksi liuottamalla veteen) tai lisätä niiden kosketusaluetta.