Door de snelheid van een chemische reactie te bestuderen eneen van de richtingen van de fysische chemie, de chemische kinetiek, houdt zich bezig met de omstandigheden die de verandering ervan beïnvloeden. Ze onderzoekt ook de mechanismen van deze reacties en hun thermodynamische validiteit. Deze onderzoeken zijn niet alleen van belang voor wetenschappelijke doeleinden, maar ook voor het monitoren van de interactie van componenten in reactoren bij de productie van allerlei stoffen.
Het concept van snelheid in de chemie
Het is gebruikelijk om een reactiesnelheid een bepaalde te noemenverandering in de concentraties van de reagerende verbindingen (ΔC) per tijdseenheid (Δt). De wiskundige formule voor de snelheid van een chemische reactie is als volgt:
ᴠ = ± ΔC / Δt.
Meet de reactiesnelheid in mol / l ∙ s, als deze optreedt in het gehele volume (dat wil zeggen, de reactie is homogeen) en in mol / m2∙ s, als de interactie plaatsvindt op het oppervlak,scheidingsfase (dat wil zeggen, de reactie is heterogeen). Het "-" teken in de formule verwijst naar de verandering in de waarden van de concentraties van de aanvankelijk reagerende stoffen, en het "+" teken - naar de veranderende waarden van de concentraties van de producten van dezelfde reactie.
Voorbeelden van reacties met verschillende snelheden
Chemische interacties kunnenuitgevoerd met verschillende snelheden. Dus de groeisnelheid van stalactieten, dat wil zeggen de vorming van calciumcarbonaat, is slechts 0,5 mm per 100 jaar. Sommige biochemische reacties zijn traag, zoals fotosynthese en eiwitsynthese. Corrosie van metalen verloopt in een vrij laag tempo.
De gemiddelde snelheid kan worden gekenmerkt door reacties,van één tot meerdere uren nodig hebben. Een voorbeeld is de bereiding van voedsel, die gepaard gaat met de afbraak en omzetting van verbindingen in voedsel. Voor de synthese van afzonderlijke polymeren moet het reactiemengsel gedurende een bepaalde tijd worden verwarmd.
Een voorbeeld van chemische reacties, waarvan de snelheid:vrij hoog is, kunnen neutralisatiereacties, de interactie van natriumbicarbonaat met een oplossing van azijnzuur, vergezeld van de afgifte van koolstofdioxide, dienen. Je kunt ook de interactie van bariumnitraat met natriumsulfaat noemen, waarbij de precipitatie van onoplosbaar bariumsulfaat wordt waargenomen.
Een groot aantal reacties kan razendsnel verlopen en gaat gepaard met een explosie. Een klassiek voorbeeld is de interactie van kalium met water.
Factoren die de snelheid van een chemische reactie beïnvloeden
Opgemerkt moet worden dat dezelfde stoffen kunnen:met verschillende snelheden op elkaar reageren. Het kan dus zijn dat een mengsel van gasvormige zuurstof en waterstof gedurende een vrij lange tijd geen tekenen van interactie vertoont, maar wanneer de container wordt geschud of geraakt, wordt de reactie explosief. Daarom, chemische kinetiek en bepaalde factoren geïdentificeerd die het vermogen hebben om de snelheid van chemische reactie te beïnvloeden. Waaronder:
- de aard van de interagerende stoffen;
- concentratie van reagentia;
- temperatuurverandering;
- de aanwezigheid van een katalysator;
- drukverandering (voor gasvormige stoffen);
- contactgebied van stoffen (als we het hebben over heterogene reacties).
Invloed van de aard van de materie
Zo'n significant verschil in de snelheden van chemische reacties wordt verklaard door verschillende waarden van de activeringsenergie (Een).Het wordt opgevat als een bepaalde overmatige hoeveelheid energie in vergelijking met de gemiddelde waarde die nodig is voor een molecuul bij een botsing om een reactie te laten plaatsvinden. Het wordt gemeten in kJ / mol en de waarden liggen meestal in het bereik van 50-250.
