קצב תגובה כימי: תנאים, דוגמאות. גורמים המשפיעים על קצב התגובה הכימית

על ידי לימוד קצב התגובה הכימית ואחד מכיווני הכימיה הפיזיקלית, קינטיקה כימית, עוסק בתנאים המשפיעים על שינויו. היא גם בוחנת את מנגנוני התגובות הללו ואת תוקפן התרמודינמי. מחקרים אלה חשובים לא רק למטרות מדעיות, אלא גם לניטור אינטראקציה של רכיבים בכורים בייצור כל מיני חומרים.

מושג המהירות בכימיה

נהוג לכנות קצב תגובה מסויםשינוי בריכוזי התרכובות המגיבות (ΔC) ליחידת זמן (Δt). הנוסחה המתמטית של קצב התגובה הכימית היא כדלקמן:

ᴠ = ± ΔC / Δt.

מדוד את קצב התגובה ב- mol / l ∙ s, אם הוא מתרחש בכל הנפח (כלומר, התגובה הומוגנית) וב mol / m²∙ ש, אם האינטראקציה מתרחשת על פני השטח,הפרדת שלב (כלומר, התגובה הטרוגנית). הסימן " -" בנוסחה מתייחס לשינוי בערכי ריכוזי החומרים המגיבים הראשוניים, וסימן "+" - לערכים המשתנים של ריכוזי התוצרים של אותה תגובה.

דוגמאות לתגובות בעלות שיעורים שונים

אינטראקציות כימיות יכולותמתבצע במהירויות שונות. אם כן, קצב הגידול של נטיפים, כלומר יצירת סידן פחמתי, הוא 0.5 מ"מ בלבד לכל 100 שנים. חלק מהתגובות הביוכימיות איטיות, כגון פוטוסינתזה וסינתזת חלבונים. קורוזיה של מתכות מתקדמת בקצב נמוך למדי.

מהירות ממוצעת יכולה להיות מאופיינת בתגובות,הדורש בין שעה למספר שעות. דוגמה לכך היא הכנת מזון, המלווה בפירוק ובהמרה של תרכובות הכלולות במזונות. סינתזה של פולימרים בודדים דורשת חימום של תערובת התגובה למשך זמן מסוים.

דוגמא לתגובות כימיות, שהקצב שלהןהוא גבוה למדי, תגובות ניטרול, אינטראקציה של נתרן ביקרבונט עם תמיסה של חומצה אצטית, מלווה בשחרור של פחמן דו חמצני, יכולה לשמש. אתה יכול גם להזכיר את האינטראקציה של בריום חנקתי עם נתרן סולפט, שבה נצפתה משקעים של בריום סולפט בלתי מסיס.

מספר רב של תגובות יכול להתקדם במהירות הבזק ומלוות בפיצוץ. דוגמה קלאסית היא אינטראקציה של אשלגן עם מים.

גורמים המשפיעים על קצב התגובה הכימית

יש לציין כי אותם חומרים יכוליםלהגיב אחד עם השני בקצב שונה. כך, למשל, תערובת של חמצן גזי ומימן עשויה שלא להראות סימנים של אינטראקציה במשך זמן רב למדי, אולם כאשר המיכל מזדעזע או נפגע, התגובה הופכת לנפיצה. לכן, קינטיקה כימית וזיהו גורמים מסוימים שיש להם את היכולת להשפיע על קצב התגובה הכימית. אלו כוללים:

• אופי החומרים המפעילים אינטראקציה;
• ריכוז ריאגנטים;
• שינוי טמפרטורה;
• נוכחות זרז;
• שינוי לחץ (לחומרים גזים);
• אזור מגע של חומרים (אם מדברים על תגובות הטרוגניות).

השפעת אופי החומר

הבדל כה משמעותי בשיעורי התגובות הכימיות מוסבר על ידי ערכים שונים של אנרגיית ההפעלה (ה_א).היא מובנת ככמות עודפת מסוימת של אנרגיה בהשוואה לערכה הממוצע הנדרש למולקולה בהתנגשות על מנת שתתרחש תגובה. הוא נמדד ב- kJ / mol והערכים הם בדרך כלל בטווח של 50-250.

