Rendszerek. De ez az érték nem tükrözi a reakció bekövetkezésének valós lehetőségét, annak sebességés mechanizmus.

Egy kémiai reakció teljes megértéséhez ismernie kell, hogy milyen időbeli mintázatok léteznek a végrehajtása során, pl. kémiai reakció sebességeés részletes mechanizmusa. Tanulmányozza a reakció sebességét és mechanizmusát kémiai kinetika- a kémiai folyamatok tudománya.

Szempontból kémiai kinetika, a reakciók osztályozhatók egyszerűvé és összetetté.

Egyszerű reakciók– közbenső vegyületek képződése nélkül lezajló folyamatok. A benne részt vevő részecskék száma szerint felosztják őket monomolekuláris, bimolekuláris, trimolekuláris. 3-nál több részecske ütközése nem valószínű, ezért a trimolekuláris reakciók meglehetősen ritkák, a négymolekuláris reakciók pedig ismeretlenek. Komplex reakciók– több elemi reakcióból álló folyamatok.

Bármely folyamat a velejáró sebességgel megy végbe, amelyet egy bizonyos idő alatt bekövetkező változások határozhatnak meg. Átlagos kémiai reakció sebessége anyagmennyiség változtatásával fejezzük ki n elfogyasztott vagy kapott anyag térfogategységenként V egységnyi idő alatt t.

υ = ± dn/ dt· V

Ha egy anyagot fogyasztunk, akkor „-” jelet teszünk, ha felhalmozódik, akkor „+” jelet teszünk.

Állandó hangerőn:

υ = ± dC/ dt,

Reakciósebesség mértékegysége mol/l s

Általánosságban elmondható, hogy υ egy állandó érték, és nem függ attól, hogy a reakcióban melyik anyag vesz részt, amelyet figyelünk.

A reagens vagy termék koncentrációjának a reakcióidőtől való függését a forma mutatja be kinetikai görbe, ami így néz ki:

Kényelmesebb a υ-t kísérleti adatokból kiszámítani, ha a fenti kifejezéseket a következő kifejezéssé alakítjuk:

A tömeg cselekvés törvénye. A reakció sorrendje és sebességi állandója

Az egyik készítmény tömegcselekvés törvényeígy hangzik: Az elemi homogén kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reaktánsok koncentrációjának szorzatával.

Ha a vizsgált folyamat a következő formában van ábrázolva:

a A + b B = termékek

akkor egy kémiai reakció sebessége kifejezhető kinetikai egyenlet:

υ = k [A] a [B] b vagy

υ = k·C a A ·C b B

Itt [ A] És [B] (C A ÉsC B) - a reagensek koncentrációi,

a ésb– egy egyszerű reakció sztöchiometrikus együtthatói,

k– reakciósebesség állandó.

A mennyiség kémiai jelentése k- Ezt gyors reakció egyetlen koncentrációban. Vagyis ha az A és B anyagok koncentrációja 1, akkor υ = k.

Figyelembe kell venni, hogy összetett kémiai folyamatokban az együtthatók a ésb nem esnek egybe a sztöchiometrikusakkal.

A tömeghatás törvénye akkor teljesül, ha több feltétel teljesül:

• A reakciót termikusan aktiváljuk, azaz. hőmozgás energiája.
• A reagensek koncentrációja egyenletesen oszlik el.
• A folyamat során a környezet tulajdonságai és feltételei nem változnak.
• A környezet tulajdonságai nem befolyásolhatják k.

Összetett folyamatokhoz tömegcselekvés törvénye nem alkalmazható. Ez azzal magyarázható, hogy egy összetett folyamat több elemi szakaszból áll, és sebességét nem az összes szakasz teljes sebessége fogja meghatározni, hanem csak egy leglassabb szakasz, amely az ún. korlátozó.

Minden reakciónak megvan a sajátja rendelés. Határozza meg magán (rész)rendelés reagenssel és általános (teljes) rend. Például egy folyamat kémiai reakciójának sebességének kifejezésében

a A + b B = termékek

υ = k·[ A] a·[ B] b

a– sorrend reagens szerint A

b — sorrendben reagenssel BAN BEN

Általános eljárás a + b = n

Mert egyszerű folyamatok a reakciósorrend a reagáló fajták számát jelzi (egybeesik a sztöchiometrikus együtthatókkal), és egész értékeket vesz fel. Mert összetett folyamatok a reakció sorrendje nem esik egybe a sztöchiometrikus együtthatókkal, és bármilyen lehet.

Határozzuk meg a kémiai reakció sebességét υ befolyásoló tényezőket!

1. A reakciósebesség függése a reagensek koncentrációjától

   a tömeghatás törvénye határozza meg: υ = k[ A] a·[ B] b

Nyilvánvaló, hogy a reagensek növekvő koncentrációjával υ növekszik, mert nő a kémiai folyamatban részt vevő anyagok közötti ütközések száma. Sőt, fontos figyelembe venni a reakció sorrendjét: ha az n=1 bizonyos reagensek esetén annak sebessége egyenesen arányos ennek az anyagnak a koncentrációjával. Ha bármilyen reagensre n=2, akkor koncentrációjának megkétszerezése a reakciósebesség 2 2 = 4-szeres növekedéséhez vezet, a koncentráció 3-szoros növelése pedig 3 2 = 9-szeresére gyorsítja a reakciót.

Sebességreakció az egyik reaktáns moláris koncentrációjának változása határozza meg:

V = ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DC / Dt)

Ahol C 1 és C 2 az anyagok moláris koncentrációja t 1 és t 2 időpontokban (jel (+) - ha a sebességet a reakciótermék határozza meg, előjel (-) - a kiindulási anyag).

