تأثیر ماهیت واکنش دهنده ها بر سرعت واکنش ها. تاثیر ماهیت واکنش دهنده ها بر سرعت واکنش ها چه عواملی سرعت واکنش ها را تعیین می کند؟

مکانیسم‌های تبدیل‌های شیمیایی و سرعت آنها توسط سینتیک شیمیایی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. فرآیندهای شیمیایی در طول زمان با سرعت های متفاوتی رخ می دهند. برخی به سرعت و تقریباً فورا اتفاق می‌افتند، در حالی که برخی دیگر زمان زیادی طول می‌کشد تا رخ دهند.

در تماس با

سرعت واکنش- سرعت مصرف معرف ها (غلظت آنها کاهش می یابد) یا محصولات واکنش در واحد حجم تشکیل می شوند.

عواملی که می توانند بر سرعت یک واکنش شیمیایی تأثیر بگذارند

عوامل زیر می توانند بر سرعت وقوع یک واکنش شیمیایی تأثیر بگذارند:

• غلظت مواد؛
• ماهیت معرف ها؛
• درجه حرارت؛
• وجود کاتالیزور؛
• فشار (برای واکنش در یک محیط گاز).

بنابراین، با تغییر شرایط خاص یک فرآیند شیمیایی، می‌توانید بر سرعت پیشروی فرآیند تأثیر بگذارید.

در فرآیند برهمکنش شیمیایی، ذرات مواد واکنش دهنده با یکدیگر برخورد می کنند. تعداد این انطباق ها متناسب با تعداد ذرات مواد در حجم مخلوط واکنش دهنده است و بنابراین با غلظت مولی معرف ها متناسب است.

قانون عمل توده ایوابستگی سرعت واکنش به غلظت مولی موادی که برهم کنش دارند را توصیف می کند.

برای یک واکنش اولیه (A + B → ...) این قانون با فرمول بیان می شود:

υ = k ∙С A ∙С B،

که در آن k ثابت سرعت است. C A و C B غلظت مولی معرف های A و B هستند.

اگر یکی از مواد واکنش دهنده در حالت جامد باشد، برهمکنش در سطح مشترک رخ می دهد، بنابراین، غلظت ماده جامد در معادله قانون جنبشی جرم گنجانده نشده است. برای درک معنای فیزیکی ثابت سرعت، لازم است C، A و C B را برابر با 1 در نظر بگیرید. سپس مشخص می شود که ثابت سرعت برابر با سرعت واکنش در غلظت های واکنش دهنده برابر با واحد است.

ماهیت معرف ها

از آنجایی که در طی برهمکنش پیوندهای شیمیایی مواد واکنش دهنده از بین می رود و پیوندهای جدیدی از محصولات واکنش تشکیل می شود، ماهیت پیوندهای دخیل در واکنش ترکیبات و ساختار مولکول های مواد واکنش دهنده نقش زیادی خواهد داشت. .

سطح تماس معرف ها

چنین مشخصه ای مانند سطح تماس معرف های جامد بر روند واکنش تأثیر می گذارد ، گاهی اوقات کاملاً قابل توجه است. سنگ زنی جامد به شما امکان می دهد سطح تماس معرف ها را افزایش دهید و در نتیجه روند را تسریع کنید. سطح تماس مواد محلول با حل کردن ماده به راحتی افزایش می یابد.

دمای واکنش

با افزایش دما، انرژی ذرات در حال برخورد افزایش می یابد. یک مثال واضح از اینکه چگونه افزایش دما بر فرآیند برهمکنش مواد تأثیر می گذارد می توان داده های ارائه شده در جدول را در نظر گرفت.

جدول 1. تأثیر تغییرات دما بر سرعت تشکیل آب (O 2 + 2H 2 → 2H 2 O)

برای توصیف کمی که چگونه دما می تواند بر سرعت برهمکنش مواد تأثیر بگذارد، از قانون Van't Hoff استفاده می شود. قانون Van't Hoff این است که وقتی دما 10 درجه افزایش می یابد، شتاب 2-4 برابر رخ می دهد.

فرمول ریاضی که قانون وانت هاف را توصیف می کند به شرح زیر است:

جایی که γ ضریب دمایی سرعت واکنش شیمیایی است (γ = 2-4).

اما معادله آرنیوس وابستگی دمای ثابت سرعت را بسیار دقیق‌تر توصیف می‌کند:

در جایی که R ثابت گاز جهانی است، A عاملی است که توسط نوع واکنش تعیین می شود، E، A انرژی فعال سازی است.

انرژی فعال سازی انرژی است که یک مولکول باید برای وقوع یک تبدیل شیمیایی به دست آورد. یعنی نوعی سد انرژی است که مولکول‌هایی که در حجم واکنش با هم برخورد می‌کنند باید بر آن غلبه کنند تا پیوندها را توزیع کنند.

انرژی فعال سازی به عوامل خارجی بستگی ندارد، بلکه به ماهیت ماده بستگی دارد. مقدار انرژی فعال سازی تا 40 تا 50 کیلوژول بر مول به مواد اجازه می دهد تا به طور کاملاً فعال با یکدیگر واکنش نشان دهند. اگر انرژی فعال سازی بیش از 120 کیلوژول بر مول باشد، سپس مواد (در دمای معمولی) بسیار آهسته واکنش نشان می دهند. تغییر دما منجر به تغییر تعداد مولکول‌های فعال می‌شود، یعنی مولکول‌هایی که به انرژی بیشتر از انرژی فعال‌سازی رسیده‌اند و بنابراین قادر به تبدیل‌های شیمیایی هستند.