מקובל כי אם ה_א= 150 kJ / mol עבור כל תגובה, ואז ב- n. בְּ.זה כמעט לא דולף. אנרגיה זו מושקעת בהתגברות על הדחייה בין מולקולות החומרים ועל היחלשות הקשרים בחומרים המקוריים. במילים אחרות, אנרגיית ההפעלה מאפיינת את חוזק הקשרים הכימיים בחומרים. לפי ערך אנרגיית ההפעלה, ניתן להעריך מראש את קצב התגובה הכימית:

• ה_א<40, אינטראקציה של חומרים מתרחשת די מהר, מכיוון שכמעט כל התנגשויות החלקיקים מובילות לתגובתן;
• 40 <ה_א<120, מניחה תגובה ממוצעת, שכן רק מחצית מההתנגשויות של המולקולות יהיו יעילות (למשל, תגובת האבץ עם חומצה הידרוכלורית);
• ה_א> 120, רק חלק קטן מאוד מהתנגשויות חלקיקים יוביל לתגובה, ומהירותו תהיה נמוכה.

השפעת הריכוז

התלות של קצב התגובה בריכוז מאופיינת בצורה המדויקת ביותר בחוק הפעולה ההמונית (MAS), שכתוב עליה:

חוק זה מתאים לתגובות יסודיות של שלב אחד, או לכל שלב באינטראקציה של חומרים, המאופיין במנגנון מורכב.

אם ברצונך לקבוע את קצב התגובה הכימית שאת משוואתה ניתן לכתוב באופן מקובל כך:

αА + bB = ϲС, אם כן,

בהתאם לניסוח החוק לעיל, ניתן למצוא את המהירות על ידי המשוואה:

V = k · [A]^א· [B]^באיפה

a ו- b הם מקדמים סטוכיומטרים,

[A] ו- [B] הם הריכוזים של התרכובות ההתחלתיות,

k הוא קבוע הקצב של התגובה הנחשבת.

המשמעות של מקדם הקצב של תגובה כימיתטמון בעובדה שערכו יהיה שווה לשיעור אם ריכוזי התרכובות שווים ליחידות. יש לציין כי לחישוב נכון באמצעות נוסחה זו כדאי לקחת בחשבון את מצב הצבירה של הריאגנטים. ריכוז המוצק נחשב לאחדות ואינו נכלל במשוואה, מכיוון שהוא נשאר קבוע במהלך התגובה. לפיכך, רק ריכוזים של חומרים נוזליים וגזים נכללים בחישוב עבור ZDM. אז, לתגובה של קבלת דו תחמוצת הסיליקון מחומרים פשוטים, המתוארים על ידי המשוואה

סִי_{(טֵלֶוִיזִיָה)} + Ο_{2 (ד)} = SiΟ_{2 (טלוויזיה)},

המהירות תיקבע לפי הנוסחה:

V = k · [Ο₂u

משימה אופיינית

כיצד ישתנה קצב התגובה הכימית של חנקן חד חמצני עם חמצן אם ריכוזי התרכובות ההתחלתיות יוכפלו?

פתרון: תהליך זה מתאים למשוואת התגובה:

2ΝΟ + Ο₂= 2ΝΟ₂.

הבה נכתוב ביטויים לראשוני (ᴠ₁) וסופי (ᴠ₂) שיעורי התגובה:

ᴠ₁= k · [ΝΟ]²· [Ο₂] ו

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

השלב הבא הוא הפרדת הצד השמאלי והימני:

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

ערכי הריכוז וקביעי הקצב מופחתים, וזה נשאר:

ᴠ₂/ ᴠ₁ = 4 2/1 = 8.

תשובה: גדל פי 8.

השפעת הטמפרטורה

תלות בקצב התגובה הכימית בהטמפרטורה נקבעה באופן אמפירי על ידי המדען ההולנדי ג'יי ה 'ואנט'ט הופ. הוא מצא כי קצב התגובות הרבות עולה בגורם 2-4 עם עלייה בטמפרטורה על כל 10 מעלות. לכלל זה יש ביטוי מתמטי שנראה כך:

ᴠ₂ = ᴠ₁Γ^{(Τ2-Τ1) / 10}איפה

ᴠ₁ ו- ᴠ₂ - המהירויות המתאימות בטמפרטורות Τ₁ ו- Τ₂;

γ - מקדם טמפרטורה, שווה ל 2-4.

