В какви единици се изразява скоростта на химичната реакция? Физикохимия

Скоростта на химичната реакция зависи от следните фактори:

1) Естеството на реагиращите вещества.

2) Контактната повърхност на реагентите.

3) Концентрация на реагентите.

4) Температура.

5) Наличие на катализатори.

Скоростта на хетерогенните реакции също зависи от:

а) размерът на фазовия интерфейс (с увеличаване на фазовия интерфейс се увеличава скоростта на хетерогенните реакции);

б) скоростта на подаване на реагиращи вещества към фазовата граница и скоростта на отстраняване на реакционните продукти от нея.

Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция:

1. Естество на реагентите. Характерът на химичните връзки в съединенията и структурата на техните молекули играят важна роля. Например, освобождаването на водород от цинк от разтвор на солна киселина става много по-бързо, отколкото от разтвор на оцетна киселина, тъй като полярността на връзката H-C1 е по-голяма от връзката O-H в молекулата CH 3 COOH, в други думи, поради факта, че HCl - е силен електролит, а CH 3 COOH е слаб електролит във воден разтвор.

2. Контактна повърхност на реагентите. как повече повърхностконтакт на реагиращи вещества, толкова по-бързо протича реакцията. Повърхността на твърдите вещества може да се увеличи чрез смилането им, а за разтворимите вещества чрез разтварянето им. Реакциите в разтворите настъпват почти мигновено.

3. Концентрация на реагентите. За да възникне взаимодействие, частиците на реагиращите вещества в хомогенна система трябва да се сблъскат. При увеличаване концентрации на реагентискоростта на реакциите се увеличава. Това се обяснява с факта, че с увеличаването на количеството вещество на единица обем се увеличава броят на сблъсъците между частиците на реагиращите вещества. Броят на сблъсъците е пропорционален на броя на частиците на реагиращите вещества в обема на реактора, т.е. на техните моларни концентрации.

Изразява се количествената зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите закон за масовото действие (Гулдберг и Вааге, Норвегия, 1867): скоростта на химичната реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества.

За реакция:

aA + bB ↔ cC + dD

скоростта на реакция в съответствие със закона за масовото действие е равна на:

υ = k[А]υ а[б]υ b,(9)

където [A] и [B] са концентрациите на изходните вещества;

к-константа на скоростта на реакцията, която е равна на скоростта на реакцията при концентрации на реагентите [A] = [B] = 1 mol/l.

Константата на скоростта на реакцията зависи от естеството на реагентите, температурата, но не зависи от концентрацията на веществата.

Извиква се израз (9). кинетично уравнение на реакцията. Кинетичните уравнения включват концентрациите на газообразни и разтворени вещества, но не включват концентрациите на твърди вещества:

2SO 2 (g) + O 2 (g) = 2SO 3 (g); υ = к 2 · [02];

CuO (tv.) + H 2 (g) = Cu (tv.) + H 2 O (g); υ = k.

Използвайки кинетични уравнения, можете да изчислите как се променя скоростта на реакцията, когато се променя концентрацията на реагентите.

Влиянието на катализатора.

5. Реакционна температура.Теория на активния сблъсък

За да се осъществи елементарен акт на химично взаимодействие, реагиращите частици трябва да се сблъскат една с друга. Не всеки сблъсък обаче води до химическа реакция. Химическото взаимодействие възниква, когато частиците се доближат до разстояния, при които е възможно преразпределение на електронната плътност и образуването на нови химични връзки. Взаимодействащите частици трябва да имат достатъчно енергия, за да преодолеят силите на отблъскване, които възникват между техните електронни обвивки.

Преходно състояние- състоянието на системата, при което разрушаването и създаването на връзки са балансирани. Системата остава в преходно състояние за кратко време (10–15 s). Енергията, която трябва да се изразходва, за да се приведе системата в преходно състояние, се нарича активираща енергия. При многоетапни реакции, които включват няколко преходни състояния, енергията на активиране съответства на най-висока стойностенергия. След преодоляване на преходното състояние молекулите отново се разпръскват с разрушаване на стари връзки и образуване на нови или с трансформация на първоначалните връзки. И двата варианта са възможни, тъй като се случват с освобождаването на енергия. Има вещества, които могат да намалят енергията на активиране на дадена реакция.

Активните молекули A 2 и B 2 при сблъсък се комбинират в междинен активен комплекс A 2 ... B 2 с отслабване и след това разкъсване A-A връзкии B-B и укрепване на връзките A-B.

„Енергията на активиране” на реакцията за образуване на НI (168 kJ/mol) е значително по-малка от енергията, необходима за пълно разкъсване на връзката в изходните молекули на Н2 и I2 (571 kJ/mol). Следователно пътят на реакцията през формацията активен (активиран) комплексенергийно по-благоприятен от пътя през пълното разкъсване на връзките в изходните молекули. По-голямата част от реакциите протичат чрез образуването на междинни активни комплекси. Принципите на теорията на активния комплекс са разработени от Г. Айринг и М. Поляни през 30-те години на 20 век.

