En étudiant la vitesse d'une réaction chimique etl'une des directions de la chimie physique, la cinétique chimique, concerne les conditions qui influencent son évolution. Elle examine également les mécanismes de ces réactions et leur validité thermodynamique. Ces études sont importantes non seulement à des fins scientifiques, mais aussi pour surveiller l'interaction des composants des réacteurs dans la production de toutes sortes de substances.
Le concept de vitesse en chimie
Il est d'usage d'appeler un taux de réaction un certainchangement des concentrations des composés réactifs (ΔC) par unité de temps (Δt). La formule mathématique de la vitesse d'une réaction chimique est la suivante:
= ± C / t.
Mesurer la vitesse de réaction en mol / l ∙ s, si elle se produit dans tout le volume (c'est-à-dire que la réaction est homogène) et en mol / m2s, si l'interaction a lieu en surface,phase de séparation (c'est-à-dire que la réaction est hétérogène). Le signe "-" dans la formule fait référence au changement des valeurs des concentrations des substances réagissant initiales et le signe "+" - aux valeurs changeantes des concentrations des produits de la même réaction.
Exemples de réactions avec des vitesses différentes
Les interactions chimiques peuventeffectuées à des vitesses différentes. Ainsi, le taux de croissance des stalactites, c'est-à-dire la formation de carbonate de calcium, n'est que de 0,5 mm par 100 ans. Certaines réactions biochimiques sont lentes, comme la photosynthèse et la synthèse des protéines. La corrosion des métaux se déroule à un rythme assez faible.
La vitesse moyenne peut être caractérisée par des réactions,nécessitant une à plusieurs heures. Un exemple est la préparation des aliments, qui s'accompagne de la décomposition et de la conversion des composés contenus dans les aliments. La synthèse de polymères individuels nécessite de chauffer le mélange réactionnel pendant un certain temps.
Un exemple de réactions chimiques dont la vitesseest assez élevé, des réactions de neutralisation, l'interaction du bicarbonate de sodium avec une solution d'acide acétique, accompagnée de la libération de dioxyde de carbone, peuvent servir. On peut également citer l'interaction du nitrate de baryum avec le sulfate de sodium, dans laquelle on observe la précipitation de sulfate de baryum insoluble.
Un grand nombre de réactions peuvent se dérouler à la vitesse de l'éclair et s'accompagner d'une explosion. Un exemple classique est l'interaction du potassium avec l'eau.
Facteurs affectant la vitesse d'une réaction chimique
Il est à noter que les mêmes substances peuventréagissent les uns avec les autres à des rythmes différents. Ainsi, par exemple, un mélange d'oxygène gazeux et d'hydrogène peut ne pas montrer de signes d'interaction pendant assez longtemps, cependant, lorsque le récipient est secoué ou heurté, la réaction devient explosive. Par conséquent, la cinétique chimique et identifié certains facteurs qui ont la capacité d'influencer la vitesse d'une réaction chimique. Ceux-ci inclus:
- la nature des substances en interaction;
- concentration des réactifs;
- changement de température;
- la présence d'un catalyseur ;
- changement de pression (pour les substances gazeuses);
- zone de contact des substances (si nous parlons de réactions hétérogènes).
Influence de la nature de la matière
Une telle différence significative dans les taux de réactions chimiques s'explique par des valeurs différentes de l'énergie d'activation (Eun).Il est entendu comme un certain excès d'énergie par rapport à sa valeur moyenne requise pour une molécule lors d'une collision pour qu'une réaction se produise. Il est mesuré en kJ / mol et les valeurs sont généralement comprises entre 50 et 250.
Il est généralement admis que si Eun= 150 kJ / mol pour toute réaction, puis à n. à.il ne fuit pratiquement pas. Cette énergie est dépensée pour surmonter la répulsion entre les molécules des substances et pour affaiblir les liaisons dans les substances d'origine. En d'autres termes, l'énergie d'activation caractérise la force des liaisons chimiques dans les substances. Par la valeur de l'énergie d'activation, on peut estimer au préalable la vitesse de la réaction chimique :
- Eun<40, l'interaction des substances se produit assez rapidement, car presque toutes les collisions de particules conduisent à leur réaction;
- 40 <Eun<120, on suppose une réaction moyenne, car seule la moitié des collisions des molécules sera efficace (par exemple, la réaction du zinc avec l'acide chlorhydrique);
- Eun> 120, seule une très petite fraction des collisions de particules entraînera une réaction et sa vitesse sera faible.
Effet de la concentration
La dépendance de la vitesse de réaction à la concentration est caractérisée le plus précisément par la loi de l'action de masse (MAS), qui se lit comme suit:
La vitesse d'une réaction chimique a un effet directdépendance proportionnelle au produit des concentrations des substances réagissantes, dont les valeurs sont prises en puissances correspondant à leurs coefficients stoechiométriques.