עם זאת, כלל זה אינו מסביר את המנגנוןהשפעת הטמפרטורה על ערך קצב התגובה כזו או אחרת ואינה מתארת ​​את מכלול החוקים. הגיוני להסיק שעם עלייה בטמפרטורה, התנועה הכאוטית של חלקיקים עולה וזה מעורר מספר רב יותר של התנגשויות שלהם. עם זאת, הדבר אינו משפיע במיוחד על יעילות ההתנגשות של מולקולות, מכיוון שהוא תלוי בעיקר באנרגיית ההפעלה. כמו כן, תפקיד משמעותי ביעילות התנגשויות החלקיקים ממלא את ההתאמה המרחבית שלהם זה לזה.

התלות של קצב התגובה הכימית בטמפרטורה, תוך התחשבות באופי המגיבים, מצייתת למשוואת Arrhenius:

k = א₀· ה^{-Ea / RΤ}איפה

א_o - מכפיל;

ה_א - אנרגיית הפעלה.

דוגמה לבעיה בחוק ואנט הופ

כיצד יש לשנות את הטמפרטורה כך שקצב התגובה הכימית, שעבורו מקדם הטמפרטורה שווה מבחינה מספרית ל -3, יגדל בפקטור של 27?

פִּתָרוֹן. בואו נשתמש בנוסחה

ᴠ₂ = ᴠ₁Γ^{(Τ2-Τ1) / 10}.

מהמצב ᴠ₂/ ᴠ₁ = 27, ו- γ = 3. מצא את ΔΤ = Τ₂–Τ₁.

בהפיכת הנוסחה המקורית נקבל:

ב₂/ ו₁= γ^{ΔΤ / 10}.

החלף את הערכים: 27 = 3^{ΔΤ / 10}.

מכאן שברור ש ΔΤ / 10 = 3 ו- ΔΤ = 30.

תשובה: הטמפרטורה צריכה להיות מוגברת ב- 30 מעלות.

השפעת זרזים

בכימיה הפיזיקלית קצב התגובות הכימיותהוא גם לומד באופן פעיל את החלק שנקרא קטליזה. הוא מתעניין כיצד ומדוע כמויות קטנות יחסית של חומרים מסוימים מגבירים משמעותית את קצב האינטראקציה של אחרים. חומרים כאלה שיכולים להאיץ את התגובה, אך אינם נצרכים בה בעצמם, נקראים זרזים.

הוכח כי זרזים משנים את המנגנון שלאינטראקציה כימית, תורמים להופעתם של מצבי מעבר חדשים, המתאפיינים בגובה מחסום אנרגיה נמוך יותר. כלומר, הם תורמים לירידה באנרגיית ההפעלה, ומכאן לעלייה במספר פגיעות החלקיקים היעילות. הזרז אינו יכול לגרום לתגובה שהיא בלתי אפשרית מבחינה אנרגטית.

אז מי חמצן מסוגל להתפרק ליצירת חמצן ומים:

ח₂Ο₂ = H₂Ο + Ο₂.

אבל תגובה זו איטית מאוד ובערכות העזרה הראשונה שלנוהוא קיים ללא שינוי במשך די הרבה זמן. אם תפתחו רק בקבוקונים ישנים מאוד של חמצן, תוכלו להבחין בקפיצה קלה הנגרמת מלחץ החמצן על דפנות הכלי. תוספת של כמה גרגירי תחמוצת מגנזיום בלבד תעורר התפתחות גז פעיל.

אותה תגובה של פירוק החמצן, אבל כבר מתחתעל ידי פעולת הקטלאז, מתרחשת במהלך הטיפול בפצעים. אורגניזמים חיים מכילים חומרים רבים ושונים המגבירים את קצב התגובות הביוכימיות. הם נקראים אנזימים.