Активираща енергияпредставлява излишната кинетична енергия на частиците спрямо средната енергия, необходима за химическата трансформация на сблъскващи се частици. Реакциите се характеризират с различни енергии на активиране (E a).В повечето случаи енергията на активиране на химичните реакции между неутралните молекули варира от 80 до 240 kJ/mol. Стойности за биохимични процеси E ачесто по-ниски - до 20 kJ/mol. Това се обяснява с факта, че по-голямата част от биохимичните процеси протичат през етапа на ензимно-субстратните комплекси. Енергийните бариери ограничават реакцията. Поради това по принцип възможните реакции (с Q< 0) практически всегда не протекают или замедляются. Реакции с энергией активации выше 120 кДж/моль настолько медленны, что их протекание трудно заметить.

За да възникне реакция, молекулите трябва да са ориентирани по определен начин и да имат достатъчно енергия, когато се сблъскат. Вероятността за правилна ориентация на сблъсък се характеризира с ентропия на активиране ∆S a. Преразпределението на електронната плътност в активния комплекс се благоприятства от условието, когато при сблъсък молекулите A 2 и B 2 са ориентирани, както е показано на фиг. 3а, докато с ориентацията, показана на фиг. 3b, вероятността от реакция е дори много по-малка - на фиг. 3в.

Ориз. 3. Благоприятни (a) и неблагоприятни (b, c) ориентации на молекулите A 2 и B 2 при сблъсък

Уравнението, характеризиращо зависимостта на скоростта и реакцията от температурата, енергията на активиране и ентропията на активиране има формата:

(10)

Където к-константа на скоростта на реакцията;

А- като първо приближение общ бройсблъсъци между молекули за единица време (секунда) за единица обем;

д- основата на естествените логаритми;

Р- универсална газова константа;

T- абсолютна температура;

E а- енергия на активиране;

∆S a- промяна в ентропията на активиране.

Уравнение (11) е изведено от Арениус през 1889 г. Предекспоненциален фактор Апропорционално на общия брой сблъсъци между молекули за единица време. Неговата размерност съвпада с размерността на константата на скоростта и зависи от общия ред на реакцията.

Изложителравен на дела на активните сблъсъци от общия им брой, т.е. сблъскващите се молекули трябва да имат достатъчна енергия на взаимодействие. Вероятността за желаната им ориентация в момента на удара е пропорционална на .

При обсъждането на закона за действието на масата за скорост (9) беше изрично посочено, че константата на скоростта е постоянна стойност, която не зависи от концентрациите на реагентите. Предполага се, че всички химични трансформации се извършват при постоянна температура. В същото време скоростта на химическата трансформация може да се промени значително с намаляване или повишаване на температурата. От гледна точка на закона за масовото действие, тази промяна в скоростта се дължи на температурната зависимост на константата на скоростта, тъй като концентрациите на реагиращите вещества се променят леко поради термично разширение или компресия на течността.

Най-известният факт е, че скоростта на реакциите се увеличава с повишаване на температурата. Този вид температурна зависимост на скоростта се нарича нормално (фиг. 3 а). Този вид зависимост е характерен за всички прости реакции.

Ориз. 3. Видове температурна зависимост на скоростта на химичните реакции: а - нормална;

b - ненормален; в - ензимен

Сега обаче са добре известни химични трансформации, чиято скорост намалява с повишаване на температурата; този тип температурна зависимост на скоростта се нарича ненормален . Пример за това е газофазовата реакция на азотен (II) оксид с бром (фиг. 3 b).

От особен интерес за лекарите е температурната зависимост на скоростта на ензимните реакции, т.е. реакции, включващи ензими. Почти всички реакции, протичащи в тялото, принадлежат към този клас. Например, когато водородният пероксид се разлага в присъствието на ензима каталаза, скоростта на разлагане зависи от температурата. В диапазона 273-320 ДА СЕТемпературната зависимост е нормална. С повишаване на температурата скоростта се увеличава, а с понижаване на температурата намалява. Когато температурата се повиши над 320 ДА СЕима рязък аномален спад в скоростта на разлагане на пероксида. Подобна картина се наблюдава и при други ензимни реакции (фиг. 3в).

От уравнението на Арениус за кясно е, че тъй като Tвключена в показателя, скоростта на химичната реакция е много чувствителна към температурните промени. Зависимостта на скоростта на хомогенна реакция от температурата може да се изрази чрез правилото на Ван Хоф, според което при всяко повишаване на температурата с 10° скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти;се нарича число, показващо колко пъти се увеличава скоростта на дадена реакция при повишаване на температурата с 10° температурен коефициент на скорост на реакцията -γ.

Това правило се изразява математически със следната формула:

(12)

където γ е температурният коефициент, който показва колко пъти се увеличава скоростта на реакцията при повишаване на температурата с 10 0; υ 1 –t 1; υ 2 –скорост на реакция при температура t2.

Тъй като температурата се увеличава в аритметична прогресия, скоростта нараства в геометрична прогресия.

Например, ако γ = 2,9, тогава с повишаване на температурата със 100 ° скоростта на реакцията се увеличава с 2,9 10 пъти, т.е. 40 хиляди пъти. Отклоненията от това правило са биохимични реакции, чиято скорост се увеличава десетки пъти с леко повишаване на температурата. Това правило е валидно само до грубо приближение. Реакциите с участието на големи молекули (протеини) се характеризират с голям температурен коефициент. Скоростта на денатурация на протеин (яйчен албумин) се увеличава 50 пъти при повишаване на температурата с 10 °C. След достигане на определен максимум (50-60 °C) скоростта на реакцията рязко намалява в резултат на термична денатурация на протеина.

