A reagensek természetének hatása a reakciók sebességére. A reagensek természetének hatása a reakciók sebességére Milyen tényezők határozzák meg a reakciók sebességét?

A kémiai átalakulások mechanizmusait és azok sebességét a kémiai kinetika tanulmányozza. A kémiai folyamatok idővel különböző sebességgel mennek végbe. Egyesek gyorsan, szinte azonnal megtörténnek, míg mások nagyon sokáig tartanak.

Kapcsolatban áll

Sebességreakció- térfogategységenként a reagensek elfogyasztásának (koncentrációjuk csökkenésének) vagy reakciótermékek keletkezésének sebessége.

A kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezők

A következő tényezők befolyásolhatják, hogy a kémiai reakció milyen gyorsan megy végbe:

• anyagok koncentrációja;
• a reagensek jellege;
• hőfok;
• katalizátor jelenléte;
• nyomás (gáz környezetben zajló reakciókhoz).

Így a kémiai folyamat bizonyos feltételeinek megváltoztatásával befolyásolhatja, hogy a folyamat milyen gyorsan haladjon előre.

A kémiai kölcsönhatás során a reagáló anyagok részecskéi ütköznek egymással. Az ilyen egyezések száma arányos a reagáló keverék térfogatában lévő anyagrészecskék számával, ezért arányos a reagensek moláris koncentrációjával.

A tömeg cselekvés törvénye leírja a reakciósebesség függését a kölcsönhatásba lépő anyagok moláris koncentrációitól.

Egy elemi reakciónál (A + B → ...) ezt a törvényt a következő képlet fejezi ki:

υ = k ∙С A ∙С B,

ahol k a sebességi állandó; CA és C B az A és B reagensek moláris koncentrációi.

Ha az egyik reagáló anyag szilárd állapotban van, akkor a kölcsönhatás a határfelületen történik, ezért a szilárd anyag koncentrációja nem szerepel a tömeghatás kinetikai törvényének egyenletében. A sebességi állandó fizikai jelentésének megértéséhez C-t, A-t és C B-t 1-gyel kell felvenni. Ekkor világossá válik, hogy a sebességi állandó egyenlő a reakciósebességgel az egységnyi reagenskoncentrációnál.

A reagensek jellege

Mivel a kölcsönhatás során a reagáló anyagok kémiai kötései megsemmisülnek és a reakciótermékekből új kötések jönnek létre, nagy szerepe lesz a vegyületek reakciójában részt vevő kötések természetének és a reagáló anyagok molekuláinak szerkezetének. .

A reagensek érintkezési felülete

Egy olyan jellemző, mint a szilárd reagensek érintkezési felülete, befolyásolja a reakció lefolyását, néha meglehetősen jelentősen. A szilárd anyag őrlése lehetővé teszi a reagensek érintkezési felületének növelését, és ezáltal felgyorsítja a folyamatot. Az oldható anyagok érintkezési felülete könnyen növelhető az anyag feloldásával.

Reakció hőmérséklet

A hőmérséklet emelkedésével az ütköző részecskék energiája növekszik, nyilvánvaló, hogy a hőmérséklet emelkedésével maga a kémiai folyamat is felgyorsul. A táblázatban megadott adatok világos példának tekinthetők arra, hogy a hőmérséklet-emelkedés hogyan befolyásolja az anyagok kölcsönhatásának folyamatát.

1. táblázat: A hőmérséklet-változások hatása a vízképződés sebességére (O 2 +2H 2 → 2H 2 O)

Annak kvantitatív leírására, hogy a hőmérséklet hogyan befolyásolhatja az anyagok kölcsönhatásának sebességét, a Van't Hoff-szabályt használjuk. Van't Hoff szabálya szerint ha a hőmérséklet 10 fokkal emelkedik, akkor 2-4-szeres gyorsulás következik be.

A van't Hoff-szabályt leíró matematikai képlet a következő:

Ahol γ a kémiai reakció sebességének hőmérsékleti együtthatója (γ = 2−4).

De az Arrhenius-egyenlet sokkal pontosabban írja le a sebességi állandó hőmérsékletfüggését:

Ahol R az univerzális gázállandó, A a reakció típusa által meghatározott tényező, E, A az aktiválási energia.

Az aktiválási energia az az energia, amelyet a molekulának fel kell szereznie a kémiai átalakuláshoz. Vagyis ez egyfajta energiagát, amelyet a reakciótérfogatban ütköző molekuláknak le kell győzniük a kötések újraelosztásához.

Az aktiválási energia nem külső tényezőktől, hanem az anyag természetétől függ. Az akár 40-50 kJ/mol aktiválási energia értéke lehetővé teszi, hogy az anyagok meglehetősen aktívan reagáljanak egymással. Ha az aktiválási energia meghaladja a 120 kJ/mol értéket, akkor az anyagok (szokásos hőmérsékleten) nagyon lassan reagálnak. A hőmérséklet változása az aktív molekulák számának megváltozásához vezet, vagyis olyan molekulákhoz, amelyek az aktiválási energiánál nagyobb energiát értek el, és ezért képesek kémiai átalakulásra.