Reakciók akkor jönnek létre, amikor a reagáló anyagok molekulái ütköznek. A sebességét az ütközések száma és annak valószínűsége határozza meg, hogy azok átalakuláshoz vezetnek. Az ütközések számát a reagáló anyagok koncentrációja, a reakció valószínűségét pedig az ütköző molekulák energiája határozza meg.
A sebességet befolyásoló tényezők kémiai reakciók.
1. A reagáló anyagok természete. Fontos szerepet játszik a kémiai kötések természete és a reagens molekulák szerkezete. A reakciók a kevésbé erős kötések megsemmisülése és az erősebb kötésű anyagok képződése irányába haladnak. Így a H 2 és N 2 molekulákban lévő kötések felszakítása nagy energiákat igényel; az ilyen molekulák enyhén reaktívak. Az erősen poláris molekulákban (HCl, H 2 O) lévő kötések feltörése kevesebb energiát igényel, és a reakciósebesség is sokkal nagyobb. Az elektrolit oldatokban az ionok közötti reakciók szinte azonnal fellépnek.
Példák
A fluor a hidrogénnel robbanásszerűen reagál szobahőmérséklet, a bróm lassan és melegítés hatására reagál a hidrogénnel.
A kalcium-oxid heves reakcióba lép a vízzel, hő szabadul fel; réz-oxid - nem reagál.

2. Koncentráció. A koncentráció növekedésével (a részecskék száma egységnyi térfogatban) gyakrabban fordulnak elő a reagáló anyagok molekuláinak ütközései - a reakció sebessége nő.
A tömegtevékenység törvénye (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
A kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reaktánsok koncentrációjának szorzatával.

AA+bB+. . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

A k reakciósebesség-állandó a reagensek természetétől, a hőmérséklettől és a katalizátortól függ, de nem függ a reagensek koncentrációjától.
A sebességi állandó fizikai jelentése az, hogy egyenlő a reakciósebességgel a reagensek egységkoncentrációinál.
Heterogén reakciók esetén a szilárd fázis koncentrációja nem számít bele a reakciósebesség kifejezésébe.

3. Hőmérséklet. Minden 10°C-os hőmérséklet-emelkedésnél a reakciósebesség 2-4-szeresére nő (Hoff szabálya). Ahogy a hőmérséklet t 1 -ről t 2 -re emelkedik, a reakciósebesség változása a következő képlettel számítható ki:

		(t 2 - t 1) / 10
Vt 2 / Vt 1	= g

(ahol Vt 2 és Vt 1 a reakciósebesség t 2 és t 1 hőmérsékleten; g a reakció hőmérsékleti együtthatója).
A Van't Hoff-szabály csak szűk hőmérséklet-tartományban alkalmazható. Pontosabb az Arrhenius-egyenlet:

• e -Ea/RT

Ahol
A a reaktánsok természetétől függő állandó;
R az univerzális gázállandó;

Ea az aktiválási energia, azaz. az az energia, amellyel az ütköző molekuláknak rendelkezniük kell ahhoz, hogy az ütközés kémiai átalakuláshoz vezessen.
Kémiai reakció energiadiagramja.

Exoterm reakció	Endoterm reakció

A - reagensek, B - aktivált komplex (átmeneti állapot), C - termékek.
Minél nagyobb az Ea aktiválási energia, annál inkább növekszik a reakciósebesség a hőmérséklet emelkedésével.

4. A reagáló anyagok érintkezési felülete. Heterogén rendszerek esetén (ha az anyagok különböző aggregációs állapotúak) minél nagyobb az érintkezési felület, annál gyorsabban megy végbe a reakció. A szilárd anyagok felülete őrléssel, oldható anyagoknál pedig feloldással növelhető.

5. Katalízis. Azokat az anyagokat, amelyek részt vesznek a reakciókban és növelik annak sebességét, és a reakció végén változatlanok maradnak, katalizátoroknak nevezzük. A katalizátorok hatásmechanizmusa a reakció aktiválási energiájának csökkenésével függ össze a közbenső vegyületek képződése miatt. Nál nél homogén katalízis a reagensek és a katalizátor egy fázist alkotnak (azonos aggregációs állapotban vannak), a heterogén katalízis - különböző fázisok(különböző összesítési állapotban vannak). Drámaian lelassítja a nemkívánatos folyamatok előrehaladását kémiai folyamatok bizonyos esetekben lehetőség van inhibitorok hozzáadására a reakcióközeghez (a jelenség " negatív katalízis").

A kémiai reakciók sebessége. Kémiai egyensúly

Terv:

1. A kémiai reakció sebességének fogalma.

2. A kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezők.

3. Kémiai egyensúly. Az elmozdulási egyensúlyt befolyásoló tényezők. Le Chatelier elve.

Kémiai reakciók lépnek fel a különböző sebességgel. A reakciók nagyon gyorsan mennek végbe vizes oldatokban. Például, ha leengedi a bárium-klorid és a nátrium-szulfát oldatát, akkor azonnal fehér csapadék bárium-szulfát. Az etilén gyorsan, de nem azonnal elszínezi a brómos vizet. A vastárgyakon lassan rozsda képződik, a réz- és bronztermékeken lepedék jelenik meg, a lombozat elkorhad.

A tudomány tanulmányozza a kémiai reakció sebességét, valamint azonosítja a folyamat körülményeitől való függését - kémiai kinetika.

Ha a reakciók homogén közegben, például oldatban vagy gázfázisban mennek végbe, akkor a reagensek kölcsönhatása a teljes térfogatban megtörténik. Az ilyen reakciókat ún homogén.

Ha a reakció különböző halmazállapotú anyagok között megy végbe (például szilárd anyag és gáz vagy folyadék között), vagy olyan anyagok között, amelyek nem képesek homogén közeget képezni (például két nem elegyedő folyadék között), akkor ez megy végbe. csak az anyagok érintkezési felületén. Az ilyen reakciókat ún heterogén.

A homogén reakció υ értékét az egységnyi térfogat egységenkénti anyagmennyiség változása határozza meg:

υ =Δn / Δt ∙V

ahol Δ n az egyik anyag mólszámának változása (leggyakrabban az eredeti, de lehet reakciótermék is), (mol);

V – gáz vagy oldat térfogata (l)

Mivel Δ n / V = ​​ΔC (koncentráció változás), akkor

υ =Δ C / Δt (mol/l∙ s)

A heterogén reakció υ értékét az anyagok egységnyi érintkezési felületén az egységnyi idő alatt bekövetkező anyagmennyiség változása határozza meg.