За много химични реакции законът за действието на масата за скоростта е неизвестен. В такива случаи изразът може да се използва за описание на температурната зависимост на скоростта на преобразуване:

Предекспонент И съсне зависи от температурата, а зависи от концентрацията. Мерната единица е mol/l∙s.

Теоретичната зависимост позволява скоростта да бъде изчислена предварително при всяка температура, ако са известни енергията на активиране и предекспоненциалната. По този начин се предвижда влиянието на температурата върху скоростта на химичната трансформация.

Сложни реакции

Принципът на независимостта.Всичко, обсъдено по-горе, се отнася до относително прости реакции, но в химията често се срещат така наречените сложни реакции. Такива реакции включват тези, обсъдени по-долу. При теглене кинетични уравненияЗа тези реакции се използва принципът на независимост: Ако в една система протичат няколко реакции, тогава всяка от тях е независима от останалите и нейната скорост е пропорционална на произведението на концентрациите на нейните реагенти.

Паралелни реакции- Това са реакции, протичащи едновременно в няколко посоки.

Термичното разлагане на калиев хлорат протича едновременно в две реакции:

Последователни реакции- Това са реакции, протичащи на няколко етапа. Това са повечето реакции в химията.

.

Конюгирани реакции.Ако в една система протичат няколко реакции и протичането на една от тях е невъзможно без другата, тогава тези реакции се наричат. спрегнати , а самото явление - чрез индукция .

2HI + H 2 CrO 4 → I 2 + Cr 2 O 3 + H 2 O.

Тази реакция практически не се наблюдава при нормални условия, но ако FeO се добави към системата, възниква следната реакция:

FeO + H 2 CrO 4 → Fe 2 O 3 + Cr 2 O 3 + H 2 O

и в същото време настъпва първата реакция. Причината за това е образуването във втората реакция на междинни продукти, участващи в първата реакция:

FeO 2 + H 2 CrO 4 → Cr 2 O 3 + Fe 5+;

HI + Fe 5+ → Fe 2 O 3 + I 2 + H 2 O.

Химическа индукция- явление, при което една химична реакция (вторична) зависи от друга (първична).

A+ IN- първиченреакция,

A+C- вториреакция,

тогава А е активатор, IN- индуктор, C - акцептор.

По време на химичната индукция, за разлика от катализата, концентрациите на всички участници в реакцията намаляват.

Фактор на индукцияопределен от следното уравнение:

.

В зависимост от големината на коефициента на индукция са възможни следните случаи.

аз > 0 - процес на затихване. Скоростта на реакцията намалява с времето.

аз < 0 - ускоряющийся процесс. Скорость реакции увеличи­вается со временем.

Явлението индукция е важно, тъй като в някои случаи енергията на първичната реакция може да компенсира енергията, изразходвана във вторичната реакция. Поради тази причина, например, се оказва термодинамично възможно да се синтезират протеини чрез поликондензация на аминокиселини.

Верижни реакции.Ако химическата реакция протича с образуването на активни частици (йони, радикали), които, влизайки в последващи реакции, предизвикват появата на нови активни частици, тогава тази последователност от реакции се нарича верижна реакция.

Образуването на свободни радикали е свързано с изразходването на енергия за разкъсване на връзките в молекулата. Тази енергия може да бъде предадена на молекулите чрез осветяване, електрически разряд, нагряване, облъчване с неутрони, α- и β-частици. За провеждане на верижни реакции при ниски температури в реакционната смес се въвеждат инициатори - вещества, които лесно образуват радикали: натриеви пари, органични пероксиди, йод и др.

Реакцията на образуване на хлороводород от прости връзки, активиран от светлина.

Обща реакция:

H 2 + C1 2 2HC1.

Индивидуални етапи:

Сl 2 2Сl∙ фотоактивация на хлор (иницииране)

Cl∙ + H 2 = HCl + H∙ развитие на веригата

H∙ + Cl 2 = HCl + Cl∙ и т.н.

H∙ + Cl∙ = HCl отворена верига

Тук H∙ и Cl∙ са активни частици (радикали).

В този реакционен механизъм могат да се разграничат три групи от елементарни етапи. Първата е фотохимична реакция нуклеация на веригата. Молекулите на хлора, след като са абсорбирали светлинен квант, се дисоциират на свободни атоми, които са силно реактивни. Така по време на нуклеацията на верига се образуват свободни атоми или радикали от валентно-наситени молекули. Процесът на нуклеация на веригата също се нарича посвещение. Атомите на хлора, които имат несдвоени електрони, могат да реагират с молекулярен водород, образувайки молекули на хлороводород и атомен водород. Атомарният водород от своя страна взаимодейства с молекула хлор, в резултат на което отново се образуват молекула хлороводород и атомен хлор и т.н.

Тези процеси, характеризиращи се с повторение на едни и същи елементарни етапи (връзки) и протичащи със запазване на свободните радикали, водят до изразходване на изходни вещества и образуване на реакционни продукти. Такива групи от реакции се наричат реакции на развитие (или продължение) на веригата.

Етапът на верижната реакция, при който настъпва смъртта на свободните радикали, се нарича отворена верига. Прекъсването на веригата може да възникне в резултат на рекомбинацията на свободните радикали, ако енергията, освободена по време на този процес, може да бъде предадена на трето тяло: стената на съда или молекулите на инертни примеси (етапи 4, 5). Ето защо скоростта на верижните реакции е много чувствителна към наличието на примеси, към формата и размера на съда, особено при ниско налягане.