Katalizátor hatás

A katalizátor olyan anyag, amely felgyorsíthat egy folyamatot, de nem része a termékeinek. A katalízist (egy kémiai átalakulás felgyorsítása) homogénre és heterogénre osztják. Ha a reagensek és a katalizátor azonos aggregációs állapotban vannak, akkor a katalízist homogénnek nevezzük, ha különböző állapotban van, akkor heterogénnek nevezzük. A katalizátorok hatásmechanizmusa változatos és meglehetősen összetett. Ezenkívül érdemes megjegyezni, hogy a katalizátorokat a hatás szelektivitása jellemzi. Ez azt jelenti, hogy ugyanaz a katalizátor, miközben felgyorsítja az egyik reakciót, nem változtatja meg a másik sebességét.

Nyomás

Ha az átalakulásban gáznemű anyagok vesznek részt, akkor a folyamat sebességét a rendszer nyomásváltozásai befolyásolják. . Ez azért történik, mert hogy a gáznemű reagenseknél a nyomásváltozás koncentrációváltozáshoz vezet.

Kémiai reakció sebességének kísérleti meghatározása

A kémiai átalakulás sebessége kísérletileg meghatározható, ha adatokat nyerünk arról, hogyan változik a reakcióba belépő anyagok vagy termékek koncentrációja egységnyi idő alatt. Az ilyen adatok megszerzésének módszerei a következőkre oszlanak

• kémiai,
• fizikai-kémiai.

A kémiai módszerek meglehetősen egyszerűek, hozzáférhetőek és pontosak. Segítségükkel a sebességet a reaktánsok vagy termékek anyagkoncentrációjának vagy mennyiségének közvetlen mérésével határozzák meg. Lassú reakció esetén mintákat vesznek a reagens felhasználásának nyomon követésére. Ezután meghatározzuk a mintában lévő reagens tartalmát. Rendszeres időközönkénti mintavétellel adatokat lehet nyerni a kölcsönhatási folyamat során az anyag mennyiségének változásairól. A leggyakrabban használt elemzési típusok a titrimetria és a gravimetria.

Ha a reakció gyorsan lezajlik, akkor a mintavételhez le kell állítani. Ezt hűtéssel lehet megtenni, a katalizátor hirtelen eltávolítása, az egyik reagens hígítása vagy nem reaktív állapotba helyezése is lehetséges.

A modern kísérleti kinetika fizikai-kémiai elemzési módszereit gyakrabban használják, mint a kémiai módszereket. Segítségükkel valós időben figyelheti meg az anyagok koncentrációjának változásait. Ebben az esetben nincs szükség a reakció leállítására és mintavételre.

A fizikai-kémiai módszerek egy olyan fizikai tulajdonság mérésén alapulnak, amely egy bizonyos vegyület mennyiségi mennyiségétől függ a rendszerben, és idővel változik. Például, ha gázok vesznek részt egy reakcióban, akkor a nyomás lehet ilyen tulajdonság. Mérik az anyagok elektromos vezetőképességét, törésmutatóját és abszorpciós spektrumát is.

Kinetika– a kémiai reakciók sebességének tudománya.

A kémiai reakció sebessége– egységnyi időegységben térfogategységenként (homogén) vagy egységnyi felületen (heterogén) előforduló elemi kémiai kölcsönhatások száma.

Valódi reakciósebesség:

Homogén, heterogén reakciók esetén:

1) a reagáló anyagok koncentrációja;

2) hőmérséklet;

3) katalizátor;

4) inhibitor.

Csak heterogéneknél:

1) a reakcióba lépő anyagoknak a fázis határfelületére való ellátásának sebessége;

2) felület.

A fő tényező a reagensek természete - a reagensek molekuláiban lévő atomok közötti kötések természete.

NO 2 – nitrogén-oxid (IV) – rókafark, CO – szén-monoxid, szén-monoxid.

Ha oxigénnel oxidálódnak, akkor az első esetben a reakció azonnal megtörténik, amint kinyitja az edény kupakját, a második esetben a reakció idővel meghosszabbodik.

A reagensek koncentrációját az alábbiakban tárgyaljuk.

A kék opaleszcencia a kén kiválásának pillanatát jelzi, minél nagyobb a koncentráció, annál nagyobb a sebesség.

Rizs. 10

Minél nagyobb a Na 2 S 2 O 3 koncentrációja, annál rövidebb ideig tart a reakció. A grafikon (10. ábra) egyenesen arányos összefüggést mutat. A reakciósebességnek a reagáló anyagok koncentrációjától való mennyiségi függőségét az LMA (a tömeghatás törvénye) fejezi ki, amely kimondja: a kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reagáló anyagok koncentrációinak szorzatával.