Het is algemeen aanvaard dat als Een= 150 kJ / mol voor elke reactie, dan bij n. Bij.het lekt praktisch niet. Deze energie wordt besteed aan het overwinnen van de afstoting tussen de moleculen van stoffen en aan het verzwakken van de bindingen in de oorspronkelijke stoffen. Met andere woorden, de activeringsenergie kenmerkt de sterkte van chemische bindingen in stoffen. Door de waarde van de activeringsenergie kan men voorlopig de snelheid van een chemische reactie schatten:
- Een<40, de interactie van stoffen vindt vrij snel plaats, omdat bijna alle botsingen van deeltjes tot hun reactie leiden;
- 40 <Een<120 wordt uitgegaan van een gemiddelde reactie, aangezien slechts de helft van de botsingen van de moleculen effectief zal zijn (bijvoorbeeld de reactie van zink met zoutzuur);
- Een> 120, zal slechts een zeer klein deel van de deeltjesbotsingen tot een reactie leiden en zal de snelheid ervan laag zijn.
Effect van concentratie
De afhankelijkheid van de reactiesnelheid van de concentratie wordt het meest nauwkeurig gekarakteriseerd door de wet van massale actie (MAS), die luidt:
De snelheid van een chemische reactie heeft een directeproportionele afhankelijkheid van het product van de concentraties van de reagerende stoffen, waarvan de waarden worden genomen in vermogens die overeenkomen met hun stoichiometrische coëfficiënten.
Deze wet is geschikt voor elementaire eentrapsreacties, of elk stadium van de interactie van stoffen, gekenmerkt door een complex mechanisme.
Als u de snelheid van een chemische reactie wilt bepalen, kan de vergelijking conventioneel worden geschreven als:
αА + bB = ϲС, dan,
in overeenstemming met de bovenstaande formulering van de wet, kan de snelheid worden gevonden door de vergelijking:
V = k · [A]en· [B]inwaarin
a en b zijn stoichiometrische coëfficiënten,
[A] en [B] zijn de concentraties van de uitgangsverbindingen,
k is de snelheidsconstante van de beschouwde reactie.
De betekenis van de snelheidscoëfficiënt van een chemische reactieligt in het feit dat de waarde gelijk zal zijn aan de snelheid als de concentraties van de verbindingen gelijk zijn aan eenheden. Opgemerkt moet worden dat het voor een juiste berekening met behulp van deze formule de moeite waard is om rekening te houden met de aggregatietoestand van de reagentia. De concentratie van de vaste stof wordt als eenheid beschouwd en wordt niet in de vergelijking opgenomen, omdat deze constant blijft tijdens de reactie. Voor ZDM worden dus alleen concentraties van vloeibare en gasvormige stoffen meegenomen in de berekening. Dus, voor de reactie om siliciumdioxide te verkrijgen uit eenvoudige stoffen, beschreven door de vergelijking
Si(TV) +2 (d) = SiΟ2 (tv),
snelheid wordt bepaald door de formule:
V = k · [Ο2
Typische taak
Hoe zou de snelheid van de chemische reactie van stikstofmonoxide met zuurstof veranderen als de concentraties van de uitgangsverbindingen zouden worden verdubbeld?
Oplossing: Dit proces komt overeen met de reactievergelijking:
2ΝΟ +2= 2ΝΟ2.
Laten we uitdrukkingen schrijven voor de initiaal (ᴠ1) en definitief (ᴠ2) reactiesnelheden:
ᴠ1= k · [ΝΟ]2· [Ο2] en
ᴠ2= k · (2 · [ΝΟ])2· 2 · [Ο2] = k · 4 [ΝΟ]2· 2 [Ο2
De volgende stap is het scheiden van de linker- en rechterkant:
ᴠ1/2 = (k · 4 [ΝΟ]2· 2 [Ο2]) / (k · [ΝΟ]2· [Ο2]).
De concentratiewaarden en snelheidsconstanten worden verlaagd en het blijft:
ᴠ2/1 = 4 2/1 = 8.
Antwoord: 8 keer verhoogd.