Броят на елементарните връзки от момента, в който веригата започне да се разкъсва, се нарича дължина на веригата. В разглеждания пример за всеки квант светлина се образуват до 10 5 молекули HCl.

Наричат ​​се верижни реакции, по време на които няма "умножаване" на броя на свободните радикали неразклонен или прости верижни реакции . Във всеки елементарен етап на неразклонен верижен процес един радикал "ражда" една молекула от продукта на реакцията и само един нов радикал (фиг. 41).

Други примери за прости верижни реакции: а) хлориране на парафинови въглеводороди Cl∙ + CH 4 → CH 3 ∙ + HC1; CH 3 ∙ + Cl - → CH 3 Cl + Cl ∙ и т.н.; б) реакции на радикална полимеризация, например полимеризация на винилацетат в присъствието на бензоил пероксид, който лесно се разлага на радикали; в) взаимодействието на водород с бром, което се осъществява по механизъм, подобен на реакцията на хлор с водород, само с по-къса дължина на веригата поради нейната ендотермичност.

Ако в резултат на акта на растеж се появят две или повече активни частици, тогава тази верижна реакция е разклонена.

През 1925 г. Н. Н. Семенов и неговите сътрудници откриват реакции, съдържащи елементарни етапи, в резултат на които се появяват не една, а няколко химически активни частици - атоми или радикали. Появата на няколко нови свободни радикала води до появата на няколко нови вериги, т.е. една верига клонове. Такива процеси се наричат ​​верижно-разклонени реакции (фиг. 42).

Пример за силно разклонен верижен процес е окислението на водород при ниско наляганеи температура около 900°C. Механизмът на реакцията може да бъде написан по следния начин.

1. H 2 + O 2 OH∙ + OH∙ започване на веригата

2. OH∙ + H2 → H2O + H∙ развитие на веригата

3. H∙ + O 2 → OH∙ + O: разклоняване на веригата

4. O: + H 2 → OH∙ +H∙

5. OH∙ +H 2 → H 2 O + H∙ продължение на веригата

6. Н∙ + Н∙ + стена → Н 2 отворена верига на стената на съда

7. H∙ + O 2 + M → HO 2 ∙ + M отворена верига в обема.

М е инертна молекула. Радикалът HO 2 ∙, образуван при троен сблъсък, е неактивен и не може да продължи веригата.

На първия етап от процеса се образуват хидроксилни радикали, които осигуряват развитието на проста верига. В третия етап в резултат на взаимодействие с изходната молекула на един радикал се образуват два радикала, а кислородният атом има две свободни валенции. Това осигурява разклоняване на веригата.

В резултат на разклоняването на веригата скоростта на реакцията бързо се увеличава в началния период от време и процесът завършва с верижно запалване-експлозия. Разклонените верижни реакции обаче завършват с експлозия само когато скоростта на разклоняване е по-голяма от скоростта на прекъсване на веригата. В противен случай процесът е бавен.

При промяна на условията на реакцията (промени в налягането, температурата, състава на сместа, размера и състоянието на стените на реакционния съд и т.н.) може да настъпи преход от бавна реакция към експлозия и обратно. По този начин при верижните реакции има гранични (критични) състояния, при които възниква верижно запалване, от което трябва да се разграничи термичното запалване, което възниква при екзотермични реакции в резултат на непрекъснато нарастващо нагряване на реагиращата смес със слабо отвеждане на топлина.

Окисляването на пари от сяра, фосфор, въглероден оксид (II), въглероден дисулфид и др. се осъществява чрез механизъм с разклонена верига.

Съвременна теорияверижни процеси, разработени от лауреати Нобелова награда(1956) от съветския академик Н. Н. Семенов и английския учен Хиншелвуд.

Верижните реакции трябва да се разграничават от каталитичните реакции, въпреки че последните също са циклични по природа. Повечето значителна разликаверижни реакции от каталитични е, че при верижен механизъм е възможна реакция в посока на увеличаване на енергията на системата поради спонтанни реакции. Катализаторът не предизвиква термодинамично невъзможна реакция. Освен това при каталитичните реакции няма етапи на процеса като зараждане на веригата и прекъсване на веригата.

Реакции на полимеризация.Специален случай на верижна реакция е реакцията на полимеризация.

Полимеризацияе процес, при който реакцията на активни частици (радикали, йони) с нискомолекулни съединения (мономери) се придружава от последователно добавяне на последните с увеличаване на дължината на материалната верига (дължина на молекулата), т.е. образуването на полимер.

Мономериса органични съединения, като правило, съдържащи ненаситени (двойни, тройни) връзки в молекулата.

Основни етапи на процеса на полимеризация:

1. Посвещение(под въздействието на светлина, топлина и др.):

А: А→А" + А"- хомолитично разлагане с образуване на радикали (активни валентно-ненаситени частици).

А: Б→ A - + B +- хетеролитично разлагане с образуване на йони.

2. Височина на верижката: A" + M→ сутринта"

(или А - + М→ сутрин",или IN + + М→ VM +).

3. Отворена верига: AM" + AM"→ полимер

(или AM" + B +→ полимер, VM + + A"→ полимер).

Скоростта на верижен процес винаги е по-голяма от тази на неверижен процес.