υ =Δn / Δt ∙ S

ahol Δ n – anyag (reagens vagy termék) mennyiségének változása (mol);

Δt – időintervallum (s, min);

S – anyagok érintkezési felülete (cm 2, m 2)

Miért nem azonos a különböző reakciók sebessége?

A kémiai reakció megindulásához a reagáló anyagok molekuláinak ütközniük kell. De nem minden ütközés eredményez kémiai reakciót. Ahhoz, hogy az ütközés kémiai reakcióhoz vezessen, a molekuláknak elegendőnek kell lenniük nagy energia. Azokat a részecskéket, amelyek ütközéskor kémiai reakcióba léphetnek, nevezzük aktív. A legtöbb részecske átlagos energiájához képest többletenergiával rendelkeznek - aktiválási energiával E cselekszik. Sokkal kevesebb aktív részecske van egy anyagban, mint átlagos energiával, ezért sok reakció megindulásához a rendszernek némi energiát kell adni (fényvillanás, melegítés, mechanikai ütés).

Energiagát (érték E cselekszik) eltérő a különböző reakcióknál, minél alacsonyabb, annál könnyebben és gyorsabban megy végbe a reakció.

2. υ-t befolyásoló tényezők(részecskeütközések száma és hatásfoka).

1) A reagensek jellege:összetételük, szerkezetük => aktiválási energia

▪ annál kevesebb E cselekszik, annál nagyobb υ;

Ha E cselekszik < 40 кДж/моль, то это значит, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к их взаимодействию, и скорость такой реакции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, т.к. в этих реакциях участвуют разноименнозаряженные частицы, и энергия активации в этих случаях ничтожно мала.

Ha E cselekszik> 120 kJ/mol, ez azt jelenti, hogy a kölcsönhatásban lévő részecskék ütközésének csak egy kis része vezet reakcióhoz. Az ilyen reakciók sebessége nagyon alacsony. Például a vas rozsdásodása, ill

az ammónia szintézis reakció lefolyása at normál hőmérséklet szinte lehetetlen észrevenni.

Ha E cselekszik köztes értékük van (40-120 kJ/mol), akkor az ilyen reakciók sebessége átlagos lesz. Ilyen reakciók közé tartozik a nátrium kölcsönhatása vízzel vagy etanollal, a brómos víz elszíneződése etilénnel stb.

2) Hőfok: t-nél minden 10 0 C, υ 2-4 alkalommal (van't Hoff szabály).

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

t-nél az aktív részecskék száma (s E cselekszik) és aktív ütközéseik.

1. feladat. Egy adott reakció sebessége 0 0 C-on 1 mol/l ∙ h, a reakció hőmérsékleti együtthatója 3. Mekkora lesz ennek a reakciónak a sebessége 30 0 C-on?

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

υ 2 = 1∙3 30-0/10 = 3 3 = 27 mol/l∙h

3) Koncentráció: minél több, annál gyakrabban fordul elő ütközések és υ. Állandó hőmérsékleten a reakcióhoz mA + nB = C a tömeghatás törvénye szerint:

υ = k ∙ C A m ∙ C B n

ahol k a sebességi állandó;

C – koncentráció (mol/l)

A tömeghatás törvénye:

A kémiai reakció sebessége arányos a reagáló anyagok koncentrációinak szorzatával, a reakcióegyenletben szereplő együtthatóikkal egyenlő hatványokban.

Z.d.m. nem veszi figyelembe a szilárd halmazállapotú reagáló anyagok koncentrációját, mert felületeken reagálnak és koncentrációjuk általában állandó marad.

2. feladat. A reakció az A + 2B → C egyenlet szerint megy végbe. Hányszor és hogyan változik a reakciósebesség, ha a B anyag koncentrációja 3-szorosára nő?

Megoldás:υ = k ∙ C A m ∙ C B n

υ = k ∙ C A ∙ C B 2

υ 1 = k ∙ a ∙ b 2

υ 2 = k ∙ a ∙ 3 a 2-ben

υ 1 / υ 2 = a ∙ 2-ben / a ∙ 9 2-ben = 1/9

Válasz: 9-szeresére nő

Gáznemű anyagok esetén a reakciósebesség a nyomástól függ

Minél nagyobb a nyomás, annál nagyobb a sebesség.

4) Katalizátorok– a reakciómechanizmust megváltoztató, redukáló anyagok E cselekszik => υ .

▪ A katalizátorok változatlanok maradnak a reakció befejeződése után

▪ Az enzimek biológiai katalizátorok, természetüknél fogva fehérjék.

▪ Inhibitorok – olyan anyagok, amelyek ↓ υ

5) Heterogén reakciók esetén υ is függ:

▪ a reagáló anyagok érintkezési felületének állapotáról.

Hasonlítsa össze: 2 kémcsőbe egyenlő térfogatú kénsavoldatot öntöttünk, és egyidejűleg az egyikbe vasszöget, a másikba vasreszeléket ejtettünk . Ezért a második kémcsőben a reakciósebesség nagyobb lesz, mint az elsőben.

Egyes kémiai reakciók szinte azonnal lezajlanak (oxigén-hidrogén keverék robbanása, ioncsere reakciók vizes oldatban), mások gyorsan (anyagok égése, cink kölcsönhatása savval), mások pedig lassan (vas rozsdásodása, szerves maradványok rothadása) ). Ismeretes, hogy a reakciók olyan lassúak, hogy az ember egyszerűen nem veszi észre őket. Például a gránit homokká és agyaggá alakulása évezredek alatt megy végbe.

Más szóval, a kémiai reakciók különböző sebesség.

De mi az gyors reakció? Milyen érzés pontos meghatározás egy adott mennyiségről, és ami a legfontosabb, annak matematikai kifejezéséről?

A reakció sebessége az anyag mennyiségének változása egységnyi idő alatt térfogategységben. Matematikailag ezt a kifejezést a következőképpen írják:

Ahol n 1 Ésn 2 – az anyag mennyisége (mol) t 1 és t 2 időpontban, térfogatrendszerben V.

Az, hogy a sebesség kifejezés előtt melyik plusz vagy mínusz jel (±) fog megjelenni, attól függ, hogy egy anyag - termék vagy reagens - mennyiségének változását nézzük.

