L'influenza della natura dei reagenti sulla velocità delle reazioni. L'influenza della natura dei reagenti sulla velocità delle reazioni. Quali fattori determinano la velocità delle reazioni?

I meccanismi delle trasformazioni chimiche e la loro velocità sono studiati dalla cinetica chimica. I processi chimici si verificano nel tempo a velocità diverse. Alcuni si verificano rapidamente, quasi istantaneamente, mentre altri richiedono molto tempo per verificarsi.

In contatto con

Reazione veloce- la velocità con cui i reagenti vengono consumati (la loro concentrazione diminuisce) o si formano i prodotti di reazione per unità di volume.

Fattori che possono influenzare la velocità di una reazione chimica

I seguenti fattori possono influenzare la velocità con cui avviene una reazione chimica:

• concentrazione di sostanze;
• natura dei reagenti;
• temperatura;
• presenza di un catalizzatore;
• pressione (per reazioni in un ambiente gassoso).

Pertanto, modificando determinate condizioni di un processo chimico, è possibile influenzare la velocità con cui procederà il processo.

Nel processo di interazione chimica, le particelle di sostanze reagenti si scontrano tra loro. Il numero di tali coincidenze è proporzionale al numero di particelle di sostanze nel volume della miscela reagente, e quindi proporzionale alle concentrazioni molari dei reagenti.

Legge dell'azione di massa descrive la dipendenza della velocità di reazione dalle concentrazioni molari delle sostanze che interagiscono.

Per una reazione elementare (A+B→...) questa legge è espressa dalla formula:

υ = k ∙С A ∙С B,

dove k è la costante di velocità; C A e C B sono le concentrazioni molari dei reagenti A e B.

Se una delle sostanze reagenti è allo stato solido, l'interazione avviene all'interfaccia, pertanto la concentrazione della sostanza solida non è inclusa nell'equazione della legge cinetica dell'azione di massa; Per comprendere il significato fisico della costante di velocità, è necessario prendere C, A e C B uguali a 1. Quindi diventa chiaro che la costante di velocità è uguale alla velocità di reazione a concentrazioni di reagenti pari all'unità.

Natura dei reagenti

Poiché durante l'interazione i legami chimici delle sostanze reagenti vengono distrutti e si formano nuovi legami dei prodotti di reazione, la natura dei legami coinvolti nella reazione dei composti e la struttura delle molecole delle sostanze reagenti giocheranno un ruolo importante .

Area superficiale di contatto dei reagenti

Una caratteristica come la superficie di contatto dei reagenti solidi influenza il corso della reazione, a volte in modo abbastanza significativo. La macinazione di un solido consente di aumentare la superficie di contatto dei reagenti, e quindi di velocizzare il processo. L'area di contatto delle sostanze solubili viene facilmente aumentata sciogliendo la sostanza.

Temperatura di reazione

All'aumentare della temperatura aumenterà l'energia delle particelle in collisione; è ovvio che con l'aumentare della temperatura il processo chimico stesso accelererà; Un chiaro esempio di come un aumento della temperatura influisce sul processo di interazione delle sostanze può essere considerato i dati riportati nella tabella.

Tabella 1. Effetto dei cambiamenti di temperatura sulla velocità di formazione dell'acqua (O 2 +2H 2 →2H 2 O)

Per descrivere quantitativamente come la temperatura può influenzare la velocità di interazione delle sostanze, viene utilizzata la regola di Van't Hoff. La regola di Van't Hoff è che quando la temperatura aumenta di 10 gradi, si verifica un'accelerazione di 2-4 volte.

La formula matematica che descrive la regola di van't Hoff è la seguente:

Dove γ è il coefficiente di temperatura della velocità della reazione chimica (γ = 2−4).

Ma l’equazione di Arrhenius descrive la dipendenza dalla temperatura della costante di velocità in modo molto più accurato:

Dove R è la costante universale dei gas, A è un fattore determinato dal tipo di reazione, E, A è l'energia di attivazione.

L'energia di attivazione è l'energia che una molecola deve acquisire affinché avvenga una trasformazione chimica. Cioè, è una sorta di barriera energetica che le molecole in collisione nel volume di reazione dovranno superare per ridistribuire i legami.

L'energia di attivazione non dipende da fattori esterni, ma dipende dalla natura della sostanza. Il valore dell'energia di attivazione fino a 40 - 50 kJ/mol consente alle sostanze di reagire tra loro in modo piuttosto attivo. Se l'energia di attivazione supera 120 kJ/mol, allora le sostanze (a temperature normali) reagiranno molto lentamente. Una variazione di temperatura porta ad una variazione del numero di molecole attive, cioè di molecole che hanno raggiunto un'energia maggiore dell'energia di attivazione, e quindi sono capaci di trasformazioni chimiche.

Azione catalizzatrice

Un catalizzatore è una sostanza che può accelerare un processo, ma non fa parte dei suoi prodotti. La catalisi (accelerazione di una trasformazione chimica) si divide in omogenea ed eterogenea. Se i reagenti e il catalizzatore si trovano negli stessi stati di aggregazione, allora la catalisi è detta omogenea, se in stati diversi allora è eterogenea; I meccanismi d'azione dei catalizzatori sono vari e piuttosto complessi. Inoltre, vale la pena notare che i catalizzatori sono caratterizzati da selettività d'azione. Cioè, lo stesso catalizzatore, pur accelerando una reazione, potrebbe non cambiare la velocità di un'altra.