Invloed van temperatuur
Afhankelijkheid van de snelheid van een chemische reactie optemperatuur werd empirisch bepaald door de Nederlandse wetenschapper J.H. Van't Hoff. Hij ontdekte dat de snelheid van veel reacties met een factor 2-4 toeneemt met een temperatuurstijging voor elke 10 graden. Er is een wiskundige uitdrukking voor deze regel, die er als volgt uitziet:
ᴠ2 =1Γ(Τ2-Τ1) / 10waarin
ᴠ1 en2 - de bijbehorende snelheden bij temperaturen Τ1 en2;
γ - temperatuurcoëfficiënt, gelijk aan 2-4.
Deze regel verklaart echter niet het mechanismede invloed van temperatuur op de waarde van de snelheid van een of andere reactie en beschrijft niet de hele reeks wetten. Het is logisch om te concluderen dat met een toename van de temperatuur de chaotische beweging van deeltjes toeneemt en dit veroorzaakt een groter aantal van hun botsingen. Dit heeft echter geen bijzondere invloed op de efficiëntie van de botsing van moleculen, omdat dit voornamelijk afhangt van de activeringsenergie. Ook wordt een belangrijke rol gespeeld in de efficiëntie van deeltjesbotsingen door hun ruimtelijke correspondentie met elkaar.
De afhankelijkheid van de snelheid van een chemische reactie van de temperatuur, rekening houdend met de aard van de reactanten, voldoet aan de Arrhenius-vergelijking:
k = A0· E-Ea / RΤwaarin
Eenover - vermenigvuldiger;
Een - activeringsenergie.
Een voorbeeld van een probleem met de wet van Van't Hoff
Hoe moet de temperatuur worden veranderd zodat de snelheid van een chemische reactie, waarvoor de temperatuurcoëfficiënt numeriek gelijk is aan 3, met een factor 27 toeneemt?
Oplossing. Laten we de formule gebruiken
ᴠ2 =1Γ(Τ2-Τ1) / 10.
Uit de staat2/1 = 27, en γ = 3. Vind ΔΤ = Τ2–Τ1.
Als we de oorspronkelijke formule transformeren, krijgen we:
de2/ V1=ΔΤ / 10.
Vervang de waarden: 27 = 3ΔΤ / 10.
Het is dus duidelijk dat ΔΤ / 10 = 3 en ΔΤ = 30.
Antwoord: de temperatuur moet met 30 graden worden verhoogd.
Effect van katalysatoren
In de fysische chemie, de snelheid van chemische reactieshij bestudeert ook actief het onderdeel katalyse. Hij is geïnteresseerd in hoe en waarom relatief kleine hoeveelheden van bepaalde stoffen de interactiesnelheid van andere aanzienlijk verhogen. Dergelijke stoffen die de reactie kunnen versnellen, maar er zelf niet in worden verbruikt, worden katalysatoren genoemd.
Het is bewezen dat katalysatoren het mechanisme vanchemische interactie, bijdragen aan het verschijnen van nieuwe overgangstoestanden, die worden gekenmerkt door lagere energiebarrièrehoogten. Dat wil zeggen, ze dragen bij tot een afname van de activeringsenergie en daarmee tot een toename van het aantal effectieve deeltjesinslagen. De katalysator kan geen reactie veroorzaken die energetisch onmogelijk is.
Dus waterstofperoxide kan ontleden om zuurstof en water te vormen:
H2Ο2 = H2+2.
Maar deze reactie is erg traag en zit in onze EHBO-koffershet bestaat al geruime tijd onveranderd. Als u alleen zeer oude flacons met peroxide opent, zult u een licht ploffen opmerken dat wordt veroorzaakt door de druk van zuurstof op de wanden van het vat. De toevoeging van slechts enkele korrels magnesiumoxide zal een actieve gasontwikkeling veroorzaken.
Dezelfde reactie van de ontleding van peroxide, maar al onderdoor de werking van katalase, treedt op tijdens de behandeling van wonden. Levende organismen bevatten veel verschillende stoffen die de snelheid van biochemische reacties verhogen. Ze worden enzymen genoemd.