Nyilvánvaló, hogy a reakció során reagens fogyasztás történik, azaz mennyiségük csökken, ezért a reagenseknél mindig az (n 2 - n 1) kifejezésnek van jelentése. nullánál kisebb. Mivel a sebesség nem lehet negatív érték, ebben az esetben mínusz jelet kell tenni a kifejezés elé.

Ha a termék mennyiségének változását nézzük, és nem a reagenst, akkor a mínusz jel nem szükséges a fordulatszám számítási kifejezése előtt, mivel az (n 2 - n 1) kifejezés ebben az esetben mindig pozitív, mert a termék mennyisége a reakció eredményeként csak növekedhet.

Anyagmennyiség aránya n azt a térfogatot, amelyben ez az anyagmennyiség található, moláris koncentrációnak nevezzük VAL VEL:

Így a moláris koncentráció fogalmát és annak matematikai kifejezését felhasználva egy másik lehetőséget is írhatunk a reakciósebesség meghatározására:

A reakciósebesség az anyag moláris koncentrációjának változása egy kémiai reakció eredményeként egy időegység alatt:

A reakciósebességet befolyásoló tényezők

Gyakran rendkívül fontos tudni, hogy mi határozza meg egy adott reakció sebességét, és hogyan lehet azt befolyásolni. Például az olajfinomító ipar szó szerint minden további fél százalékért harcol időegységenként. Hiszen a hatalmas mennyiségű feldolgozott olaj ismeretében már fél százalék is nagy pénzügyi éves nyereséget eredményez. Bizonyos esetekben rendkívül fontos bizonyos reakciók lelassítása, különösen a fémek korróziója esetén.

Tehát mitől függ a reakciósebesség? Furcsa módon sok különböző paramétertől függ.

A kérdés megértéséhez először is képzeljük el, mi történik például egy kémiai reakció eredményeként:

A + B → C + D

A fent leírt egyenlet azt a folyamatot tükrözi, amelyben az A és B anyagok molekulái egymással ütközve C és D anyagok molekuláit alkotják.

Azaz kétségtelenül ahhoz, hogy a reakció végbemenjen, legalább a kiindulási anyagok molekuláinak ütközésére van szükség. Nyilvánvalóan, ha növeljük az egységnyi térfogatra jutó molekulák számát, akkor az ütközések száma ugyanúgy megnő, mint ahogy a zsúfolt busz utasaival való ütközésének gyakorisága megnő egy félig üreshez képest.

Más szavakkal, a reakciósebesség a reagensek koncentrációjának növekedésével nő.

Abban az esetben, ha a reagensek közül egy vagy több gáz, a reakció sebessége a nyomás növekedésével növekszik, mivel a gáz nyomása mindig egyenesen arányos az alkotó molekulák koncentrációjával.

A részecskék ütközése azonban szükséges, de egyáltalán nem elégséges feltétele a reakció bekövetkezésének. A tény az, hogy a számítások szerint a reagáló anyagok molekuláinak ésszerű koncentrációban történő ütközésének száma olyan nagy, hogy minden reakciónak egy pillanat alatt kell bekövetkeznie. A gyakorlatban azonban ez nem történik meg. Mi a helyzet?

A tény az, hogy a reaktáns molekulák nem minden ütközése lesz szükségszerűen hatékony. Sok ütközés rugalmas – a molekulák golyóként pattannak vissza egymásról. A reakció végbemeneteléhez a molekuláknak elegendő kinetikai energiával kell rendelkezniük. Azt a minimális energiát, amellyel a reakcióba lépő anyagok molekuláinak rendelkezniük kell a reakció lezajlásához, aktiválási energiának nevezzük, és E a-val jelöljük. Egy olyan rendszerben, amely a nagy mennyiség A molekulák energia szerinti eloszlásúak, ezek egy része alacsony, van, amelyik magas és közepes energiájú. Mindezen molekulák közül csak a molekulák kis része rendelkezik energiával, amely nagyobb, mint az aktiválási energia.

Amint egy fizikatanfolyamból tudja, a hőmérséklet valójában az anyagot alkotó részecskék kinetikus energiájának mértéke. Vagyis minél gyorsabban mozognak az anyagot alkotó részecskék, annál magasabb a hőmérséklete. Így nyilvánvalóan a hőmérséklet emelésével a molekulák mozgási energiáját lényegében növeljük, aminek következtében megnő az E a-t meghaladó energiájú molekulák aránya, és ütközésük kémiai reakcióhoz vezet.

Tény pozitív hatást A reakciósebesség hőmérsékletét Vant Hoff holland kémikus empirikusan állapította meg a 19. században. Kutatásai alapján megfogalmazott egy szabályt, amely ma is az ő nevét viseli, és ez így hangzik:

Bármely kémiai reakció sebessége 2-4-szeresére nő, ha a hőmérséklet 10 fokkal emelkedik.

Ennek a szabálynak a matematikai ábrázolása a következőképpen írható:

Ahol V 2 És V 1 a sebesség t 2 és t 1 hőmérsékleten, γ pedig a reakció hőmérsékleti együtthatója, amelynek értéke leggyakrabban 2 és 4 között van.

Gyakran számos reakció sebessége növelhető a használatával katalizátorok.

A katalizátorok olyan anyagok, amelyek fogyasztás nélkül felgyorsítják a reakció lefolyását.

De hogyan növelik a katalizátorok a reakció sebességét?

Emlékezzünk az E a aktiválási energiára. Azok a molekulák, amelyek energiája alacsonyabb, mint az aktiválási energia katalizátor hiányában, nem léphetnek kölcsönhatásba egymással. A katalizátorok megváltoztatják a reakció útját, ahogy egy tapasztalt vezető nem közvetlenül hegyen keresztül, hanem kerülőutak segítségével vezeti az expedíciót, aminek következtében még azok a társak is, akiknek nem volt elég energiájuk megmászni egy hegy képes lesz egy másik oldalára költözni.

Annak ellenére, hogy a katalizátor nem fogy el a reakció során, mégis felveszi Aktív részvétel, reagensekkel közbenső vegyületeket képez, de a reakció végére visszatér eredeti állapotába.