Így, a kinetika alaptörvénye empirikusan megállapított törvény: a reakció sebessége arányos a reaktánsok koncentrációjával, például: (azaz egy reakciónál)

Ennél a reakciónál H 2 + J 2 = 2HJ – a sebesség bármely anyag koncentrációjának változásával kifejezhető. Ha a reakció balról jobbra halad, akkor a H 2 és J 2 koncentrációja csökken, a HJ koncentrációja pedig nő a reakció előrehaladtával. A pillanatnyi reakciósebességhez a következő kifejezést írhatjuk fel:

szögletes zárójel a koncentrációt jelzi.

Fizikai jelentés k– A molekulák folyamatos mozgásban vannak, összeütköznek, szétrepülnek, és nekiütköznek az edény falának. Ahhoz, hogy a kémiai reakció HJ képződjön, a H2 és J2 molekuláknak ütközniük kell. Az ilyen ütközések száma annál nagyobb, minél több H 2 és J 2 molekula található a térfogatban, azaz minél nagyobb a [H 2 ] és a . De a molekulák különböző sebességgel mozognak, és a két ütköző molekula teljes kinetikus energiája eltérő lesz. Ha a leggyorsabb H 2 és J 2 molekulák ütköznek, akkor energiájuk olyan nagy lehet, hogy a molekulák jód- és hidrogénatomokra bomlanak, amelyek szétrepülnek, majd kölcsönhatásba lépnek más H 2 + J 2 molekulákkal. > 2H+2J, majd H+J 2 > HJ + J. Ha az ütköző molekulák energiája kisebb, de elég nagy ahhoz, hogy gyengítse a H – H és J – J kötéseket, a hidrogén-jodid képződési reakciója megy végbe:

A legtöbb ütköző molekula esetében az energia kisebb, mint amennyi a H 2 és J 2 kötéseinek gyengítéséhez szükséges. Az ilyen molekulák „csendben” ütköznek, és „csendben” szétoszlanak, és továbbra is azok maradnak, amik voltak, H 2 és J 2. Így nem minden ütközés, hanem csak egy része vezet kémiai reakcióhoz. Az arányossági együttható (k) mutatja az ütközési reakcióhoz vezető hatékony ütközések számát [H 2 ] = 1 mol koncentrációnál. Nagyságrend k–állandó sebesség. Hogyan lehet a sebesség állandó? Igen, az egyenletes egyenes vonalú mozgás sebessége egy állandó vektormennyiség, amely egyenlő egy test mozgásának bármely időtartamon belüli és ezen intervallum értékének arányával. De a molekulák kaotikusan mozognak, akkor hogyan lehet állandó a sebesség? De állandó sebesség csak állandó hőmérsékleten lehet. A hőmérséklet növekedésével növekszik azoknak a gyors molekuláknak az aránya, amelyek ütközése reakcióhoz vezet, azaz a sebességi állandó növekszik. De a sebességi állandó növekedése nem korlátlan. Egy bizonyos hőmérsékleten a molekulák energiája olyan nagy lesz, hogy a reaktánsok szinte minden ütközése hatékony lesz. Ha két gyors molekula ütközik, fordított reakció megy végbe.

Eljön az a pillanat, amikor a 2HJ H 2-ből és J 2-ből képződése és lebomlása egyenlő lesz, de ez már egy kémiai egyensúly. A reakciósebességnek a reagensek koncentrációjától való függése a nátrium-tioszulfát oldatának kénsavoldattal való kölcsönhatásának hagyományos reakciójával követhető nyomon.

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

H 2S 2O 3 = Sv+H2O+SO 2^. (2)

Az (1) reakció szinte azonnal megtörténik. A (2) reakció sebessége állandó hőmérsékleten a reaktáns H 2 S 2 O 3 koncentrációjától függ. Pontosan ezt a reakciót figyeltük meg – ebben az esetben a sebességet az oldatok összeolvadásától az opálosodás megjelenéséig eltelt idő méri. A cikkben L. M. Kuznyecova Leírják a nátrium-tioszulfát és sósav reakcióját. Azt írja, hogy amikor az oldatokat leeresztik, opálosodás (turbiditás) lép fel. De L. M. Kuznyecova állítása téves, mivel az opálosodás és a zavarosság két különböző dolog. Opaleszcencia (az opálból és a latinból escentia– gyenge hatást jelentő utótag) – optikai inhomogenitásuk miatt zavaros közegek fényszóródása. Fényszórás– a közegben terjedő fénysugarak minden irányban az eredeti iránytól való eltérése. A kolloid részecskék képesek fényt szórni (Tyndall-Faraday hatás) - ez magyarázza az opálosodást, a kolloid oldat enyhe zavarosodását. A kísérlet elvégzésekor figyelembe kell venni a kék opálosodást, majd a kénkolloid szuszpenzió koagulációját. A szuszpenzió azonos sűrűségét az oldatrétegen keresztül felülről megfigyelt minden minta (például egy rács egy csésze alján) látható eltűnése jelzi. Az időt a leeresztés pillanatától számítja a stopper.

Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O és H 2 SO 4 oldatai.

Az elsőt úgy állítjuk elő, hogy 7,5 g sót feloldunk 100 ml vízben, ami 0,3 M koncentrációnak felel meg. Az azonos koncentrációjú H 2 SO 4 oldat elkészítéséhez 1,8 ml H 2 SO 4 (k) mennyiséget kell mérnie, ? = = 1,84 g/cm 3 és oldjuk fel 120 ml vízben. Az elkészített Na 2 S 2 O 3 oldatot öntsük három pohárba: az elsőbe 60 ml, a másodikba 30 ml, a harmadikba 10 ml. Adjunk hozzá 30 ml desztillált vizet a második pohárhoz, és 50 ml-t a harmadik pohárhoz. Így mindhárom pohárban 60 ml folyadék lesz, de az elsőben a sókoncentráció feltételesen = 1, a másodikban ½, a harmadikban pedig 1/6. Az oldatok elkészítése után öntsön 60 ml H 2 SO 4 oldatot az első pohárba sóoldattal, és kapcsolja be a stoppert stb. Tekintettel arra, hogy a reakciósebesség a Na 2 S 2 O 3 oldat hígításával csökken, az idővel fordítottan arányos mennyiségként határozható meg v = 1/? és készítsünk egy grafikont, ábrázolva a koncentrációt az abszcissza tengelyen és a reakciósebességet az ordináta tengelyen. Ebből az a következtetés vonható le, hogy a reakciósebesség az anyagok koncentrációjától függ. A kapott adatokat a 3. táblázat tartalmazza. Ez a kísérlet elvégezhető bürettával is, de ez sok gyakorlást igényel az előadótól, mert előfordulhat, hogy a grafikon hibás.

3. táblázat

Sebesség és reakcióidő

A Guldberg-Waage törvény megerősítést nyer – Gulderg kémiaprofesszor és Waage fiatal tudós).

Tekintsük a következő tényezőt - a hőmérsékletet.

A hőmérséklet emelkedésével a legtöbb kémiai reakció sebessége nő. Ezt a függőséget Van't Hoff szabálya írja le: "Minden 10 °C-os hőmérséklet-emelkedéssel a kémiai reakciók sebessége 2-4-szeresére nő."

Ahol ? – hőmérsékleti együttható, amely azt mutatja, hogy a reakciósebesség hányszorosára nő, ha a hőmérséklet 10 °C-kal emelkedik;

v 1 – reakciósebesség hőmérsékleten t 1;

v 2 – reakciósebesség hőmérsékleten t2.

Például egy reakció 50 °C-on két percig tart, mennyi ideig tart a folyamat befejeződése 70 °C-on, ha a hőmérsékleti együttható ? = 2?

t 1 = 120 s = 2 perc; t 1 = 50 °C; t 2 = 70 °C.

Már a hőmérséklet enyhe emelkedése is a molekula aktív ütközésének reakciósebességének éles növekedését okozza. Az aktiválási elmélet szerint csak azok a molekulák vesznek részt a folyamatban, amelyek energiája bizonyos mértékben nagyobb, mint a molekulák átlagos energiája. Ez a felesleges energia az aktiválási energia. Fizikai jelentése a molekulák aktív ütközéséhez (pályák átrendeződéséhez) szükséges energia. Az aktív részecskék száma és így a reakciósebesség a hőmérséklettel növekszik egy exponenciális törvény szerint, az Arrhenius-egyenlet szerint, amely a sebességi állandó hőmérséklettől való függését tükrözi.

Ahol A - Arrhenius arányossági együttható;

k– Boltzmann-állandó;

E A – aktiválási energia;

R – gázállandó;

T- hőfok.

A katalizátor olyan anyag, amely felgyorsítja a reakció sebességét anélkül, hogy elfogyna.

Katalízis– a reakciósebesség változásának jelensége katalizátor jelenlétében. Van homogén és heterogén katalízis. Homogén– ha a reagensek és a katalizátor azonos aggregált állapotban vannak. Heterogén– ha a reagensek és a katalizátor eltérő aggregációs állapotban vannak. A katalízisről lásd külön (tovább).

Inhibitor– olyan anyag, amely lassítja a reakció sebességét.

A következő tényező a felület. Minél nagyobb a reagens felülete, annál nagyobb a sebesség. Tekintsük egy példán keresztül a diszperziós fok hatását a reakciósebességre.

CaCO 3 – márvány. A csempézett márványt mártsuk sósav sósavba, várjunk öt percet, teljesen feloldódik.