Tegenovergesteld effect op het verloop van reactiesremmers hebben. Dit is echter niet altijd een slechte zaak. Remmers worden gebruikt om metalen producten te beschermen tegen corrosie, om de houdbaarheid van voedsel te verlengen, bijvoorbeeld om vetoxidatie te voorkomen.
Contactgebied van stoffen
In het geval dat de interactie tussenverbindingen die verschillende aggregatietoestanden hebben, of tussen stoffen die geen homogeen medium kunnen vormen (onmengbare vloeistoffen), dan heeft deze factor ook een significante invloed op de snelheid van een chemische reactie. Dit komt door het feit dat heterogene reacties direct op het grensvlak tussen de fasen van de interagerende stoffen worden uitgevoerd. Het is duidelijk dat hoe breder deze grens is, hoe meer deeltjes de mogelijkheid hebben om te botsen, en hoe sneller de reactie verloopt.
Hout brandt bijvoorbeeld veel sneller.in de vorm van kleine chips in plaats van houtblokken. Voor hetzelfde doel worden veel vaste stoffen vermalen tot een fijn poeder voordat ze aan de oplossing worden toegevoegd. Krijtpoeder (calciumcarbonaat) werkt dus sneller met zoutzuur dan een stuk van dezelfde massa. Naast het vergroten van het oppervlak leidt deze techniek echter ook tot een chaotische breuk van het kristalrooster van de stof, waardoor de reactiviteit van de deeltjes toeneemt.
Wiskundig gezien wordt de snelheid van een heterogene chemische reactie gevonden als de verandering in de hoeveelheid stof (Δν) die optreedt per tijdseenheid (Δt) per oppervlakte-eenheid
(S): V = / (S t).
Invloed van druk
Veranderingen in systeemdruk hebben effectalleen in het geval dat gassen deelnemen aan de reactie. Een toename van de druk gaat gepaard met een toename van de moleculen van de stof per volume-eenheid, dat wil zeggen dat de concentratie evenredig toeneemt. Omgekeerd leidt het verlagen van de druk tot een equivalente afname van de concentratie van het reagens. In dit geval is de formule die overeenkomt met de ZDM geschikt om de snelheid van een chemische reactie te berekenen.
Een taak. Hoe zal de snelheid van de reactie beschreven door de vergelijking
2ΝΟ +2 = 2ΝΟ2,
als het volume van een gesloten systeem driemaal wordt verminderd (T = const)?
Oplossing. Naarmate het volume afneemt, neemt de druk evenredig toe. Laten we uitdrukkingen schrijven voor de initiaal (V1) en definitief (V2) reactiesnelheden:
de1 = k · [NΟ]2· [Ο2] en
de2 = k · (3 · [NΟ])2· 3 · [Ο2] = k · 9 [ΝΟ]2· 3 [Ο2
Als u wilt weten hoe vaak de nieuwe snelheid groter is dan de oorspronkelijke snelheid, moet u het linker- en rechtergedeelte van de uitdrukkingen scheiden:
de1/ V2 = (k · 9 [ΝΟ]2· 3 [Ο2]) / (k · [ΝΟ]2· [Ο2]).
De concentratiewaarden en snelheidsconstanten worden verlaagd en het blijft:
de2/ V1 = 9 3/1 = 27.
Antwoord: de snelheid is 27 keer verhoogd.
Samenvattend moet worden opgemerkt dat de snelheidde interactie van stoffen, of liever, het aantal en de kwaliteit van botsingen van hun deeltjes wordt beïnvloed door vele factoren. Allereerst is het de activeringsenergie en de geometrie van moleculen die bijna niet te corrigeren zijn. Wat betreft de andere voorwaarden, voor een toename van de reactiesnelheid, volgt het volgende:
- verhoog de temperatuur van het reactiemedium;
- de concentratie van de uitgangsverbindingen verhogen;
- verhoog de druk in het systeem of verminder het volume als het gaat om gassen;
- om ongelijke stoffen in dezelfde staat van aggregatie te brengen (bijvoorbeeld door op te lossen in water) of om het contactoppervlak te vergroten.