A reakciósebességet befolyásoló fenti tényezők mellett, ha a reagáló anyagok között interfész van (heterogén reakció), a reakciósebesség a reagensek érintkezési felületétől is függ. Például képzeljünk el egy fémalumínium granulátumot, amelyet beleejtünk egy kémcsőbe, amely tartalmaz vizesoldat sósavból. Az alumínium egy aktív fém, amely reakcióba léphet nem oxidáló savakkal. VAL VEL sósav A reakcióegyenlet a következő:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H 2

Az alumínium szilárd anyag, ami azt jelenti, hogy a sósavval való reakció csak a felületén megy végbe. Nyilvánvalóan, ha növeljük a felületet úgy, hogy az alumínium granulátumot először fóliába sodorjuk, akkor nagy mennyiség A savval való reakcióhoz rendelkezésre álló alumíniumatomok. Ennek eredményeként a reakció sebessége nő. Hasonlóképpen, a szilárd anyag felületének növelése elérhető porrá őrléssel.

Emellett a keverés gyakran pozitívan befolyásolja annak a heterogén reakciónak a sebességét, amelyben a szilárd anyag gáznemű vagy folyékony anyaggal reagál, ami abból adódik, hogy a keverés következtében a reakciótermékek felhalmozódott molekulái eltávolíthatók a reakcióból. zónát, és a reaktáns molekulák új részét „hozzák be”.

Végül meg kell jegyezni a reakció sebességére és a reagensek természetére gyakorolt ​​óriási hatást. Például minél alacsonyabban van egy alkálifém a periódusos rendszerben, annál gyorsabban reagál vízzel, fluorral, az összes halogén közül, a leggyorsabban hidrogéngázzal stb.

Összegezve a fentieket, a reakció sebessége a következő tényezőktől függ:

1) a reagensek koncentrációja: minél nagyobb, annál nagyobb a reakciósebesség

2) hőmérséklet: a hőmérséklet emelkedésével bármely reakció sebessége nő

3) a reagáló anyagok érintkezési területe: mint nagyobb terület a reagensek érintkezése, annál nagyobb a reakciósebesség

4) keverés, ha reakció lép fel szilárd és folyadék vagy gáz között, a keverés felgyorsíthatja.

A „sebesség” fogalma meglehetősen gyakran megtalálható a szakirodalomban. A fizikából ismert, hogy minél nagyobb távolságra van egy anyagi test (egy személy, egy vonat, űrhajó) egy bizonyos ideig, annál nagyobb a test sebessége.

Hogyan mérhető egy olyan kémiai reakció sebessége, amely „sehova nem megy”, és nem tesz meg semmilyen távolságot? A kérdés megválaszolásához meg kell találnia, hogy mit Mindig megváltozik Bármi kémiai reakció? Mivel minden kémiai reakció egy anyag megváltoztatásának folyamata, az eredeti anyag eltűnik benne, reakciótermékekké alakul. Így egy kémiai reakció során az anyag mennyisége mindig változik, a kiindulási anyagok részecskéinek száma csökken, és ezért a koncentráció (C).

Egységes államvizsga-feladat. A kémiai reakció sebessége arányos a változással:

1. egy anyag koncentrációja egységnyi idő alatt;
2. az anyag mennyisége térfogategységenként;
3. az anyag térfogategységenkénti tömege;
4. az anyag térfogata a reakció során.

Hasonlítsa össze a válaszát a helyesel:

a kémiai reakció sebessége egyenlő a reaktáns koncentrációjának egységnyi idő alatti változásával

Ahol C 1És 0-tól- a reagensek végső és kezdeti koncentrációi; t 1És t 2- a kísérlet időpontja, a végső és a kezdeti időtartam, ill.

Kérdés.Ön szerint melyik érték nagyobb: C 1 vagy 0-tól? t 1 vagy t 0?

Mivel a reagensek egy adott reakcióban mindig elfogynak, akkor

Így ezeknek a mennyiségeknek az aránya mindig negatív, a sebesség pedig nem lehet negatív mennyiség. Ezért egy mínuszjel jelenik meg a képletben, amely egyidejűleg jelzi, hogy a sebesség Bármi időbeli reakciók (állandó körülmények között) mindig csökken.

Tehát a kémiai reakció sebessége:

Felmerül a kérdés: milyen mértékegységekben kell mérni a reaktánsok (C) koncentrációját és miért? Ahhoz, hogy válaszolni tudj rá, meg kell értened, mi az a feltétel fő- hogy bármilyen kémiai reakció bekövetkezzen.

Ahhoz, hogy a részecskék reagálhassanak, legalább ütközniük kell. Ezért minél nagyobb a részecskék száma* (mólszám) egységnyi térfogatban, minél gyakrabban ütköznek, annál nagyobb a kémiai reakció valószínűsége.

* Olvassa el, mi az a „vakond” a 29.1 leckében.

Ezért a kémiai folyamatok sebességének mérésekor alkalmazzák moláris koncentráció reagáló keverékekben lévő anyagok.

Egy anyag moláris koncentrációja azt mutatja meg, hogy hány mol van belőle 1 liter oldatban

Tehát minél nagyobb a reagáló anyagok moláris koncentrációja, annál több részecske van egységnyi térfogatban, annál gyakrabban ütköznek, és annál nagyobb (minden más tényező azonossága mellett) a kémiai reakció sebessége. Ezért a kémiai kinetika (ez a kémiai reakciók sebességének tudománya) alaptörvénye az tömegcselekvés törvénye.

A kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reaktánsok koncentrációjának szorzatával.

Az A + B →... típusú reakcióra ez a törvény matematikailag a következőképpen fejezhető ki:

Ha a reakció összetettebb, például 2A + B → vagy, ami ugyanaz, A + A + B → ..., akkor

Így a sebességegyenletben megjelent egy kitevő « kettő» , ami az együtthatónak felel meg 2 a reakcióegyenletben. Bonyolultabb egyenleteknél általában nem használnak nagy kitevőket. Ez annak köszönhető, hogy mondjuk három A molekula és két B molekula egyidejű ütközésének valószínűsége rendkívül kicsi. Ezért sok reakció több szakaszban megy végbe, amelyek során legfeljebb három részecske ütközik, és a folyamat minden szakasza bizonyos sebességgel megy végbe. Ezt a sebességet és a hozzá tartozó kinetikus sebességegyenletet kísérleti úton határozzuk meg.