عمل کاتالیزور

کاتالیزور ماده ای است که می تواند یک فرآیند را سرعت بخشد، اما بخشی از محصولات آن نیست. کاتالیز (شتاب یک تبدیل شیمیایی) به همگن و ناهمگن تقسیم می شود. اگر معرف ها و کاتالیزور در حالت های یکسان باشند، آنگاه کاتالیزور در حالت های مختلف، ناهمگن نامیده می شود. مکانیسم های عمل کاتالیزورها متنوع و کاملاً پیچیده است. علاوه بر این، شایان ذکر است که کاتالیزورها با انتخاب عمل مشخص می شوند. یعنی همان کاتالیزور در حالی که یک واکنش را تسریع می کند، ممکن است سرعت واکنش دیگری را تغییر ندهد.

فشار

اگر مواد گازی در دگرگونی دخالت داشته باشند، سرعت فرآیند تحت تأثیر تغییرات فشار در سیستم قرار می گیرد. . این اتفاق می افتد زیراکه برای معرف های گازی، تغییر فشار منجر به تغییر غلظت می شود.

تعیین تجربی سرعت یک واکنش شیمیایی

سرعت یک تبدیل شیمیایی را می توان با به دست آوردن داده هایی در مورد چگونگی تغییر غلظت مواد وارد شده به واکنش یا محصولات در واحد زمان به صورت تجربی تعیین کرد. روش های به دست آوردن چنین داده هایی به تقسیم بندی می شوند

• شیمیایی،
• فیزیکی و شیمیایی

روش های شیمیایی بسیار ساده، در دسترس و دقیق هستند. با کمک آنها، سرعت با اندازه گیری مستقیم غلظت یا مقدار ماده واکنش دهنده ها یا محصولات تعیین می شود. در صورت واکنش آهسته، نمونه‌هایی برای نظارت بر نحوه مصرف معرف گرفته می‌شود. سپس محتوای معرف در نمونه مشخص می شود. با نمونه برداری در فواصل زمانی منظم، می توان داده هایی را در مورد تغییرات مقدار یک ماده در طول فرآیند برهمکنش به دست آورد. متداول ترین انواع آنالیز، تیتریومتری و وزن سنجی هستند.

اگر واکنش سریع انجام شود، برای نمونه برداری باید متوقف شود. این را می توان با استفاده از خنک کننده انجام داد، حذف ناگهانی کاتالیزور، همچنین امکان رقیق کردن یا انتقال یکی از معرف ها به حالت غیر واکنشی وجود دارد.

روش های آنالیز فیزیکوشیمیایی در سینتیک تجربی مدرن بیشتر از روش های شیمیایی استفاده می شود. با کمک آنها می توانید تغییرات غلظت مواد را در زمان واقعی مشاهده کنید. در این صورت نیازی به توقف واکنش و نمونه برداری نیست.

روش های فیزیکوشیمیایی بر اساس اندازه گیری یک خاصیت فیزیکی است که به محتوای کمی یک ترکیب خاص در سیستم بستگی دارد و در طول زمان تغییر می کند. به عنوان مثال، اگر گازها در یک واکنش دخالت داشته باشند، فشار ممکن است چنین خاصیتی باشد. هدایت الکتریکی، ضریب شکست و طیف جذب مواد نیز اندازه گیری می شود.

سینتیک- علم سرعت واکنش های شیمیایی.

سرعت واکنش شیمیایی- تعداد اعمال اولیه برهمکنش شیمیایی که در واحد زمان در واحد حجم (همگن) یا در واحد سطح (ناهمگن) رخ می دهد.

سرعت واکنش واقعی:

برای واکنش های همگن و ناهمگن:

1) غلظت مواد واکنش دهنده؛

2) دما؛

3) کاتالیزور؛

4) بازدارنده

فقط برای ناهمگن:

1) میزان عرضه مواد واکنش دهنده به رابط فاز؛

2) مساحت سطح

عامل اصلی ماهیت واکنش دهنده ها است - ماهیت پیوندهای بین اتم ها در مولکول های واکنش دهنده ها.

NO 2 - اکسید نیتروژن (IV) - دم روباه، CO - مونوکسید کربن، مونوکسید کربن.

اگر آنها با اکسیژن اکسید شوند، در حالت اول واکنش فوراً رخ می دهد، به محض اینکه درب ظرف را باز می کنید، در حالت دوم واکنش به مرور زمان گسترش می یابد.

غلظت واکنش دهنده ها در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

رنگ آبی نشان دهنده لحظه بارش گوگرد است.

برنج. 10

هر چه غلظت Na 2 S 2 O 3 بیشتر باشد، زمان واکنش کمتر است. نمودار (شکل 10) یک رابطه مستقیم را نشان می دهد. وابستگی کمی سرعت واکنش به غلظت مواد واکنش دهنده با LMA (قانون عمل جرم) بیان می شود که بیان می کند: سرعت یک واکنش شیمیایی با محصول غلظت مواد واکنش دهنده نسبت مستقیم دارد.

بنابراین، قانون اساسی سینتیکیک قانون تجربی ثابت شده است: سرعت یک واکنش متناسب با غلظت واکنش دهنده ها است، به عنوان مثال: (یعنی برای یک واکنش)

برای این واکنش H 2 + J 2 = 2HJ - سرعت را می توان بر حسب تغییر در غلظت هر یک از مواد بیان کرد. اگر واکنش از چپ به راست ادامه یابد، غلظت H 2 و J 2 کاهش می یابد و غلظت HJ با پیشرفت واکنش افزایش می یابد. برای سرعت واکنش آنی، می توانیم عبارت زیر را بنویسیم:

براکت ها نشان دهنده غلظت هستند.