Por alakú márvány - ugyanazt az eljárást fogjuk elvégezni vele, harminc másodperc alatt feloldódik.

A két folyamat egyenlete ugyanaz.

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

Tehát porított márvány hozzáadásakor az idő kevesebb, mint a márványlap hozzáadásakor, azonos tömeghez.

A határfelület növekedésével a heterogén reakciók sebessége nő.

A kémiai reakció sebessége számos tényezőtől függ, beleértve a reagensek természetét, a reagensek koncentrációját, a hőmérsékletet és a katalizátorok jelenlétét. Tekintsük ezeket a tényezőket.

1). A reagensek természete. Ha ionos kötéssel rendelkező anyagok között van kölcsönhatás, akkor a reakció gyorsabban megy végbe, mint a kovalens kötéssel rendelkező anyagok között.

2.) Reagensek koncentrációja. A kémiai reakció végbemeneteléhez a reagáló anyagok molekuláinak ütközniük kell. Vagyis a molekuláknak olyan közel kell kerülniük egymáshoz, hogy az egyik részecske atomjai a másik elektromos mezőjének hatását tapasztalják. Csak ebben az esetben lehetséges az elektronátmenetek és az atomok megfelelő átrendeződése, amelynek eredményeként új anyagok molekulái képződnek. Így a kémiai reakciók sebessége arányos a molekulák között előforduló ütközések számával, az ütközések száma pedig a reaktánsok koncentrációjával. Guldberg és Waage norvég tudósok, valamint tőlük függetlenül Beketov orosz tudós kísérleti anyagok alapján 1867-ben megfogalmazták a kémiai kinetika alaptörvényét - tömegcselekvés törvénye(ZDM): állandó hőmérsékleten a kémiai reakció sebessége egyenesen arányos a reagáló anyagok koncentrációinak sztöchiometrikus együtthatóinak hatványával. Általános esetre:

a tömeghatás törvénye a következő formában van:

A tömeghatás törvényének rögzítését egy adott reakcióra ún a reakció alapvető kinetikai egyenlete. A kinetikai alapegyenletben k a reakciósebesség állandója, amely a reaktánsok természetétől és a hőmérséklettől függ.

A legtöbb kémiai reakció visszafordítható. Az ilyen reakciók során termékeik felhalmozódásuk során egymással reakcióba lépve kiindulási anyagokat képeznek:

Előre irányuló reakció sebessége:

Visszacsatolási sebesség:

Az egyensúly pillanatában:

Ezért a tömeghatás törvénye egyensúlyi állapotban a következő formát ölti:

ahol K a reakció egyensúlyi állandója.

3) A hőmérséklet hatása a reakció sebességére. A kémiai reakciók sebessége általában növekszik, ha a hőmérsékletet túllépik. Tekintsük ezt a hidrogén és az oxigén kölcsönhatásának példáján.

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

20 0 C-on a reakciósebesség gyakorlatilag nulla, és 54 milliárd év kellene ahhoz, hogy a kölcsönhatás 15%-kal előrehaladjon. 500 0 C-on 50 percet vesz igénybe a víz képződése, és 700 0 C-on a reakció azonnal megtörténik.

A reakciósebesség hőmérséklettől való függését fejezzük ki van't Hoff szabálya: a hőmérséklet 10 o-os emelésével a reakciósebesség 2-4-szeresére nő. Van't Hoff szabálya így van írva:

4) A katalizátorok hatása. A kémiai reakciók sebessége a segítségével szabályozható katalizátorok– olyan anyagok, amelyek megváltoztatják a reakció sebességét, és a reakció után változatlan mennyiségben maradnak vissza. A reakció sebességének megváltoztatását katalizátor jelenlétében katalízisnek nevezzük. Megkülönböztetni pozitív(a reakciósebesség nő) és negatív(a reakciósebesség csökken) katalízis. Néha egy reakció során katalizátor képződik, ezeket autokatalitikusnak nevezik. Van homogén és heterogén katalízis.

Nál nél homogén A katalízis során a katalizátor és a reagensek ugyanabban a fázisban vannak. Például:

Nál nél heterogén A katalízis során a katalizátor és a reagensek különböző fázisokban vannak. Például:

A heterogén katalízis enzimatikus folyamatokhoz kapcsolódik. Az élő szervezetekben végbemenő összes kémiai folyamatot enzimek katalizálják, amelyek bizonyos speciális funkciójú fehérjék. Azokban az oldatokban, amelyekben enzimatikus folyamatok zajlanak, nincs jellemző heterogén környezet, a világosan meghatározott fázisinterfész hiánya miatt. Az ilyen folyamatokat mikroheterogén katalízisnek nevezik.

A kémiai reakciók különböző sebességgel mennek végbe: kis sebességgel cseppkövek és sztalagmitok képződése során, átlagos sebességgel ételkészítéskor, azonnal robbanáskor. A reakciók nagyon gyorsan mennek végbe vizes oldatokban.