A fenti (3) vagy (4) kémiai reakciósebesség egyenletek csak erre érvényesek homogén reakciók, azaz olyan reakciók esetében, amikor a reagáló anyagokat a felület nem választja el egymástól. Például egy reakció vizes oldatban megy végbe, és mindkét reagens jól oldódik vízben vagy bármilyen gázkeverékben.

Más kérdés, hogy mikor történik meg heterogén reakció. Ebben az esetben interfész van a reagáló anyagok, például a szén-dioxid között gáz vízzel reagál megoldás lúgok. Ebben az esetben bármely gázmolekula ugyanolyan valószínűséggel reagál, mivel ezek a molekulák gyorsan és kaotikusan mozognak. Mi a helyzet a folyékony oldat részecskéivel? Ezek a részecskék rendkívül lassan mozognak, és azoknak a lúgrészecskéknek, amelyek „alul” vannak, gyakorlatilag esélyük sincs szén-dioxiddal reagálni, hacsak nem folyamatosan keverik az oldatot. Csak azok a részecskék reagálnak, amelyek „a felszínen hevernek”. Így heterogén reakciók -

a reakciósebesség a határfelület nagyságától függ, ami a köszörüléssel növekszik.

Ezért nagyon gyakran összetörik a reagáló anyagokat (például vízben feloldják), az ételt alaposan megrágják, és a főzés során - megőrlik, átengedik egy húsdarálón stb. A nem összetört élelmiszert gyakorlatilag nem emészthető!

Így a maximális sebesség(egyéb dolgok egyenlősége esetén) homogén reakciók mennek végbe az oldatokban és a gázok között (ha ezek a gázok környezeti körülmények között reagálnak), illetve olyan oldatokban, ahol a molekulák „közelben” helyezkednek el, és az őrlés ugyanaz, mint a gázoknál (sőt még inkább !), - a reakciósebesség nagyobb.

Egységes államvizsga-feladat. Melyik reakció megy végbe a leggyorsabban szobahőmérsékleten:

1. szén oxigénnel;
2. vas sósavval;
3. vasaljuk ecetsavoldattal
4. lúg és kénsav oldatai.

BAN BEN ebben az esetben meg kell találnunk, hogy melyik folyamat homogén.

Megjegyzendő, hogy a gázok közötti kémiai reakció vagy egy heterogén reakció sebessége, amelyben gáz vesz részt, a nyomástól is függ, mivel a nyomás növekedésével a gázok összenyomódnak és a részecskék koncentrációja nő (lásd a 2. képletet). A nyomásváltozások nem befolyásolják azon reakciók sebességét, amelyekben gázok nem vesznek részt.

Egységes államvizsga-feladat. A savoldat és a vas közötti kémiai reakció sebessége nem változik

1. savkoncentráció;
2. vas köszörülés;
3. reakcióhőmérséklet;
4. nyomásnövekedés.

Végül a reakció sebessége az anyagok reakciókészségétől is függ. Például, ha az oxigén reakcióba lép egy anyaggal, akkor, ha más feltételek megegyeznek, a reakciósebesség nagyobb lesz, mint amikor ugyanaz az anyag kölcsönhatásba lép nitrogénnel. Az a tény, hogy az oxigén reakcióképessége észrevehetően magasabb, mint a nitrogéné. Ennek a jelenségnek az okát az oktatóanyag következő részében (14. lecke) vizsgáljuk meg.

Egységes államvizsga-feladat. A kémiai reakció a sósav és

1. réz;
2. Vas;
3. magnézium;
4. cink

Meg kell jegyezni, hogy a molekulák nem minden ütközése vezet azokhoz kémiai kölcsönhatás(kémiai reakció). Hidrogén és oxigén gázkeverékében normál körülmények között másodpercenként több milliárd ütközés következik be. De a reakció első jelei (vízcseppek) csak néhány év múlva jelennek meg a lombikban. Ilyen esetekben azt mondják, hogy a reakció gyakorlatilag nem működik. De ő lehetséges, különben mivel magyarázható, hogy ha ezt a keveréket 300 °C-ra melegítjük, a lombik gyorsan bepárásodik, és 700 °C-on szörnyű robbanás történik! Nem véletlenül nevezik a hidrogén és oxigén keverékét „robbanásveszélyes gáznak”.

Kérdés. Mit gondol, miért növekszik meg olyan meredeken a reakciósebesség, ha melegítjük?

A reakciósebesség növekszik, mert egyrészt nő a részecskeütközések száma, másrészt a részecskeütközések száma. aktívütközések. A részecskék aktív ütközései vezetnek kölcsönhatásukhoz. Ahhoz, hogy egy ilyen ütközés bekövetkezzen, a részecskéknek bizonyos mennyiségű energiával kell rendelkezniük.

Azt az energiát, amellyel a részecskéknek rendelkezniük kell egy kémiai reakció lezajlásához, aktiválási energiának nevezzük.

Ezt az energiát az atomok és molekulák külső elektronjai közötti taszító erők leküzdésére, valamint a „régi” kémiai kötések lebontására fordítják.

Felmerül a kérdés: hogyan lehet növelni a reagáló részecskék energiáját? A válasz egyszerű - növelje a hőmérsékletet, mivel a hőmérséklet emelkedésével nő a részecskék mozgási sebessége, és ennek következtében a kinetikus energiájuk.

Szabály van't Hoff*:

Minden 10 fokos hőmérséklet-emelkedés esetén a reakciósebesség 2-4-szeresére nő.

VANT-HOFF Jacob Hendrik(1852.08.30–1911.03.01) - holland vegyész. A fizikai kémia és a sztereokémia egyik megalapítója. Nóbel díj kémiából 1. sz. (1901).