معنای فیزیکی k–مولکول ها در حرکت مداوم هستند، با هم برخورد می کنند، از هم جدا می شوند و به دیواره های رگ برخورد می کنند. برای اینکه واکنش شیمیایی HJ ایجاد شود، مولکول های H2 و J2 باید با هم برخورد کنند. تعداد چنین برخوردهایی بیشتر خواهد بود، هر چه تعداد مولکول های H 2 و J 2 بیشتر در حجم باشد، یعنی مقادیر [H 2 ] و . اما مولکول ها با سرعت های متفاوتی حرکت می کنند و انرژی جنبشی کل دو مولکول در حال برخورد متفاوت خواهد بود. اگر سریع ترین مولکول های H 2 و J 2 با هم برخورد کنند، انرژی آنها می تواند به قدری زیاد باشد که مولکول ها به اتم های ید و هیدروژن شکسته می شوند که از هم جدا می شوند و سپس با مولکول های دیگر H 2 + J 2 برهم کنش می کنند. > 2H+2J، سپس H + J 2 > HJ + J. اگر انرژی مولکول‌های در حال برخورد کمتر، اما به اندازه‌ای زیاد باشد که پیوندهای H – H و J – J ضعیف شود، واکنش تشکیل یدید هیدروژن رخ می‌دهد:

برای بیشتر مولکول‌های در حال برخورد، انرژی کمتر از انرژی لازم برای تضعیف پیوندهای H2 و J2 است. چنین مولکول هایی "بی سر و صدا" با هم برخورد می کنند و همچنین "بی سر و صدا" پراکنده می شوند و همان چیزی که بودند، H2 و J2 باقی می مانند. بنابراین، نه همه، بلکه تنها بخشی از برخوردها منجر به یک واکنش شیمیایی می شود. ضریب تناسب (k) تعداد برخوردهای مؤثر منجر به واکنش برخورد را در غلظت [H2] = 1 mol نشان می دهد. اندازه k–سرعت ثابت. چگونه سرعت می تواند ثابت باشد؟ بله، سرعت حرکت یکنواخت یکنواخت یک مقدار برداری ثابت برابر با نسبت حرکت یک جسم در هر دوره زمانی به مقدار این بازه است. اما مولکول ها به طور آشفته حرکت می کنند، پس چگونه می توان سرعت را ثابت کرد؟ اما سرعت ثابت فقط می تواند در دمای ثابت باشد. با افزایش دما، نسبت مولکول های سریعی که برخورد آنها منجر به واکنش می شود افزایش می یابد، یعنی ثابت سرعت افزایش می یابد. اما افزایش ثابت نرخ نامحدود نیست. در دمای معین، انرژی مولکول ها به قدری زیاد می شود که تقریباً تمام برخورد واکنش دهنده ها مؤثر خواهد بود. هنگامی که دو مولکول سریع با هم برخورد می کنند، یک واکنش معکوس رخ می دهد.

لحظه ای فرا می رسد که سرعت تشکیل 2HJ از H 2 و J 2 و تجزیه برابر خواهد شد، اما این در حال حاضر یک تعادل شیمیایی است. وابستگی سرعت واکنش به غلظت واکنش دهنده ها را می توان با استفاده از واکنش سنتی برهمکنش محلول تیوسولفات سدیم با محلول اسید سولفوریک ردیابی کرد.

Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 S 2 O 3، (1)

H 2 S 2 O 3 = Sv + H 2 O + SO 2 ^. (2)

واکنش (1) تقریباً فوراً رخ می دهد. سرعت واکنش (2) در دمای ثابت به غلظت واکنش دهنده H 2 S 2 O 3 بستگی دارد. این دقیقاً همان واکنشی است که ما مشاهده کردیم - در این مورد، سرعت با زمان از آغاز ادغام محلول ها تا ظهور مات اندازه گیری می شود. در مقاله L. M. Kuznetsova واکنش تیوسولفات سدیم با اسید هیدروکلریک شرح داده شده است. او می نویسد که وقتی محلول ها تخلیه می شوند، مات (کدورت) رخ می دهد. اما این گفته L.M. Kuznetsova اشتباه است زیرا مات و کدورت دو چیز متفاوت هستند. Opalescence (از اوپال و لاتین escentia- پسوند به معنای اثر ضعیف) - پراکندگی نور توسط محیط های کدر به دلیل ناهمگنی نوری آنها. پراکندگی نور- انحراف پرتوهای نور منتشر شده در یک محیط در تمام جهات از جهت اصلی. ذرات کلوئیدی قادر به پراکندگی نور هستند (اثر Tyndall-Faraday) - این امر مات شدن، کدورت جزئی محلول کلوئیدی را توضیح می دهد. هنگام انجام این آزمایش، لازم است که مادی آبی و سپس انعقاد سوسپانسیون کلوئیدی گوگرد را در نظر گرفت. همان چگالی سوسپانسیون با ناپدید شدن قابل مشاهده هر الگوی (مثلاً شبکه ای در کف فنجان) که از بالا از طریق لایه محلول مشاهده می شود، مشخص می شود. زمان با استفاده از کرونومتر از لحظه تخلیه شمارش می شود.

محلول های Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O و H 2 SO 4.