Постоянно се сблъскваме с различни химични взаимодействия. Изгаряне природен газ, ръждясване на желязо, вкисване на мляко - това не са всички процеси, които се изучават подробно в училищен курсхимия.

Някои реакции отнемат части от секунди, докато някои взаимодействия отнемат дни или седмици.

Нека се опитаме да идентифицираме зависимостта на скоростта на реакцията от температурата, концентрацията и други фактори. В новия образователен стандартНа този въпросРазпределя се минимално време за обучение. Тестовете на Единния държавен изпит включват задачи за зависимостта на скоростта на реакцията от температурата, концентрацията и дори предлагат изчислителни задачи. Много ученици изпитват определени трудности при намирането на отговори на тези въпроси, така че ще анализираме тази тема подробно.

Уместност на разглеждания въпрос

Информацията за скоростта на реакцията има важно практическо и научно значение. Например, при специфичното производство на вещества и продукти, производителността на оборудването и цената на стоките пряко зависят от тази стойност.

Класификация на протичащите реакции

Съществува пряка връзка между състоянието на агрегиране на първоначалните компоненти и продуктите, образувани по време на хетерогенни взаимодействия.

В химията система обикновено означава вещество или комбинация от тях.

За хомогенна се счита система, която се състои от една фаза (една и съща агрегатно състояние). Като пример можем да споменем смес от газове и няколко различни течности.

Хетерогенна система е система, в която реагентите са под формата на газове и течности. твърди веществаи газове.

Съществува не само зависимост на скоростта на реакцията от температурата, но и от фазата, в която се използват компонентите, влизащи в анализираното взаимодействие.

Хомогенният състав се характеризира с протичане на процеса в целия обем, което значително подобрява неговото качество.

Ако изходните вещества са в различни фазови състояния, тогава максималното взаимодействие се наблюдава на фазовата граница. Например, когато активен метал се разтваря в киселина, образуването на продукт (сол) се наблюдава само на повърхността на техния контакт.

Математическа връзка между скоростта на процеса и различни фактори

Как изглежда уравнението за зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата? За хомогенен процес скоростта се определя от количеството вещество, което взаимодейства или се образува по време на реакцията в обема на системата за единица време.

За хетерогенен процес, скоростта се определя от гледна точка на количеството вещество, реагиращо или произведено в процеса на единица площ за минимален период от време.

Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция

Естеството на реагентите е една от причините различни скоростихода на процесите. Например, алкални металипри стайна температураобразуват алкали с вода и процесът е придружен от интензивно отделяне на водороден газ. Благородните метали (злато, платина, сребро) не са способни на такива процеси нито при стайна температура, нито при нагряване.

Природата на реагентите е фактор, който се взема предвид при химическа индустрияза подобряване на рентабилността на производството.

Открита е връзка между концентрацията на реагентите и скоростта на химичната реакция. Колкото по-високо е, толкова повече частици ще се сблъскат, следователно процесът ще протича по-бързо.

Законът за действието на масите в математическа форма описва директно пропорционална зависимостмежду концентрацията на изходните вещества и скоростта на процеса.

Той е формулиран в средата на деветнадесети век от руския химик Н. Н. Бекетов. За всеки процес се определя реакционна константа, която не е свързана с температурата, концентрацията или естеството на реагентите.

За да ускорите реакцията, в която участва твърдо вещество, трябва да го смилате до прахообразно състояние.

В този случай повърхността се увеличава, което има положителен ефект върху скоростта на процеса. За дизелово горивоТе използват специална система за впръскване, поради която, когато влезе в контакт с въздуха, скоростта на процеса на изгаряне на смес от въглеводороди се увеличава значително.

Отопление

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата се обяснява с молекулярно-кинетичната теория. Тя ви позволява да изчислите броя на сблъсъците между молекулите на реагентите при определени условия. Ако сте въоръжени с такава информация, тогава при нормални условия всички процеси трябва да протичат незабавно.

Но ако смятате конкретен примерзависимостта на скоростта на реакцията от температурата се оказва, че за взаимодействие е необходимо първо да се счупи химически връзкимежду атомите, за да могат да се образуват нови вещества от тях. То изисква значителни разходиенергия. Каква е зависимостта на скоростта на реакцията от температурата? Енергията на активиране определя възможността за разкъсване на молекулите, точно тази енергия характеризира реалността на процесите. Единиците му са kJ/mol.

Ако енергията е недостатъчна, сблъсъкът ще бъде неефективен, така че не е придружен от образуването на нова молекула.

Графично представяне

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата може да бъде представена графично. При нагряване броят на сблъсъците между частиците се увеличава, което ускорява взаимодействието.

Как изглежда графиката на скоростта на реакция спрямо температурата? Енергията на молекулите е изобразена хоризонтално, а броят на частиците с висока енергия е посочен вертикално. енергиен резерв. Графиката е крива, по която може да се прецени скоростта на конкретно взаимодействие.

Колкото по-голяма е разликата в енергията от средната, толкова по-далеч е точката на кривата от максимума и толкова по-малък процент от молекулите имат такъв енергиен резерв.

Важни аспекти

Възможно ли е да се напише уравнение за зависимостта на константата на скоростта на реакцията от температурата? Увеличаването му се отразява в увеличаване на скоростта на процеса. Тази зависимост се характеризира с определена стойност, наречена температурен коефициент на скоростта на процеса.