A kémiai reakció sebességének meghatározása, valamint a folyamat körülményeitől való függésének tisztázása a kémiai kinetika – a kémiai reakciók időbeli mintázatainak tudománya – feladata.

Ha a kémiai reakciók homogén közegben, például oldatban vagy gázfázisban mennek végbe, akkor a reagáló anyagok kölcsönhatása a teljes térfogatban megy végbe. Az ilyen reakciókat ún homogén.

(v homog) az egységnyi idő és térfogategység alatti anyagmennyiség változása:

ahol Δn egy anyag mólszámának változása (leggyakrabban az eredeti, de lehet reakciótermék is); Δt - időintervallum (s, perc); V a gáz vagy oldat térfogata (l).

Mivel az anyagmennyiség és a térfogat aránya a C moláris koncentrációt jelenti, akkor

Így a homogén reakció sebességét az egyik anyag koncentrációjának egységnyi idő alatti változásaként határozzuk meg:

ha a rendszer hangereje nem változik.

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 nem elegyedő folyadékok között), akkor az csak az anyagok érintkezési felületén. Az ilyen reakciókat ún heterogén.

Az egységnyi felületen az egységnyi idő alatt bekövetkező anyagmennyiség változásaként definiálható.

ahol S az anyagok érintkezési felülete (m 2, cm 2).

Az anyag mennyiségének változása, amely a reakciósebességet meghatározza, a kutató által megfigyelt külső tényező. Valójában minden folyamatot mikroszinten hajtanak végre. Nyilvánvaló, hogy ahhoz, hogy egyes részecskék reagálhassanak, először össze kell ütközniük, és hatékonyan ütközniük kell: nem golyóként szétszóródva különböző irányokba, hanem úgy, hogy a „régi kötések” megsemmisülnek vagy meggyengülnek a részecskékben, és az „újak” megtörténhetnek. formában, és ehhez a részecskéknek elegendő energiával kell rendelkezniük.

A számított adatok azt mutatják, hogy például gázokban a molekulák légköri nyomáson történő ütközése másodpercenként milliárdokat tesz ki, vagyis minden reakciónak azonnal meg kell történnie. De ez nem igaz. Kiderült, hogy a molekuláknak csak nagyon kis része rendelkezik a hatékony ütközésekhez szükséges energiával.

Azt a minimális többletenergiát, amellyel egy részecskének (vagy részecskepároknak) rendelkeznie kell egy hatékony ütközéshez, az ún. aktiválási energia Ea.

Így a reakcióba belépő összes részecske útján az E a aktiválási energiával egyenlő energiagát található. Ha kicsi, sok részecske képes legyőzni, és a reakciósebesség nagy. Ellenkező esetben „push”-ra van szükség. Ha gyufát hozol egy alkohollámpa megvilágítására, akkor az alkoholmolekulák és az oxigénmolekulák hatékony ütközéséhez (a gát leküzdéséhez) szükséges E a többletenergiát adják át.

A kémiai reakció sebessége sok tényezőtől függ. A főbbek: a reagáló anyagok jellege, koncentrációja, nyomás (gázos reakciókban), hőmérséklet, katalizátorok hatása, heterogén reakciók esetén a reagáló anyagok felülete.

Hőfok

A hőmérséklet emelkedésével a legtöbb esetben a kémiai reakció sebessége jelentősen megnő. A 19. században J. X. van't Hoff holland kémikus megfogalmazta a szabályt:

Minden 10 °C-os hőmérséklet-emelkedés a hőmérséklet növekedéséhez vezetreakciósebesség 2-4-szer(ezt az értéket a reakció hőmérsékleti együtthatójának nevezzük).

A hőmérséklet emelkedésével a molekulák átlagos sebessége, energiájuk és az ütközések száma enyhén növekszik, de meredeken növekszik a reakció energiagátját leküzdő hatékony ütközésekben részt vevő „aktív” molekulák aránya. Matematikailag ezt a függőséget a következő összefüggés fejezi ki:

ahol v t 1 és v t 2 a reakciósebesség rendre a végső t 2 és a kezdeti t 1 hőmérsékleten, és γ a reakciósebesség hőmérsékleti együtthatója, amely megmutatja, hogy a reakciósebesség hányszorosára nő minden 10 °C-os emeléssel hőmérsékletben.

A reakciósebesség növelésére azonban nem mindig alkalmazható a hőmérséklet emelése, mivel a kiindulási anyagok bomlásnak indulhatnak, az oldószerek vagy maguk az anyagok elpárologhatnak stb.

Endoterm és exoterm reakciók

A metán és a légköri oxigén reakciója köztudottan nagy mennyiségű hő felszabadulásával jár. Ezért a mindennapi életben főzéshez, vízmelegítéshez és fűtéshez használják. Az otthonokba csövön keresztül szállított földgáz 98%-ban metánból áll. A kalcium-oxid (CaO) vízzel való reakciója szintén nagy mennyiségű hő felszabadulásával jár.