השפעה הפוכה על מהלך התגובותיש מעכבים. עם זאת, זה לא תמיד דבר רע. מעכבים משמשים להגנה על מוצרי מתכת מפני קורוזיה, להארכת חיי המדף של מזון, למשל, למניעת חמצון שומן.

אזור מגע של חומרים

במקרה שהאינטראקציה עוברת ביןתרכובות בעלות מצבי צבירה שונים, או בין חומרים שאינם מסוגלים ליצור מדיום הומוגני (נוזלים שאינם ניתנים לניתוק), אזי גורם זה משפיע באופן משמעותי גם על קצב התגובה הכימית. זאת בשל העובדה שתגובות הטרוגניות מתבצעות ישירות בממשק בין שלבי החומרים האינטראקטיביים. ברור שככל שהגבול הזה רחב יותר כך יש לחלקיקים יותר אפשרות להתנגש והתגובה מתקדמת מהר יותר.

לדוגמה, עץ נשרף הרבה יותר מהרבצורה של שבבים קטנים ולא של בולי עץ. לאותה מטרה, מוצקים רבים נטחנים לאבקה דקה לפני הוספתם לתמיסה. אז, אבקת גיר (סידן פחמתי) פועלת מהר יותר עם חומצה הידרוכלורית מאשר חתיכה מאותה מסה. עם זאת, בנוסף להגדלת השטח, טכניקה זו מובילה גם לקרע כאוטי של סריג הגביש של החומר, מה שאומר שהיא מגבירה את תגובתיות החלקיקים.

מבחינה מתמטית, קצב התגובה הכימית הטרוגנית נמצא כשינוי בכמות החומר (Δν) המתרחשת ליחידת זמן (Δt) ליחידת שטח

(S): V = Δν / (S Δt).

השפעת הלחץ

לשינויים בלחץ המערכת יש השפעהרק במקרה בו גזים לוקחים חלק בתגובה. עלייה בלחץ מלווה בעלייה במולקולות החומר ליחידת נפח, כלומר ריכוזו עולה באופן יחסי. מנגד, הורדת הלחץ מובילה לירידה מקבילה בריכוז המגיב. במקרה זה, הנוסחה המתאימה ל- ZDM מתאימה לחישוב קצב התגובה הכימית.

משימה. כיצד יגדל קצב התגובה המתוארת במשוואה

2ΝΟ + Ο₂ = 2ΝΟ₂,

אם נפח המערכת הסגורה מופחת שלוש פעמים (T = const)?

פִּתָרוֹן. ככל שהנפח יורד, הלחץ עולה באופן יחסי. הבה נכתוב ביטויים לראשוני (V₁) וגמר (V₂) שיעורי התגובה:

ב₁ = k · [NΟ]²· [Ο₂] ו

ב₂ = k · (3 · [NΟ])²· 3 · [Ο₂] = k · 9 [ΝΟ]²· 3 [Ο₂u

כדי לגלות כמה פעמים המהירות החדשה גדולה מההתחלה, עליך להפריד בין החלקים השמאליים והימניים של הביטויים:

ב₁/ ו₂ = (k · 9 [ΝΟ]²· 3 [Ο₂]) / (k · [ΝΟ]²· [Ο₂]).

ערכי הריכוז וקביעי הקצב מופחתים, וזה נשאר:

ב₂/ ו₁ = 9 3/1 = 27.

תשובה: המהירות עלתה 27 פעמים.

לסיכום, יש לציין כי המהירותהאינטראקציה של חומרים, או יותר נכון, מספר ואיכות ההתנגשויות של חלקיקיהם מושפע מגורמים רבים. קודם כל, זוהי אנרגיית ההפעלה והגיאומטריה של המולקולות, שכמעט בלתי אפשרי לתקן אותן. באשר לשאר התנאים, לעלייה בקצב התגובה, נובע:

• להגדיל את הטמפרטורה של מדיום התגובה;
• להגדיל את ריכוז התרכובות ההתחלתיות;
• להגביר את הלחץ במערכת או להפחית את נפחה כשמדובר בגזים;
• להביא חומרים שונים לאותו מצב של צבירה (למשל על ידי התמוססות במים) או להגדיל את שטח המגע שלהם.