За всяко взаимодействие беше разкрита зависимостта на константата на скоростта на реакцията от температурата. Ако се увеличи с 10 градуса, скоростта на процеса се увеличава 2-4 пъти.

Зависимостта на скоростта на хомогенните реакции от температурата може да бъде представена в математическа форма.

За повечето взаимодействия при стайна температура коефициентът е в диапазона от 2 до 4. Например при температурен коефициент 2,9 повишаването на температурата със 100 градуса ускорява процеса почти 50 000 пъти.

Зависимостта на скоростта на реакцията от температурата може лесно да се обясни с различни енергии на активиране. Има минимална стойност по време на йонни процеси, които се определят само от взаимодействието на катиони и аниони. Многобройни експерименти показват мигновеното възникване на такива реакции.

При висока стойностенергия на активиране, само малък брой сблъсъци между частици ще доведат до взаимодействие. При средна енергия на активиране, реагентите ще взаимодействат със средна скорост.

Задачите за зависимостта на скоростта на реакция от концентрацията и температурата се разглеждат само на по-високо ниво на образование и често причиняват сериозни затруднения на децата.

Измерване на скоростта на процес

Тези процеси, които изискват значителна енергия за активиране, включват първоначално разкъсване или отслабване на връзките между атомите в изходните вещества. В този случай те преминават в определено междинно състояние, наречено активиран комплекс. Това е нестабилно състояние, доста бързо се разлага на реакционни продукти, процесът е придружен от освобождаване на допълнителна енергия.

В най-простата си форма активираният комплекс е конфигурация от атоми с отслабени стари връзки.

Инхибитори и катализатори

Нека анализираме зависимостта на скоростта на ензимната реакция от температурата на средата. Такива вещества действат като ускорители на процеса.

Самите те не са участници във взаимодействието, техният брой остава непроменен след приключване на процеса. Докато катализаторите спомагат за увеличаване на скоростта на реакцията, инхибиторите, напротив, забавят този процес.

Същността на това се състои в образуването на междинни съединения, в резултат на което се наблюдава промяна в скоростта на процеса.

Заключение

Всяка минута в света се случват различни химични взаимодействия. Как да установим зависимостта на скоростта на реакцията от температурата? Уравнението на Арениус е математическо обяснение на връзката между константата на скоростта и температурата. Той дава представа за онези стойности на енергията на активиране, при които е възможно разрушаването или отслабването на връзките между атомите в молекулите и разпределението на частиците в нови химични вещества.

Благодарение на молекулярно-кинетичната теория е възможно да се предвиди вероятността от взаимодействия между първоначалните компоненти и да се изчисли скоростта на процеса. Сред факторите, които влияят на скоростта на реакцията, от особено значение са промените в температурата, процентната концентрация на взаимодействащите вещества, контактната повърхност, наличието на катализатор (инхибитор), както и естеството на взаимодействащите компоненти.

Скоростта на химическа реакция се разбира като промяна в концентрацията на едно от реагиращите вещества за единица време при постоянен обем на системата.

Обикновено концентрацията се изразява в mol/l, а времето в секунди или минути. Ако, например, първоначалната концентрация на един от реагентите е била 1 mol/l и след 4 s от началото на реакцията е станала 0,6 mol/l, тогава средната скорост на реакцията ще бъде равна на (1-0,6) /4=0,1 mol/(l*s).

Средната скорост на реакцията се изчислява по формулата:

Скоростта на химичната реакция зависи от:

Естеството на реагиращите вещества.

Веществата с полярна връзка в разтворите взаимодействат по-бързо, това се обяснява с факта, че такива вещества образуват йони в разтвори, които лесно взаимодействат помежду си.

Веществата с неполярни и нискополярни ковалентни връзки реагират с различна скорост, това зависи от тяхната химическа активност.

H 2 + F 2 = 2HF (върви много бързо с експлозия при стайна температура)

H 2 + Br 2 = 2HBr (върви бавно, дори при нагряване)

Стойности на повърхностен контакт на реагиращи вещества (за хетерогенни)

Концентрации на реагенти

Скоростта на реакцията е право пропорционална на произведението на концентрацията на реагентите, повишена на степен на техните стехиометрични коефициенти.

Температури

Зависимостта на скоростта на реакцията от температурата се определя от правилото на Вант Хоф:

с повишаване на температурата за всеки 10 0 скоростта на повечето реакции се увеличава 2-4 пъти.

Наличие на катализатор

Катализаторите са вещества, които променят скоростта на химичните реакции.

Феноменът на промяна в скоростта на реакцията в присъствието на катализатор се нарича катализа.

налягане

С увеличаване на налягането скоростта на реакцията се увеличава (за хомогенни)

Въпрос No26. Закон за масовото действие. Скоростна константа. Активираща енергия.

Закон за масовото действие.

скоростта, с която веществата реагират едно с друго, зависи от тяхната концентрация

Скоростна константа.

коефициент на пропорционалност в кинетичното уравнение на химична реакция, изразяващ зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията

Скоростната константа зависи от природата на реагентите и от температурата, но не зависи от техните концентрации.

Активираща енергия.

енергия, която трябва да се предаде на молекулите (частиците) на реагиращите вещества, за да ги превърнат в активни

Енергията на активиране зависи от естеството на реагентите и промените в присъствието на катализатор.

Увеличаването на концентрацията увеличава общия брой молекули и съответно активните частици.