Megjegyzendő, hogy ezt a szabályt (nem törvényt!) kísérletileg azokra a reakciókra hozták létre, amelyek mérésre „kényelmesek”, vagyis olyan reakciókra, amelyek sem nem túl gyorsan, sem túl lassan, és a kísérletvezető számára elérhető hőmérsékleten (nem túlságosan) zajlanak le. magas és nem túl alacsony).

Kérdés. Ön szerint mi a leggyorsabb módja a burgonya főzésének: főzzük meg vagy süssük meg egy réteg olajban?

A leírt jelenségek jelentésének megfelelő megértése érdekében összehasonlíthatja a reakcióba lépő molekulákat a magasba ugrásra készülő tanulók csoportjával. Ha 1 m magas sorompót kapnak, akkor a tanulóknak fel kell futniuk (emelni kell a „hőmérsékletüket”), hogy leküzdjék a korlátot. Mindazonáltal mindig lesznek olyan hallgatók („inaktív molekulák”), akik nem fogják tudni leküzdeni ezt a korlátot.

Mit kell tenni? Ha betartja az elvet: „Okos ember nem mászik meg a hegyet, az okos ember megkerüli a hegyet”, akkor egyszerűen engedje le a korlátot, mondjuk 40 cm-re, akkor bármelyik diák képes lesz legyőzni akadály. Molekuláris szinten ez azt jelenti: a reakciósebesség növeléséhez egy adott rendszerben csökkenteni kell az aktiválási energiát.

A valódi kémiai folyamatokban ezt a funkciót egy katalizátor látja el.

Katalizátor olyan anyag, amely megváltoztatja a kémiai reakció sebességét, miközben megmarad változatlan a kémiai reakció vége felé.

Katalizátor részt vesz kémiai reakcióban, kölcsönhatásba lépve egy vagy több kiindulási anyaggal. Ilyenkor közbenső vegyületek képződnek, és megváltozik az aktiválási energia. Ha az intermedier aktívabb (aktív komplex), akkor az aktiválási energia csökken és a reakció sebessége nő.

Például a SO 2 és az O 2 közötti reakció normál körülmények között nagyon lassan megy végbe gyakorlatilag nem működik. De NO jelenlétében a reakciósebesség meredeken növekszik. Először NEM nagyon gyors O2-vel reagál:

keletkező nitrogén-dioxid gyors reagál kén(IV)-oxiddal:

Feladat 5.1. Ezzel a példával mutassa meg, melyik anyag katalizátor és melyik aktív komplex.

Ezzel szemben, ha több passzív vegyület keletkezik, akkor az aktiválási energia annyira megnőhet, hogy a reakció gyakorlatilag nem megy végbe ilyen körülmények között. Az ilyen katalizátorokat ún inhibitorok.

A gyakorlatban mindkét típusú katalizátort alkalmazzák. Tehát speciális szerves katalizátorok - enzimek- részt vesznek abszolút minden biokémiai folyamatban: ételemésztés, izomösszehúzódás, légzés. Élet nem létezhet enzimek nélkül!

Inhibitorok szükségesek a fémtermékek korrózió elleni védelméhez, zsírtartalmúak élelmiszer termékek az oxidációtól (avatás). Egyes gyógyszerek olyan inhibitorokat is tartalmaznak, amelyek gátolják a mikroorganizmusok létfontosságú funkcióit, és ezáltal elpusztítják azokat.

A katalízis lehet homogén vagy heterogén. A homogén katalízisre példa az NO (ez egy katalizátor) hatása a kén-dioxid oxidációjára. A heterogén katalízis egyik példája a hevített réz alkoholra gyakorolt ​​hatása:

Ez a reakció két szakaszban megy végbe:

Feladat 5.2. Határozza meg, melyik anyag a katalizátor ebben az esetben? Miért nevezik ezt a fajta katalízist heterogénnek?

A gyakorlatban leggyakrabban heterogén katalízist alkalmaznak, ahol szilárd anyagok szolgálnak katalizátorként: fémek, oxidjaik stb. Ezen anyagok felületén speciális pontok (kristályrács csomópontok) találhatók, ahol a katalitikus reakció ténylegesen végbemegy. Ha ezeket a pontokat idegen anyagok borítják, akkor a katalízis leáll. Ezt a katalizátorra káros anyagot ún katalitikus méreg. Egyéb anyagok - promóterek- ellenkezőleg, fokozzák a katalitikus aktivitást.

A katalizátor megváltoztathatja a kémiai reakció irányát, vagyis a katalizátor megváltoztatásával különböző reakciótermékeket kaphatunk. Így a C 2 H 5 OH alkoholból cink és alumínium-oxidok jelenlétében butadién, tömény kénsav jelenlétében etilén nyerhető.

Így egy kémiai reakció során a rendszer energiája megváltozik. Ha a reakció során energia szabadul fel hő formájában K, egy ilyen folyamatot hívnak hőtermelő:

Mert endo termikus folyamatok hő elnyelődik, azaz hőhatás K< 0 .

Feladat 5.3. Határozza meg, hogy a javasolt folyamatok közül melyik exoterm és melyik endoterm:

Egy kémiai reakció egyenlete, amelyben hőhatás, nevezzük a reakció termokémiai egyenletének. Egy ilyen egyenlet létrehozásához ki kell számítani a hőhatást 1 mól reagensre.

Feladat. 6 g magnézium elégetésekor 153,5 kJ hő szabadul fel. Írja fel a reakció termokémiai egyenletét!

Megoldás. Hozzuk létre a reakció egyenletét, és jelöljük FELÜL a megadott képleteket:

Az arány kiszámítása után megkapjuk a reakció kívánt termikus hatását:

Ennek a reakciónak a termokémiai egyenlete:

Az ilyen feladatokat a feladatok tartalmazzák többség Egységes államvizsga lehetőségek! Például.

Egységes államvizsga-feladat. Alapján termokémiai egyenlet reakciók

8 g metán elégetésekor felszabaduló hőmennyiség egyenlő:

A kémiai folyamatok megfordíthatósága. Le Chatelier elve

* LE CHATELIER Henri Louis(1850.10.8–1936.09.17) - francia fizikai vegyész és kohász. Megfogalmazva köztörvény egyensúlyi eltolódások (1884).