اولی با حل کردن 7.5 گرم نمک در 100 میلی لیتر H 2 O تهیه می شود که مربوط به غلظت 0.3 M است. برای تهیه محلولی از H 2 SO 4 با همان غلظت، باید 1.8 میلی لیتر H 2 SO 4 (k) اندازه گیری کنید. ? = = 1.84 گرم بر سانتی متر مکعب و در 120 میلی لیتر H 2 O حل کنید. محلول Na 2 S 2 O 3 آماده شده را در سه لیوان بریزید: اولی 60 میلی لیتری، دومی 30 میلی لیتری، سومی 10 میلی لیتری. 30 میلی لیتر H 2 O مقطر را به لیوان دوم و 50 میلی لیتر به لیوان سوم اضافه کنید. بنابراین، در هر سه لیوان 60 میلی لیتر مایع وجود خواهد داشت، اما در اولی غلظت نمک به صورت مشروط = 1، در دوم - ½ و در سوم - 1/6 است. پس از آماده شدن محلول ها 60 میلی لیتر محلول H 2 SO 4 را با محلول نمک داخل لیوان اول بریزید و کرونومتر و ... را روشن کنید با توجه به اینکه سرعت واکنش با رقیق شدن محلول Na 2 S 2 O 3 کاهش می یابد. می توان آن را به عنوان کمیتی معکوس با زمان تعیین کرد v = 1/؟ و یک نمودار بسازید و غلظت را روی محور آبسیسا و سرعت واکنش را روی محور ارتین ترسیم کنید. نتیجه این است که سرعت واکنش به غلظت مواد بستگی دارد. داده‌های به‌دست‌آمده در جدول 3 فهرست شده‌اند. این آزمایش را می‌توان با استفاده از بورت‌ها انجام داد، اما این کار مستلزم تمرین زیادی از سوی مجری است، زیرا ممکن است نمودار نادرست باشد.

جدول 3

سرعت و زمان واکنش

قانون Guldberg-Waage تأیید شد - استاد شیمی گولدرگ و دانشمند جوان Waage).

بیایید عامل بعدی را در نظر بگیریم - دما.

با افزایش دما، سرعت اکثر واکنش های شیمیایی افزایش می یابد. این وابستگی توسط قانون وانت هاف توصیف می شود: "به ازای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما، سرعت واکنش های شیمیایی 2 تا 4 برابر افزایش می یابد."

جایی که ? – ضریب دما که نشان می دهد با افزایش دما به میزان 10 درجه سانتیگراد چند برابر سرعت واکنش افزایش می یابد.

v 1- سرعت واکنش در دما t 1 ;

v 2 -سرعت واکنش در دما t2.

به عنوان مثال، یک واکنش در 50 درجه سانتیگراد دو دقیقه طول می کشد، اگر ضریب دما باشد چقدر طول می کشد تا فرآیند در 70 درجه سانتیگراد کامل شود. ? = 2?

t 1 = 120 ثانیه = 2 دقیقه؛ t 1 = 50 درجه سانتیگراد؛ t 2 = 70 درجه سانتی گراد

حتی افزایش جزئی دما باعث افزایش شدید سرعت واکنش برخوردهای فعال مولکول می شود. بر اساس تئوری فعال سازی، تنها مولکول هایی که انرژی آنها به میزان معینی از انرژی متوسط ​​مولکول ها بیشتر باشد در این فرآیند شرکت می کنند. این انرژی اضافی انرژی فعال سازی است. معنای فیزیکی آن انرژی است که برای برخورد فعال مولکول ها (بازآرایی اوربیتال ها) لازم است. تعداد ذرات فعال و در نتیجه سرعت واکنش، طبق یک قانون نمایی، طبق معادله آرنیوس، که وابستگی ثابت سرعت به دما را منعکس می‌کند، با دما افزایش می‌یابد.

جایی که آ -ضریب تناسب آرنیوس;

k–ثابت بولتزمن؛

E A -انرژی فعال سازی؛

R –ثابت گاز؛

T-درجه حرارت.

کاتالیزور ماده ای است که سرعت واکنش را بدون مصرف شدن تسریع می کند.

کاتالیزور- پدیده تغییر سرعت واکنش در حضور کاتالیزور. کاتالیز همگن و ناهمگن وجود دارد. همگن- اگر معرف ها و کاتالیزور در حالت تجمع یکسان باشند. ناهمگون- اگر معرف ها و کاتالیزور در حالت های مختلف تجمع باشند. در مورد کاتالیز، به طور جداگانه (در ادامه) مراجعه کنید.

بازدارنده- ماده ای که سرعت واکنش را کاهش می دهد.

عامل بعدی مساحت سطح است. هر چه سطح واکنش دهنده بزرگتر باشد، سرعت آن بیشتر می شود. اجازه دهید با استفاده از یک مثال، تأثیر درجه پراکندگی بر سرعت واکنش را در نظر بگیریم.

CaCO 3 - سنگ مرمر. سنگ مرمر کاشی شده را در اسید هیدروکلریک HCl فرو کنید، پنج دقیقه صبر کنید، کاملا حل می شود.

سنگ مرمر پودری - ما همین روش را با آن انجام می دهیم، در عرض سی ثانیه حل می شود.

معادله هر دو فرآیند یکسان است.

CaCO 3 (s) + HCl (g) = CaCl 2 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (g) ^.

بنابراین، هنگام اضافه کردن سنگ مرمر پودری، زمان کمتری نسبت به افزودن سنگ مرمر دال برای همان جرم است.

با افزایش سطح رابط، سرعت واکنش های ناهمگن افزایش می یابد.