Mit jelezhetnek ezek a tények? Amikor a reakciótermékekben új kémiai kötések jönnek létre, több energiát, mint amennyi a reagensekben lévő kémiai kötések megszakításához szükséges. A felesleges energia hőként és néha fényként szabadul fel.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (energia (fény, hő));

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (energia (hő)).

Az ilyen reakcióknak könnyen fel kell lépniük (mivel a kő könnyen gördül lefelé).

Azokat a reakciókat, amelyek során energia szabadul fel, nevezzük HŐTERMELŐ(a latin „exo” szóból - ki).

Például sok redoxreakció exoterm. Az egyik ilyen gyönyörű reakció az intramolekuláris oxidáció-redukció, amely ugyanazon só - ammónium-dikromát (NH 4) 2 Cr 2 O 7 - belsejében megy végbe:

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

A másik dolog a visszahatás. Hasonlítanak a kő dombra való felgurításához. Még mindig nem sikerült metánt nyerni CO 2 -ből és vízből, és erős melegítésre van szükség ahhoz, hogy kalcium-hidroxidból, Ca(OH) 2-ből égetett mész CaO-t nyerjünk. Ez a reakció csak állandó külső energiaáramlás mellett megy végbe:

Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (energia (hő))

Ez arra utal, hogy a Ca(OH) 2 kémiai kötéseinek megszakításához több energia szükséges, mint amennyi a CaO és H 2 O molekulákban új kémiai kötések kialakulása során felszabadul.

Azokat a reakciókat, amelyekben az energia elnyelődik, nevezzük ENDOTHERMÁLIS(az „endo”-ból - befelé).

Reagensek koncentrációja

A nyomásváltozás, amikor gáznemű anyagok vesznek részt a reakcióban, ezen anyagok koncentrációjának változásához is vezet.

A részecskék közötti kémiai kölcsönhatások létrejöttéhez hatékonyan ütközniük kell. Minél nagyobb a reagensek koncentrációja, annál több az ütközés, és ennek megfelelően annál nagyobb a reakciósebesség. Például az acetilén nagyon gyorsan ég tiszta oxigénben. Ebben az esetben a fém megolvadásához elegendő hőmérséklet alakul ki. Nagy mennyiségű kísérleti anyag alapján 1867-ben a norvégok K. Guldenberg és P. Waage, tőlük függetlenül 1865-ben N. I. Beketov orosz tudós megfogalmazta a kémiai kinetika alaptörvényét, megállapítva a reakciósebesség koncentrációtól való függőségét a reagáló anyagoktól.

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

Ezt a törvényt úgy is hívják tömegcselekvés törvénye.

Az A + B = D reakció esetén ezt a törvényt a következőképpen fejezzük ki:

A 2A + B = D reakció esetén ez a törvény a következőképpen fejeződik ki:

Itt C A, C B az A és B anyagok koncentrációja (mol/l); k 1 és k 2 arányossági együtthatók, úgynevezett reakciósebesség-állandók.

A reakciósebesség-állandó fizikai jelentését nem nehéz megállapítani - számszerűen megegyezik azzal a reakciósebességgel, amelyben a reaktánsok koncentrációja 1 mol/l, vagy szorzatuk egységgel egyenlő. Ebben az esetben egyértelmű, hogy a reakciósebesség állandó csak a hőmérséklettől függ, és nem függ az anyagok koncentrációjától.

A tömeg cselekvés törvénye nem veszi figyelembe a szilárd halmazállapotú reagensek koncentrációját, mert felületeken reagálnak és koncentrációjuk általában állandó.

Például egy szénégetési reakciónál a reakciósebesség kifejezést a következőképpen kell írni:

azaz a reakciósebesség csak az oxigénkoncentrációval arányos.

Ha a reakcióegyenlet csak egy teljes kémiai reakciót ír le, amely több szakaszban megy végbe, akkor egy ilyen reakció sebessége összetett módon függhet a kiindulási anyagok koncentrációjától. Ezt a függést kísérletileg vagy elméletileg határozzák meg a javasolt reakciómechanizmus alapján.

A katalizátorok hatása

Speciális, a reakciómechanizmust megváltoztató, energetikailag kedvezőbb, alacsonyabb aktiválási energiájú pályára terelő anyagok segítségével lehet a reakció sebességét növelni. Katalizátoroknak nevezik őket (a latin katalizis - pusztítás szóból).

A katalizátor tapasztalt vezetőként működik, egy turistacsoportot nem egy magas hegyi hágón keresztül vezet (a leküzdése sok erőfeszítést és időt igényel, és nem mindenki számára elérhető), hanem az általa ismert elkerülő utakon, amelyek mentén sokkal könnyebben és gyorsabban lehet legyőzni a hegyet.