Cette loi convient aux réactions élémentaires à une étape, ou à toute étape de l'interaction de substances, caractérisées par un mécanisme complexe.
Si vous souhaitez déterminer la vitesse d'une réaction chimique, dont l'équation peut s'écrire de manière conventionnelle:
αА + bB = ϲС, alors,
conformément à la formulation ci-dessus de la loi, la vitesse peut être trouvée par l'équation:
V = k · [A]un· [B]dansoù
a et b sont des coefficients stoechiométriques,
[A] et [B] sont les concentrations des composés de départ,
k est la constante de vitesse de la réaction considérée.
La signification du coefficient de vitesse d'une réaction chimiqueréside dans le fait que sa valeur sera égale au taux si les concentrations des composés sont égales à des unités. Il est à noter que pour un calcul correct à l'aide de cette formule, il convient de prendre en compte l'état d'agrégation des réactifs. La concentration du solide est considérée comme égale à l'unité et n'est pas incluse dans l'équation, car elle reste constante pendant la réaction. Ainsi, seules les concentrations de substances liquides et gazeuses sont incluses dans le calcul du ZDM. Ainsi, pour la réaction d'obtention de dioxyde de silicium à partir de substances simples, décrite par l'équation
Si(la télé) + Ο2 (d) = SiΟ2 (télé),
la vitesse sera déterminée par la formule:
V = k · [Ο2].
Tâche typique
Comment la vitesse de la réaction chimique du monoxyde d'azote avec l'oxygène changerait-elle si les concentrations des composés de départ étaient doublées?
Solution : Ce processus correspond à l'équation de réaction :
2ΝΟ + Ο2= 2ΝΟ2.
Écrivons des expressions pour l'initiale (ᴠ1) et final (ᴠ2) taux de réaction:
ᴠ1= k · [ΝΟ]2· [Ο2] et
ᴠ2= k · (2 · [ΝΟ])2· 2 · [Ο2] = k · 4 [ΝΟ]2· 2 [Ο2].
L'étape suivante consiste à séparer les côtés gauche et droit:
ᴠ1/2 = (k · 4 [ΝΟ]2· 2 [Ο2]) / (k · [ΝΟ]2· [Ο2]).
Les valeurs de concentration et les constantes de vitesse sont réduites, et il reste :
ᴠ2/1 = 4 2/1 = 8.
Réponse : augmenté de 8 fois.
Influence de la température
Dépendance de la vitesse d'une réaction chimique surla température a été déterminée empiriquement par le scientifique néerlandais J. H. Van't Hoff. Il a constaté que le taux de nombreuses réactions augmente d'un facteur de 2 à 4 avec une augmentation de la température tous les 10 degrés. Il existe une expression mathématique pour cette règle, qui ressemble à :
ᴠ2 =1Γ(Τ2-Τ1) / 10où
ᴠ1 et ᴠ2 - les vitesses correspondantes aux températures Τ1 et2;
γ - coefficient de température, égal à 2–4.
Cependant, cette règle n'explique pas le mécanismel'influence de la température sur la valeur de la vitesse de l'une ou l'autre réaction et ne décrit pas l'ensemble des motifs. Il est logique de conclure qu'avec une augmentation de la température, le mouvement chaotique des particules augmente et cela provoque un plus grand nombre de leurs collisions. Cependant, cela n'affecte pas particulièrement l'efficacité de collision des molécules, car cela dépend principalement de l'énergie d'activation. En outre, un rôle important dans l'efficacité des collisions de particules est joué par leur correspondance spatiale les unes avec les autres.
La dépendance de la vitesse d'une réaction chimique à la température, compte tenu de la nature des réactifs, obéit à l'équation d'Arrhenius :
k = A0· E-Ea / RΤoù
Uno - multiplicateur;
Eun - l'énergie d'activation.
Un exemple de problème pour la loi de Van't Hoff
Comment modifier la température pour que la vitesse d'une réaction chimique, dont le coefficient de température est numériquement égal à 3, soit multipliée par 27 ?
Décision. Utilisons la formule
ᴠ2 =1Γ(Τ2-Τ1) / 10.
De la condition2/1 = 27 et γ = 3. Trouvez ΔΤ = Τ2–Τ1.
En transformant la formule originale, nous obtenons:
Dans2/ V1= γ/ 10.
Remplacez les valeurs: 27 = 3/ 10.
Il est donc clair que / 10 = 3 et ΔΤ = 30.
Réponse : la température doit être augmentée de 30 degrés.
Effet des catalyseurs
En chimie physique, la vitesse des réactions chimiquesil étudie également activement la section intitulée catalyse. Il s'intéresse à comment et pourquoi des quantités relativement faibles de certaines substances augmentent considérablement le taux d'interaction d'autres. De telles substances qui peuvent accélérer la réaction, mais ne sont pas consommées elles-mêmes, sont appelées catalyseurs.