سرعت یک واکنش شیمیایی به عوامل زیادی از جمله ماهیت واکنش دهنده ها، غلظت واکنش دهنده ها، دما و وجود کاتالیزور بستگی دارد. بیایید این عوامل را در نظر بگیریم.

1). ماهیت واکنش دهنده ها. اگر بین مواد دارای پیوند یونی برهمکنش وجود داشته باشد، واکنش سریعتر از بین مواد با پیوند کووالانسی انجام می شود.

2.) غلظت واکنش دهنده ها. برای انجام یک واکنش شیمیایی، مولکول های مواد واکنش دهنده باید با هم برخورد کنند. یعنی مولکول ها باید آنقدر به یکدیگر نزدیک شوند که اتم های یک ذره عمل میدان های الکتریکی ذره دیگر را تجربه کنند. فقط در این حالت انتقال الکترون و بازآرایی متناظر اتم ها امکان پذیر خواهد بود که در نتیجه مولکول های مواد جدید تشکیل می شود. بنابراین، سرعت واکنش‌های شیمیایی متناسب با تعداد برخوردهایی است که بین مولکول‌ها اتفاق می‌افتد و تعداد برخوردها نیز به نوبه خود متناسب با غلظت واکنش‌دهنده‌ها است. بر اساس مواد آزمایشی، دانشمندان نروژی گولدبرگ و واگ و مستقل از آنها، دانشمند روسی بکتوف در سال 1867 قانون اساسی سینتیک شیمیایی را فرموله کردند. قانون عمل توده ای(ZDM): در دمای ثابت، سرعت یک واکنش شیمیایی با حاصلضرب غلظت مواد واکنش دهنده به توان ضرایب استوکیومتری آنها نسبت مستقیم دارد. برای حالت کلی:

قانون عمل توده به شکل زیر است:

ثبت قانون عمل جرم برای یک واکنش معین نامیده می شود معادله جنبشی اولیه واکنش. در معادله سینتیکی، k ثابت سرعت واکنش است که به ماهیت واکنش دهنده ها و دما بستگی دارد.

اکثر واکنش های شیمیایی برگشت پذیر هستند. در طی چنین واکنش‌هایی، محصولات آنها با انباشته شدن، با یکدیگر واکنش می‌دهند و مواد اولیه را تشکیل می‌دهند:

سرعت واکنش رو به جلو:

سرعت بازخورد:

در لحظه تعادل:

بنابراین قانون عمل جرم در حالت تعادل به شکل زیر است:

که در آن K ثابت تعادل واکنش است.

3) تاثیر دما بر سرعت واکنش. سرعت واکنش های شیمیایی، به عنوان یک قاعده، با افزایش دما افزایش می یابد. بیایید این را با استفاده از مثال برهمکنش هیدروژن با اکسیژن در نظر بگیریم.

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

در دمای 20 درجه سانتیگراد، سرعت واکنش عملاً صفر است و 54 میلیارد سال طول می کشد تا برهمکنش 15 درصد پیشرفت کند. در دمای 500 درجه سانتیگراد، 50 دقیقه طول می کشد تا آب تشکیل شود و در دمای 700 درجه سانتیگراد واکنش فوراً رخ می دهد.

وابستگی سرعت واکنش به دما بیان می شود قانون وانت هاف: با افزایش دما به میزان 10 درجه، سرعت واکنش 2 تا 4 برابر افزایش می یابد. قانون وانت هاف نوشته شده است:

4) اثر کاتالیزورها. سرعت واکنش های شیمیایی را می توان با استفاده از کاتالیزورها- موادی که سرعت یک واکنش را تغییر می دهند و پس از واکنش در مقادیر بدون تغییر باقی می مانند. تغییر سرعت واکنش در حضور کاتالیزور را کاتالیز می گویند. تمیز دادن مثبت(سرعت واکنش افزایش می یابد) و منفی(سرعت واکنش کاهش می یابد) کاتالیز. گاهی اوقات یک کاتالیزور در طول یک واکنش تشکیل می شود. کاتالیز همگن و ناهمگن وجود دارد.

در همگندر کاتالیز، کاتالیزور و واکنش دهنده ها در یک فاز هستند. مثلا:

در ناهمگوندر کاتالیز، کاتالیزور و واکنش دهنده ها در فازهای مختلفی هستند. مثلا:

کاتالیز ناهمگن با فرآیندهای آنزیمی همراه است. تمام فرآیندهای شیمیایی که در موجودات زنده اتفاق می‌افتند توسط آنزیم‌ها کاتالیز می‌شوند که پروتئین‌هایی با عملکردهای خاص خاص هستند. در محلول‌هایی که فرآیندهای آنزیمی در آن‌ها انجام می‌شود، به دلیل عدم وجود یک رابط فاز به وضوح تعریف شده، محیط ناهمگن معمولی وجود ندارد. چنین فرآیندهایی به عنوان کاتالیز میکروهتروژن نامیده می شوند.

واکنش‌های شیمیایی با سرعت‌های مختلف اتفاق می‌افتد: با سرعت کم در هنگام تشکیل استالاکتیت‌ها و استالاگمیت‌ها، با سرعت متوسط ​​هنگام پختن غذا، بلافاصله در حین انفجار. واکنش ها در محلول های آبی خیلی سریع رخ می دهد.

تعیین سرعت یک واکنش شیمیایی، و همچنین روشن کردن وابستگی آن به شرایط فرآیند، وظیفه سینتیک شیمیایی است - علم الگوهای واکنش های شیمیایی در طول زمان.