Igaz, a körforgalommal nem egészen oda lehet eljutni, ahová a főhágó vezet. De néha pontosan erre van szükség! Pontosan így hatnak a szelektívnek nevezett katalizátorok. Nyilvánvaló, hogy nem kell ammóniát és nitrogént elégetni, de a nitrogén-oxidot (II) használják a salétromsav előállításához.

Katalizátorok- ezek olyan anyagok, amelyek részt vesznek egy kémiai reakcióban és megváltoztatják annak sebességét vagy irányát, de a reakció végén mennyiségileg és minőségileg változatlanok maradnak.

A kémiai reakció sebességének vagy irányának megváltoztatását katalizátor segítségével katalízisnek nevezzük. A katalizátorokat széles körben használják a különböző iparágakban és a közlekedésben (katalizátorok, amelyek az autók kipufogógázaiból származó nitrogén-oxidokat ártalmatlan nitrogénné alakítják át).

A katalízisnek két típusa van.

Homogén katalízis, amelyben mind a katalizátor, mind a reaktánsok azonos aggregációs állapotban (fázisban) vannak.

Heterogén katalízis, amelyben a katalizátor és a reagensek különböző fázisokban vannak. Például a hidrogén-peroxid lebontása szilárd mangán (IV)-oxid katalizátor jelenlétében:

Maga a katalizátor a reakció következtében nem fogy el, de ha a felületén más anyagok adszorbeálódnak (ezeket katalitikus mérgeknek nevezik), akkor a felület működésképtelenné válik, és a katalizátor regenerálása szükséges. Ezért a katalitikus reakció végrehajtása előtt a kiindulási anyagokat alaposan megtisztítjuk.

Például a kénsav érintkezési módszerrel történő előállításához szilárd katalizátort használnak - vanádium (V) oxid V 2 O 5:

A metanol gyártása során szilárd „cink-króm” katalizátort (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3) használnak:

A biológiai katalizátorok - enzimek - nagyon hatékonyan működnek. Kémiai természetüknél fogva fehérjék. Nekik köszönhetően az élő szervezetekben alacsony hőmérsékleten nagy sebességgel, összetett kémiai reakciók mennek végbe.

Egyéb érdekes anyagok ismertek - inhibitorok (a latin inhibere - késleltetés). Az aktív részecskékkel nagy sebességgel reagálnak, és alacsony aktivitású vegyületeket képeznek. Ennek eredményeként a reakció élesen lelassul, majd leáll. Inhibitorokat gyakran speciálisan adnak különféle anyagokhoz, hogy megakadályozzák a nem kívánt folyamatokat.

Például a hidrogén-peroxid oldatokat inhibitorokkal stabilizálják.

A reagáló anyagok jellege (összetételük, szerkezetük)

Jelentése aktiváló energiák az a tényező, amelyen keresztül a reagáló anyagok természetének a reakciósebességet befolyásolja.

Ha az aktiválási energia alacsony (< 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.

Ha az aktiválási energia magas(> 120 kJ/mol), ez azt jelenti, hogy a kölcsönhatásban lévő részecskék ütközésének csak egy kis része vezet reakcióhoz. Az ilyen reakció sebessége ezért nagyon alacsony. Például az ammónia szintézis reakciójának előrehaladását normál hőmérsékleten szinte lehetetlen észrevenni.

Ha a kémiai reakciók aktiválási energiái köztes értékűek (40120 kJ/mol), akkor az ilyen reakciók sebessége átlagos lesz. Ilyen reakciók közé tartozik a nátrium kölcsönhatása vízzel vagy etil-alkohollal, a brómos víz etilénnel való színtelenítése, a cink kölcsönhatása sósavval stb.

A reagáló anyagok érintkezési felülete

A heterogén anyagok felületén lezajló reakciók sebessége – egyéb tényezők azonossága mellett – ennek a felületnek a tulajdonságaitól függ. Ismeretes, hogy a porított kréta sokkal gyorsabban oldódik sósavban, mint egy azonos súlyú krétadarab.

A reakciósebesség növekedése elsősorban annak köszönhető a kiindulási anyagok érintkezési felületének növelése, valamint számos más ok, például a „helyes” kristályrács szerkezetének megsértése. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy a keletkező mikrokristályok felületén lévő részecskék sokkal reaktívabbak, mint ugyanazok a részecskék a „sima” felületen.

Az iparban a heterogén reakciók lebonyolításához „fluidizált ágyat” alkalmaznak a reagáló anyagok érintkezési felületének növelésére, a kiindulási anyagok ellátására és a termékek eltávolítására. Például a kénsav előállítása során a piriteket „fluidizált ágyon” égetik.

Referenciaanyag a teszt elvégzéséhez:

Mengyelejev táblázat

Oldhatósági táblázat