Въпрос No27. Обратими и необратими реакции. Химично равновесие, равновесна константа. Принцип на Льо Шателие.

Реакциите, които протичат само в една посока и завършват с пълно превръщане на изходните вещества в крайни, се наричат ​​необратими.

Обратимите реакции са тези, които протичат едновременно в две взаимно противоположни посоки.

В уравненията на обратимите реакции между лявата и дясната страна са поставени две стрелки, сочещи в противоположни посоки. Пример за такава реакция е синтезът на амоняк от водород и азот:

3H 2 + N 2 = 2NH 3

Необратимите реакции са тези реакции, които възникват:

Получените продукти се утаяват или се отделят като газ, например:

BaCl2 + H2SO4 = BaSO4 + 2HCl

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + CO 2 + H 2 O

Образуване на вода:

HCl + NaOH = H2O + NaCl

Обратимите реакции не достигат завършеност и завършват с установяването химично равновесие.

Химичното равновесие е състояние на система от реагиращи вещества, при което скоростите на правата и обратната реакция са еднакви.

Състоянието на химичното равновесие се влияе от концентрацията на реагиращите вещества, температурата, а за газовете - налягането. Когато един от тези параметри се промени, химичното равновесие се нарушава.

Константа на равновесие.

Най-важният параметър, характеризиращ обратима химическа реакция, е равновесната константа K. Ако запишем за разглежданата обратима реакция A + D C + D условието за равенство на скоростите на правата и обратната реакция в равновесно състояние - k1[ A]equal[B]equal = k2[C]equal[ D]equal, откъдето [C]equal[D]equal/[A]equal[B]equal = k1/k2 = K, тогава стойността на K се нарича равновесната константа на химичната реакция.

И така, при равновесие съотношението на концентрацията на реакционните продукти към продукта на концентрацията на реагентите е постоянно, ако температурата е постоянна (константите на скоростта k1 и k2 и следователно равновесната константа K зависят от температурата, но не зависят от концентрацията на реагентите). Ако в реакцията участват няколко молекули изходни вещества и се образуват няколко молекули продукт (или продукти), концентрациите на веществата в израза за равновесната константа се повишават до степените, съответстващи на техните стехиометрични коефициенти. Така че за реакцията 3H2 + N2 2NH3 изразът за равновесната константа е написан като K = 2 равно/3 равно. Описаният метод за извличане на равновесната константа, базиран на скоростта на правата и обратната реакция, не може да се използва в общия случай, тъй като при сложни реакции зависимостта на скоростта от концентрацията обикновено не се изразява просто уравнениеили напълно непознат. В термодинамиката обаче е доказано, че крайната формула за равновесната константа е правилна.

За газообразни съединения може да се използва налягане вместо концентрации при записване на равновесната константа; Очевидно числената стойност на константата може да се промени, ако броят на газообразните молекули от дясната и лявата страна на уравнението не е еднакъв.

Пинсип Льо Шателие.

Ако някакво външно въздействие се приложи към система, която е в равновесие, тогава равновесието се измества към реакцията, която противодейства на това влияние.

Химическият баланс се влияе от:

Промяна на температурата. С повишаване на температурата равновесието се измества към ендотермичната реакция. С понижаване на температурата равновесието се измества към екзотермична реакция.

Промяна в налягането. С увеличаване на налягането равновесието се измества към намаляване на броя на молекулите. С намаляването на налягането равновесието се измества към увеличаване на броя на молекулите.

Скоростта на химичната реакция е промяната в концентрацията на реагентите за единица време.

При хомогенни реакции, реакционното пространство се отнася до обема на реакционния съд, а при хетерогенните реакции, повърхността, върху която протича реакцията. Концентрацията на реагиращите вещества обикновено се изразява в mol/l - броя на моловете вещество в 1 литър разтвор.

Скоростта на химичната реакция зависи от естеството на реагентите, концентрацията, температурата, налягането, контактната повърхност на веществата и нейната природа и наличието на катализатори.

Увеличаването на концентрацията на веществата, които влизат в химично взаимодействие, води до увеличаване на скоростта на химичната реакция. Това се случва, защото всички химични реакции протичат между определен брой реагиращи частици (атоми, молекули, йони). Колкото повече от тези частици има в обема на реакционното пространство, толкова по-често те се сблъскват и възниква химично взаимодействие. Химическа реакция може да възникне чрез едно или повече елементарни действия (сблъсъци). Въз основа на уравнението на реакцията можем да напишем израз за зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите. Ако в елементарен акт (по време на реакция на разлагане) участва само една молекула, зависимостта ще има следния вид:

v= k*[A]

Това е уравнението за мономолекулна реакция. Когато две различни молекули взаимодействат в елементарен акт, зависимостта има формата:

v= k*[A]*[B]

Реакцията се нарича бимолекулярна. В случай на сблъсък на три молекули е валиден изразът:

v= k*[A]*[B]*[C]

Реакцията се нарича тримолекулна. Коефициентни обозначения:

v — бърза реакция;

[A], [B], [C] са концентрациите на реагиращите вещества;

k—коефициент на пропорционалност; наречена константа на скоростта на реакцията.

Ако концентрациите на реагентите са равни на единица (1 mol/l) или техният продукт е равен на единица, тогава v = k.. Скоростната константа зависи от природата на реагентите и от температурата. Зависимостта на скоростта на прости реакции (т.е. реакции, протичащи чрез един елементарен акт) от концентрацията се описва от закона за масовото действие: скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрацията на реагентите, повдигната на степен на техните стехиометрични коефициенти.