اگر واکنش های شیمیایی در یک محیط همگن، به عنوان مثال در یک محلول یا در فاز گاز رخ دهد، آنگاه برهمکنش مواد واکنش دهنده در کل حجم رخ می دهد. چنین واکنش هایی نامیده می شود همگن.

(v homog) به عنوان تغییر در مقدار ماده در واحد زمان در واحد حجم تعریف می شود:

جایی که Δn تغییر در تعداد مول های یک ماده است (اغلب ماده اصلی است، اما می تواند محصول واکنش نیز باشد). Δt - فاصله زمانی (s، min)؛ V حجم گاز یا محلول (l) است.

از آنجایی که نسبت مقدار ماده به حجم نشان دهنده غلظت مولی C است، پس

بنابراین، سرعت یک واکنش همگن به عنوان تغییر در غلظت یکی از مواد در واحد زمان تعریف می شود:

اگر حجم سیستم تغییر نکند.

اگر واکنشی بین موادی در حالت‌های مختلف تجمع (مثلاً بین یک جامد و یک گاز یا مایع) یا بین موادی که قادر به تشکیل یک محیط همگن نیستند (مثلاً بین مایعات غیرقابل اختلاط) رخ دهد، آنگاه فقط انجام می‌شود. روی سطح تماس مواد چنین واکنش هایی نامیده می شود ناهمگون.

به عنوان تغییر در مقدار ماده در واحد زمان در سطح واحد تعریف می شود.

که در آن S مساحت سطح تماس مواد است (m2, cm2).

تغییر در مقدار ماده ای که با آن سرعت واکنش تعیین می شود یک عامل خارجی است که محقق مشاهده می کند. در واقع تمامی فرآیندها در سطح خرد انجام می شود. بدیهی است که برای اینکه برخی از ذرات واکنش نشان دهند، ابتدا باید با هم برخورد کنند و به طور مؤثر برخورد کنند: مانند توپ در جهات مختلف پراکنده نشوند، بلکه به گونه ای که "پیوندهای قدیمی" در ذرات از بین رفته یا ضعیف شوند و "پیوندهای جدید" می توانند شکل می گیرد، و برای این کار ذرات باید انرژی کافی داشته باشند.

داده های محاسبه شده نشان می دهد که مثلاً در گازها، برخورد مولکول ها در فشار اتمسفر به میلیاردها در ثانیه می رسد، یعنی همه واکنش ها باید فوراً رخ دهند. اما این درست نیست. به نظر می رسد که تنها بخش بسیار کوچکی از مولکول ها انرژی لازم برای منجر به برخورد موثر را دارند.

حداقل انرژی اضافی که یک ذره (یا جفت ذره) باید داشته باشد تا یک برخورد مؤثر رخ دهد، نامیده می شود. انرژی فعال سازیایا

بنابراین، در مسیر تمام ذرات وارد شده به واکنش، یک سد انرژی برابر با انرژی فعال سازی E a وجود دارد. وقتی کوچک است، ذرات زیادی وجود دارند که می توانند بر آن غلبه کنند و سرعت واکنش بالاست. در غیر این صورت، "فشار" مورد نیاز است. وقتی کبریت را برای روشن کردن یک لامپ الکلی می آورید، انرژی اضافی E را که برای برخورد موثر مولکول های الکل با مولکول های اکسیژن (غلبه بر مانع) ضروری است، به بدن منتقل می کنید.

سرعت یک واکنش شیمیایی به عوامل زیادی بستگی دارد. موارد اصلی عبارتند از: ماهیت و غلظت واکنش دهنده ها، فشار (در واکنش های مربوط به گازها)، دما، عمل کاتالیزورها و سطح واکنش دهنده ها در مورد واکنش های ناهمگن.

درجه حرارت

با افزایش دما، در بیشتر موارد سرعت یک واکنش شیمیایی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. در قرن 19 شیمیدان هلندی J. X. van't Hoff قانون را فرموله کرد:

هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما منجر به افزایش دما می شودسرعت واکنش 2-4 بار(به این مقدار ضریب دمایی واکنش گفته می شود).

با افزایش دما، سرعت متوسط ​​مولکول ها، انرژی آنها و تعداد برخوردها اندکی افزایش می یابد، اما نسبت مولکول های "فعال" شرکت کننده در برخوردهای موثر که بر سد انرژی واکنش غلبه می کنند، به شدت افزایش می یابد. از نظر ریاضی، این وابستگی با رابطه بیان می شود:

که در آن v t 1 و v t 2 به ترتیب سرعت واکنش در دمای نهایی t 2 و t 1 اولیه هستند و γ ضریب دمایی سرعت واکنش است که نشان می دهد با هر 10 درجه سانتیگراد افزایش چند برابر سرعت واکنش افزایش می یابد. در دما

با این حال، برای افزایش سرعت واکنش، افزایش دما همیشه قابل اعمال نیست، زیرا ممکن است مواد اولیه شروع به تجزیه کنند، حلال ها یا خود مواد ممکن است تبخیر شوند و غیره.

واکنش های گرمازا و گرمازا

واکنش متان با اکسیژن اتمسفر با انتشار مقدار زیادی گرما همراه است. بنابراین، در زندگی روزمره برای پخت و پز، گرم کردن آب و گرمایش استفاده می شود. گاز طبیعی که از طریق لوله به خانه ها عرضه می شود از 98 درصد متان تشکیل شده است. واکنش اکسید کلسیم (CaO) با آب نیز با آزاد شدن مقدار زیادی گرما همراه است.