Il a été prouvé que les catalyseurs modifient le mécanisme deinteraction chimique, contribuent à l'apparition de nouveaux états de transition, caractérisés par des hauteurs de barrière énergétique plus faibles. C'est-à-dire qu'ils contribuent à une diminution de l'énergie d'activation, et donc à une augmentation du nombre de collisions effectives de particules. Le catalyseur ne peut pas provoquer une réaction énergétiquement impossible.
Ainsi, le peroxyde d'hydrogène est capable de se décomposer pour former de l'oxygène et de l'eau :
H2Ο2 = H2+ Ο2.
Mais cette réaction est très lente et dans nos trousses de premiers soinsil existe sans changement depuis assez longtemps. En n'ouvrant que de très vieilles fioles de peroxyde, vous remarquerez un léger craquement causé par la pression de l'oxygène sur les parois du récipient. L'ajout de seulement quelques grains d'oxyde de magnésium provoquera un dégagement gazeux actif.
La même réaction de décomposition du peroxyde, mais déjà sousl'action de la catalase, se produit pendant le traitement des plaies. Les organismes vivants contiennent de nombreuses substances différentes qui augmentent la vitesse des réactions biochimiques. Ils sont appelés enzymes.
Effet opposé sur le cours des réactionsavoir des inhibiteurs. Cependant, ce n'est pas toujours une mauvaise chose. Les inhibiteurs sont utilisés pour protéger les produits métalliques de la corrosion, pour prolonger la durée de conservation des aliments, par exemple, pour empêcher l'oxydation des graisses.
Zone de contact des substances
Dans le cas où l'interaction passe entrecomposés qui ont des états d'agrégation différents, ou entre des substances qui ne sont pas capables de former un milieu homogène (liquides non miscibles), alors ce facteur affecte également de manière significative la vitesse d'une réaction chimique. Ceci est dû au fait que des réactions hétérogènes sont réalisées directement à l'interface entre les phases des substances en interaction. De toute évidence, plus cette limite est large, plus les particules ont la possibilité de se heurter et plus la réaction se déroule rapidement.
Par exemple, le bois brûle beaucoup plus vitesous forme de petits copeaux plutôt que de bûches. Dans le même but, de nombreux solides sont broyés en une poudre fine avant d'être ajoutés à la solution. Ainsi, la craie en poudre (carbonate de calcium) agit plus rapidement avec l'acide chlorhydrique qu'un morceau de même masse. Cependant, en plus d'augmenter la surface, cette technique conduit également à une rupture chaotique du réseau cristallin de la substance, ce qui signifie qu'elle augmente la réactivité des particules.
Mathématiquement, la vitesse d'une réaction chimique hétérogène correspond au changement de la quantité de substance (Δν) se produisant par unité de temps (Δt) par unité de surface.
(S) : V = / (S t).
Influence de la pression
Les changements de pression du système ont un effetseulement lorsque les gaz participent à la réaction. Une augmentation de la pression s'accompagne d'une augmentation des molécules de la substance par unité de volume, c'est-à-dire que sa concentration augmente proportionnellement. A l'inverse, l'abaissement de la pression conduit à une diminution équivalente de la concentration du réactif. Dans ce cas, la formule correspondant au ZDM convient pour calculer la vitesse d'une réaction chimique.
Une tâche. Comment la vitesse de la réaction décrite par l'équation
2ΝΟ + Ο2 = 2ΝΟ2,
si le volume d'un système fermé est réduit de trois fois (T = const) ?
Décision. Lorsque le volume diminue, la pression augmente proportionnellement. Écrivons des expressions pour l'initiale (V1) et final (V2) taux de réaction:
Dans1 = k · [NΟ]2· [Ο2] et
Dans2 = k · (3 · [NΟ])2· 3 · [Ο2] = k · 9 [ΝΟ]2· 3 [Ο2].
Pour trouver combien de fois la nouvelle vitesse est supérieure à la vitesse initiale, vous devez séparer les parties gauche et droite des expressions :
Dans1/ V2 = (k · 9 [ΝΟ]2· 3 [Ο2]) / (k · [ΝΟ]2· [Ο2]).
Les valeurs de concentration et les constantes de vitesse sont réduites, et il reste :
Dans2/ V1 = 9 3/1 = 27.
Réponse: la vitesse a été multipliée par 27.
En résumé, il faut noter que la vitessel'interaction des substances, ou plutôt la quantité et la qualité des collisions de leurs particules, est influencée par de nombreux facteurs. Il s'agit tout d'abord de l'énergie d'activation et de la géométrie des molécules, qu'il est quasiment impossible de corriger. Quant aux autres conditions, pour une augmentation de la vitesse de réaction, il suit:
- augmenter la température du milieu réactionnel;
- augmenter la concentration des composés de départ ;
- augmenter la pression dans le système ou réduire son volume lorsqu'il s'agit de gaz;
- pour amener des substances différentes au même état d'agrégation (par exemple, en se dissolvant dans l'eau) ou pour augmenter la surface de leur contact.