Например, нека да разгледаме реакцията 2NO + O 2 = 2NO 2.

В него v= k* 2 *

В случай, че уравнението на химичната реакция не съответства на елементарния акт на взаимодействие, а отразява само връзката между масата на реагиралите вещества и образуваните вещества, тогава мощностите на концентрациите няма да бъдат равни на коефициенти, фигуриращи пред формулите на съответните вещества в уравнението на реакцията. За реакция, протичаща на няколко етапа, скоростта на реакцията се определя от скоростта на най-бавния (ограничаващ) етап.

Тази зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите е валидна за газове и реакции, протичащи в разтвор. Реакциите, включващи твърди вещества, не се подчиняват на закона за масовото действие, тъй като взаимодействието на молекулите се извършва само на интерфейса. Следователно скоростта хетерогенна реакциясъщо зависи от размера и естеството на контактната повърхност на реагиращите фази. Колкото по-голяма е повърхността, толкова по-бързо ще протече реакцията.

Ефектът на температурата върху скоростта на химичната реакция

Ефектът на температурата върху скоростта на химичната реакция се определя от правилото на Вант Хоф: с повишаване на температурата за всеки 10 ° С, скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти.Математически това правило се изразява със следното уравнение:

v t2= v t1*g(t2-t1)/10

Където v t1И v t2 —скорост на реакцията при температури t2 и t1; g - температурен коефициент на реакция - число, показващо колко пъти се увеличава скоростта на реакцията с повишаване на температурата за всеки 10 ° В. Такава значителна зависимост на скоростта на химическата реакция от температурата се обяснява с факта, че образуването на нови вещества не възниква при всеки сблъсък на реагиращи молекули. Взаимодействат само онези молекули (активни молекули), които имат достатъчно енергия, за да разкъсат връзките в първоначалните частици. Следователно всяка реакция се характеризира с енергийна бариера. За да го преодолее, молекулата се нуждае от активираща енергия -някаква излишна енергия, която една молекула трябва да има, за да може нейният сблъсък с друга молекула да доведе до образуването на ново вещество. С повишаване на температурата броят на активните молекули бързо нараства, което води до рязко увеличаване на скоростта на реакцията според правилото на Вант Хоф. Енергията на активиране за всяка конкретна реакция зависи от природата на реагентите.

Теория на активния сблъсъкни позволява да обясним влиянието на определени фактори върху скоростта на химичната реакция. Основните положения на тази теория:

• Реакциите възникват, когато частици от реагенти, които имат определена енергия, се сблъскат.
• Колкото повече реактивни частици има, колкото по-близо са една до друга, толкова по-вероятно е да се сблъскат и да реагират.
• Само ефективните сблъсъци водят до реакция, т.е. такива, при които „старите връзки” са разрушени или отслабени и следователно могат да се образуват „нови”. За целта частиците трябва да имат достатъчна енергия.
• Нарича се минималната излишна енергия, необходима за ефективен сблъсък на частиците на реагентите енергия на активиране Ea.
• Дейност химически веществасе проявява в ниската енергия на активиране на реакциите с тяхно участие. Колкото по-ниска е енергията на активиране, толкова по-висока е скоростта на реакцията.Например при реакции между катиони и аниони енергията на активиране е много ниска, така че такива реакции се случват почти мигновено

Влияние на катализатора

Един от най ефективни средствавлияние върху скоростта на химичните реакции - използването на катализатори. ДА СЕ атализатори -Това са вещества, които променят скоростта на реакцията, но в края на процеса самите те остават непроменени по състав и маса. С други думи, в момента на самата реакция катализаторът участва активно в химичния процес, но до края на реакцията реагентите променят своята химичен състав, превръщайки се в продукти, а катализаторът се освобождава в оригиналната си форма. Обикновено ролята на катализатора е да увеличи скоростта на реакцията, въпреки че някои катализатори забавят процеса, вместо да го ускоряват. Феноменът на ускоряване на химичните реакции поради наличието на катализатори се нарича катализа,и забавяне - инхибиране.

Някои вещества нямат каталитичен ефект, но техните добавки драстично повишават каталитичната способност на катализаторите. Такива вещества се наричат промоутъри. Други вещества (каталитични отрови) намаляват или дори напълно блокират действието на катализаторите, този процес се нарича отравяне с катализатор.

Има два вида катализа: хомогененИ разнородни. При хомогенна катализареагентите, продуктите и катализаторът образуват една фаза (газ или течност). В този случай няма интерфейс между катализатора и реагентите.

Особеност хетерогенна катализае, че катализаторите (обикновено твърди вещества) са във фазово състояние, различно от реагентите и продуктите на реакцията. Реакцията обикновено се развива на повърхността на твърдо вещество.

При хомогенната катализа се образуват междинни продукти между катализатора и реагента в резултат на реакция с по-ниска енергия на активиране. При хетерогенната катализа увеличаването на скоростта се обяснява с адсорбцията на реагентите върху повърхността на катализатора. В резултат на това концентрацията им се увеличава и скоростта на реакцията се увеличава.

Специален случай на катализа е автокатализа.Значението му е това химичен процесускорява се от един от продуктите на реакцията.