این حقایق چه چیزی می تواند نشان دهد؟ هنگامی که پیوندهای شیمیایی جدید در محصولات واکنش تشکیل می شود، بیشترانرژی لازم برای شکستن پیوندهای شیمیایی در معرف ها. انرژی اضافی به صورت گرما و گاهی نور آزاد می شود.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (انرژی (نور، گرما)).

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (انرژی (گرما)).

چنین واکنش هایی باید به راحتی رخ دهد (همانطور که سنگ به راحتی در سراشیبی غلت می خورد).

واکنش هایی که در آن انرژی آزاد می شود نامیده می شوند EXTERMAL(از لاتین "exo" - خارج).

به عنوان مثال، بسیاری از واکنش های ردوکس گرمازا هستند. یکی از این واکنش های زیبا، کاهش اکسیداسیون درون مولکولی است که در داخل همان نمک - دی کرومات آمونیوم (NH 4) 2 Cr 2 O 7 رخ می دهد:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O + Q (انرژی).

مورد دیگر واکنش متقابل است. آنها شبیه به غلطاندن یک سنگ به بالای تپه هستند. هنوز امکان بدست آوردن متان از CO 2 و آب وجود ندارد و برای بدست آوردن CaO آهک زنده از هیدروکسید کلسیم Ca(OH) 2 به حرارت قوی نیاز است. این واکنش تنها با یک جریان ثابت انرژی از خارج رخ می دهد:

Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (انرژی (گرما))

این نشان می دهد که شکستن پیوندهای شیمیایی در Ca(OH) 2 به انرژی بیشتری نیاز دارد که می تواند در طول تشکیل پیوندهای شیمیایی جدید در مولکول های CaO و H 2 O آزاد شود.

واکنش هایی که در آنها انرژی جذب می شود نامیده می شوند آندترمیک(از "Endo" - به سمت داخل).

غلظت واکنش دهنده ها

تغییر فشار زمانی که مواد گازی در واکنش شرکت می کنند منجر به تغییر غلظت این مواد نیز می شود.

برای اینکه فعل و انفعالات شیمیایی بین ذرات رخ دهد، آنها باید به طور موثر با هم برخورد کنند. هر چه غلظت واکنش دهنده ها بیشتر باشد، برخورد بیشتر و بر این اساس، سرعت واکنش بیشتر می شود. به عنوان مثال، استیلن در اکسیژن خالص خیلی سریع می سوزد. در این حالت دمای کافی برای ذوب فلز ایجاد می شود. بر اساس مقدار زیادی از مواد آزمایشی، در سال 1867 نروژی ها K. Guldenberg و P. Waage و به طور مستقل از آنها در سال 1865، دانشمند روسی N.I Beketov قانون اساسی سینتیک شیمیایی را تنظیم کرد و وابستگی سرعت واکنش را به غلظت تعیین کرد. از مواد واکنش دهنده

سرعت یک واکنش شیمیایی متناسب با حاصلضرب غلظت مواد واکنش دهنده است که در توان هایی برابر با ضرایب آنها در معادله واکنش گرفته می شود.

این قانون نیز نامیده می شود قانون عمل توده ای

برای واکنش A + B = D، این قانون به صورت زیر بیان می شود:

برای واکنش 2A + B = D، این قانون به صورت زیر بیان می شود:

در اینجا C A، C B غلظت مواد A و B (mol/l) هستند. k 1 و k 2 ضرایب تناسبی هستند که ثابت سرعت واکنش نامیده می شوند.

تعیین معنای فیزیکی ثابت سرعت واکنش دشوار نیست - از نظر عددی برابر با سرعت واکنش است که در آن غلظت واکنش‌دهنده‌ها 1 mol/l یا محصول آنها برابر با واحد است. در این حالت مشخص است که ثابت سرعت واکنش فقط به دما بستگی دارد و به غلظت مواد بستگی ندارد.

قانون عمل توده ای غلظت واکنش دهنده ها در حالت جامد را در نظر نمی گیرد، زیرا روی سطوح واکنش نشان می دهند و غلظت آنها معمولاً ثابت است.

به عنوان مثال، برای یک واکنش احتراق زغال سنگ، عبارت سرعت واکنش باید به صورت زیر نوشته شود:

یعنی سرعت واکنش فقط با غلظت اکسیژن متناسب است.

اگر معادله واکنش تنها یک واکنش شیمیایی کل را توصیف کند که در چند مرحله انجام می شود، آنگاه سرعت چنین واکنشی می تواند به شکل پیچیده ای به غلظت مواد اولیه بستگی داشته باشد. این وابستگی به صورت تجربی یا نظری بر اساس مکانیسم واکنش پیشنهادی تعیین می شود.

عمل کاتالیزورها

افزایش سرعت یک واکنش با استفاده از مواد ویژه ای امکان پذیر است که مکانیسم واکنش را تغییر می دهند و آن را در مسیری از نظر انرژی مطلوب تر با انرژی فعال سازی کمتر هدایت می کنند. آنها را کاتالیزور می نامند (از لاتین katalysis - تخریب).

کاتالیزور به عنوان یک راهنمای باتجربه عمل می کند و گروهی از گردشگران را نه از طریق یک گردنه مرتفع در کوهستان (غلبه بر آن مستلزم تلاش و زمان زیادی است و برای همه قابل دسترسی نیست) بلکه در امتداد مسیرهای کنارگذر شناخته شده برای او هدایت می کند. می توان خیلی راحت تر و سریع تر بر کوه غلبه کرد.