A reakciók lehetnek reverzibilisek vagy visszafordíthatatlanok.

Visszafordíthatatlan Ezek olyan reakciók, amelyeknél nincsenek olyan feltételek, amelyek mellett a fordított folyamat lehetséges.

Ilyen reakciók például azok a reakciók, amelyek akkor lépnek fel, amikor a tej megsavanyodik, vagy amikor egy ízletes szelet megég. Ahogy a darált húst nem lehet visszatenni a húsdarálón (és újra kapni egy darab húst), úgy a szeletet sem lehet „újraéleszteni”, vagy a tejet frissen készíteni.

De tegyünk fel magunknak egy egyszerű kérdést: visszafordíthatatlan a folyamat?

Ennek a kérdésnek a megválaszolásához próbáljuk meg emlékezni, hogy lehetséges-e fordított eljárás? Igen! A mészkő (kréta) lebontását égetett mész CaO előállítására ipari méretekben használják:

Így a reakció reverzibilis, mivel vannak olyan feltételek, amelyek között mindkét folyamat:

Ráadásul vannak olyan feltételek, amelyek mellett az előre irányuló reakció sebessége megegyezik a fordított reakció sebességével.

Ilyen körülmények között létrejön a kémiai egyensúly. Ekkor a reakció nem áll le, de a kapott részecskék száma megegyezik a lebomlott részecskék számával. Ezért képes Kémiai egyensúly a reagáló részecskék koncentrációja nem változik. Például a folyamatunkra a kémiai egyensúly pillanatában

jel azt jelenti egyensúlyi koncentráció.

Felmerül a kérdés, hogy mi lesz az egyensúlyi helyzettel, ha a hőmérsékletet emeljük vagy csökkentjük, vagy más körülmények megváltoznak? Erre a kérdésre tudvalevőleg lehet válaszolni Le Chatelier elve:

ha megváltoztatja azokat a feltételeket (t, p, c), amelyek mellett a rendszer egyensúlyi állapotba kerül, akkor az egyensúly eltolódik a folyamat felé, ellenáll a változásnak.

Más szóval, egy egyensúlyi rendszer mindig ellenáll minden kívülről jövő befolyásnak, ahogy a szeszélyes gyermek, aki „ellentétesen” cselekszik, ellenáll szülei akaratának.

Nézzünk egy példát. Állítsuk be az egyensúlyt az ammóniaképző reakcióban:

Kérdések. A reagáló gázok mólszáma azonos a reakció előtt és után? Ha egy reakció zárt térben megy végbe, mikor nagyobb a nyomás: a reakció előtt vagy után?

Nyilvánvaló, hogy ez a folyamat a gázmolekulák számának csökkenésével megy végbe, ami azt jelenti nyomás a közvetlen reakció során csökken. BAN BEN fordított reakciók - éppen ellenkezőleg, a nyomás a keverékben növeli.

Tegyük fel magunknak a kérdést, mi lesz, ha ebben a rendszerben növekedés nyomás? Le Chatelier elve szerint az „ellentétesen cselekvő” reakció megy végbe, i.e. leereszti nyomás. Ez egy közvetlen reakció: kevesebb gázmolekula - kisebb nyomás.

Így, nál nél növekedés nyomás, az egyensúly a közvetlen folyamat felé tolódik el, ahol csökken a nyomás, ahogy a molekulák száma csökken gázok

Egységes államvizsga-feladat. Nál nél növekedés nyomásegyensúly eltolódik jobb rendszerben:

Ha a reakció következtében molekulák száma gázok nem változnak, akkor a nyomásváltozás nem befolyásolja az egyensúlyi helyzetet.

Egységes államvizsga-feladat. A nyomásváltozás befolyásolja a rendszer egyensúlyának eltolódását:

Ennek és minden más reakciónak az egyensúlyi helyzete a reagáló anyagok koncentrációjától függ: a kiindulási anyagok koncentrációjának növelésével és a keletkező anyagok koncentrációjának csökkentésével mindig a közvetlen reakció felé toljuk el az egyensúlyt (jobbra).

Egységes államvizsga-feladat.

balra tolódik, ha:

1. megnövekedett vérnyomás;
2. a hőmérséklet csökkenése;
3. növekvő CO-koncentráció;
4. a CO-koncentráció csökkenése.

Az ammónia szintézis folyamata exoterm, azaz hőleadás kíséri, azaz hőmérséklet emelkedés a keverékben.

Kérdés. Hogyan fog elmozdulni az egyensúly ebben a rendszerben, amikor hőmérséklet csökkenés?

Hasonlóan vitatkozunk mi is következtetés: ha csökken hőmérsékleten az egyensúly az ammónia képződése felé tolódik el, mivel ebben a reakcióban hő szabadul fel, és a hőmérséklet emelkedik.

Kérdés. Hogyan változik a kémiai reakció sebessége a hőmérséklet csökkenésével?

Nyilvánvaló, hogy a hőmérséklet csökkenésével mindkét reakció sebessége meredeken csökken, azaz nagyon sokáig kell várni a kívánt egyensúly létrejöttére. Mit kell tenni? Ebben az esetben szükséges katalizátor. Bár ő nem befolyásolja az egyensúlyi helyzetet, de felgyorsítja ennek az állapotnak a kialakulását.

Egységes államvizsga-feladat. Kémiai egyensúly a rendszerben

a reakciótermék képződése felé tolódik el, ha:

1. megnövekedett vérnyomás;
2. hőmérséklet-emelkedés;
3. nyomáscsökkenés;
4. katalizátor használata.

következtetéseket

A kémiai reakció sebessége a következőktől függ:

• a reagáló részecskék természete;
• a reagensek koncentrációja vagy határfelülete;
• hőfok;
• katalizátor jelenléte.

Az egyensúly akkor jön létre, ha az előrehaladó reakció sebessége megegyezik a fordított folyamat sebességével. Ebben az esetben a reaktánsok egyensúlyi koncentrációja nem változik. A kémiai egyensúly állapota a feltételektől függ, és engedelmeskedik Le Chatelier elvének.