درست است، با استفاده از مسیر دوربرگردان می توانید دقیقاً به جایی که گذر اصلی منتهی می شود نرسید. اما گاهی اوقات این دقیقا همان چیزی است که لازم است! کاتالیزورهایی که انتخابی نامیده می شوند دقیقاً به این ترتیب عمل می کنند. واضح است که نیازی به سوزاندن آمونیاک و نیتروژن نیست، اما از اکسید نیتریک (II) در تولید اسید نیتریک استفاده می شود.

کاتالیزورها- اینها موادی هستند که در یک واکنش شیمیایی شرکت می کنند و سرعت یا جهت آن را تغییر می دهند، اما در پایان واکنش از نظر کمی و کیفی بدون تغییر باقی می مانند.

تغییر سرعت یک واکنش شیمیایی یا جهت آن با استفاده از کاتالیزور را کاتالیز می گویند. کاتالیزورها به طور گسترده در صنایع مختلف و حمل و نقل (مبدل های کاتالیزوری که اکسیدهای نیتروژن از گازهای خروجی خودروها را به نیتروژن بی ضرر تبدیل می کنند) استفاده می شود.

دو نوع کاتالیزور وجود دارد.

کاتالیز همگن، که در آن کاتالیزور و واکنش دهنده ها در یک حالت تجمع (فاز) هستند.

کاتالیز ناهمگن، که در آن کاتالیزور و واکنش دهنده ها در فازهای مختلف هستند. به عنوان مثال، تجزیه پراکسید هیدروژن در حضور یک کاتالیزور اکسید منگنز (IV) جامد:

خود کاتالیزور در نتیجه واکنش مصرف نمی شود، اما اگر مواد دیگری روی سطح آن جذب شوند (به آنها سم کاتالیزوری می گویند)، سطح از کار افتاده و بازسازی کاتالیزور مورد نیاز است. بنابراین، قبل از انجام واکنش کاتالیزوری، مواد اولیه کاملاً خالص می شوند.

به عنوان مثال، در تولید اسید سولفوریک به روش تماس، از یک کاتالیزور جامد - اکسید وانادیم (V) V 2 O 5 استفاده می شود:

در تولید متانول از کاتالیزور جامد روی کروم (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3 ) استفاده می شود:

کاتالیزورهای بیولوژیکی - آنزیم ها - بسیار موثر عمل می کنند. از نظر ماهیت شیمیایی آنها پروتئین هستند. به لطف آنها، واکنش های شیمیایی پیچیده با سرعت بالا در موجودات زنده در دمای پایین رخ می دهد.

سایر مواد جالب شناخته شده هستند - مهار کننده ها (از لاتین inhibere - تا تاخیر). آنها با ذرات فعال با سرعت بالا واکنش می دهند و ترکیبات کم فعال را تشکیل می دهند. در نتیجه سرعت واکنش به شدت کاهش یافته و سپس متوقف می شود. بازدارنده ها اغلب به طور خاص به مواد مختلف برای جلوگیری از فرآیندهای ناخواسته اضافه می شوند.

به عنوان مثال، محلول های پراکسید هیدروژن با استفاده از بازدارنده ها تثبیت می شوند.

ماهیت مواد واکنش دهنده (ترکیب، ساختار آنها)

معنی انرژی های فعال سازیعاملی است که از طریق آن تأثیر ماهیت مواد واکنش دهنده بر سرعت واکنش تحت تأثیر قرار می گیرد.

اگر انرژی فعال سازی کم باشد (< 40 кДж/моль), то это означает, 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, ибо в этих ре­акциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.

اگر انرژی فعال سازی زیاد باشد(> 120 کیلوژول بر مول)، این بدان معنی است که تنها بخش کوچکی از برخورد بین ذرات برهم کنش منجر به واکنش می شود. بنابراین سرعت چنین واکنشی بسیار کم است. به عنوان مثال، پیشرفت واکنش سنتز آمونیاک در دماهای معمولی تقریبا غیرممکن است.

اگر انرژی فعال سازی واکنش های شیمیایی دارای مقادیر متوسط ​​(40120 کیلوژول بر مول) باشد، سرعت چنین واکنش هایی متوسط ​​خواهد بود. چنین واکنش هایی شامل برهمکنش سدیم با آب یا الکل اتیلیک، رنگ زدایی آب برم با اتیلن، برهمکنش روی با اسید کلریدریک و غیره است.

سطح تماس مواد واکنش دهنده

سرعت واکنش هایی که روی سطح مواد رخ می دهد، یعنی واکنش های ناهمگن، با مساوی بودن سایر چیزها، به خواص این سطح بستگی دارد. مشخص است که گچ پودری در اسید هیدروکلریک بسیار سریعتر از یک تکه گچ با وزن مساوی حل می شود.

افزایش سرعت واکنش در درجه اول به دلیل افزایش سطح تماس مواد اولیه، و همچنین تعدادی از دلایل دیگر، به عنوان مثال، نقض ساختار شبکه کریستالی "صحیح". این منجر به این واقعیت می شود که ذرات روی سطح میکروکریستال های حاصل بسیار واکنش پذیرتر از همان ذرات روی سطح "صاف" هستند.

در صنعت، برای انجام واکنش‌های ناهمگن، از یک "بستر سیال" برای افزایش سطح تماس مواد واکنش‌دهنده، تامین مواد اولیه و حذف محصولات استفاده می‌شود. به عنوان مثال، در تولید اسید سولفوریک، پیریت ها با استفاده از یک "بستر سیال" پخته می شوند.

مواد مرجع برای شرکت در آزمون:

جدول مندلیف

جدول حلالیت