Pressione

Se nella trasformazione sono coinvolte sostanze gassose, la velocità del processo sarà influenzata dalle variazioni di pressione nel sistema . Questo accade perché che per i reagenti gassosi, una variazione di pressione porta ad una variazione di concentrazione.

Determinazione sperimentale della velocità di una reazione chimica

La velocità di una trasformazione chimica può essere determinata sperimentalmente ottenendo dati su come cambia la concentrazione delle sostanze che entrano nella reazione o dei prodotti nell'unità di tempo. I metodi per ottenere tali dati sono suddivisi in

• chimico,
• fisico-chimico.

I metodi chimici sono abbastanza semplici, accessibili e accurati. Con il loro aiuto, la velocità viene determinata misurando direttamente la concentrazione o la quantità della sostanza dei reagenti o dei prodotti. In caso di reazione lenta, vengono prelevati campioni per monitorare il consumo del reagente. Quindi viene determinato il contenuto del reagente nel campione. Prelevando campioni a intervalli regolari è possibile ottenere dati sulle variazioni della quantità di una sostanza durante il processo di interazione. I tipi di analisi più comunemente utilizzati sono la titrimetria e la gravimetria.

Se la reazione procede rapidamente, deve essere interrotta per prelevare un campione. Questo può essere fatto utilizzando il raffreddamento, rimozione improvvisa del catalizzatore, è anche possibile diluire o trasferire uno dei reagenti in uno stato non reattivo.

I metodi di analisi fisico-chimica nella moderna cinetica sperimentale sono usati più spesso di quelli chimici. Con il loro aiuto puoi osservare i cambiamenti nella concentrazione delle sostanze in tempo reale. In questo caso non è necessario arrestare la reazione e prelevare campioni.

I metodi fisico-chimici si basano sulla misurazione di una proprietà fisica che dipende dal contenuto quantitativo di un determinato composto nel sistema e cambia nel tempo. Ad esempio, se in una reazione sono coinvolti dei gas, la pressione potrebbe essere una di queste proprietà. Vengono misurati anche la conduttività elettrica, l'indice di rifrazione e gli spettri di assorbimento delle sostanze.

Cinetica– la scienza delle velocità delle reazioni chimiche.

Velocità di reazione chimica– il numero di atti elementari di interazione chimica che si verificano per unità di tempo per unità di volume (omogeneo) o per unità di superficie (eterogeneo).

Vera velocità di reazione:

Per reazioni omogenee ed eterogenee:

1) concentrazione di sostanze reagenti;

2) temperatura;

3) catalizzatore;

4) inibitore.

Solo per eterogenei:

1) la velocità di fornitura delle sostanze reagenti all'interfaccia di fase;

2) superficie.

Il fattore principale è la natura dei reagenti: la natura dei legami tra gli atomi nelle molecole dei reagenti.

NO 2 – ossido di azoto (IV) – coda di volpe, CO – monossido di carbonio, monossido di carbonio.

Se vengono ossidati con l'ossigeno, nel primo caso la reazione avverrà istantaneamente, non appena si apre il tappo del recipiente, nel secondo caso la reazione si prolungherà nel tempo.

La concentrazione dei reagenti sarà discussa di seguito.

L'opalescenza blu indica il momento della precipitazione dello zolfo; maggiore è la concentrazione, maggiore è la velocità.

Riso. 10

Maggiore è la concentrazione di Na 2 S 2 O 3, minore è il tempo necessario alla reazione. Il grafico (Fig. 10) mostra una relazione direttamente proporzionale. La dipendenza quantitativa della velocità di reazione dalla concentrazione delle sostanze reagenti è espressa dalla LMA (legge di azione di massa), che afferma: la velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti.

COSÌ, legge fondamentale della cineticaè una legge stabilita sperimentalmente: la velocità di una reazione è proporzionale alla concentrazione dei reagenti, esempio: (cioè per una reazione)

Per questa reazione H 2 + J 2 = 2HJ – la velocità può essere espressa in termini di variazione della concentrazione di una qualsiasi delle sostanze. Se la reazione procede da sinistra a destra, la concentrazione di H 2 e J 2 diminuirà e la concentrazione di HJ aumenterà man mano che la reazione procede. Per la velocità di reazione istantanea possiamo scrivere l’espressione:

le parentesi quadre indicano la concentrazione.

Significato fisico K- le molecole sono in continuo movimento, si scontrano, si allontanano e colpiscono le pareti del vaso. Affinché avvenga la reazione chimica per formare HJ, le molecole H2 e J2 devono entrare in collisione. Il numero di tali collisioni sarà maggiore, maggiore è il numero di molecole di H 2 e J 2 contenute nel volume, ovvero maggiori sono i valori [H 2 ] e . Ma le molecole si muovono a velocità diverse e l’energia cinetica totale delle due molecole in collisione sarà diversa. Se le molecole più veloci H 2 e J 2 si scontrano, la loro energia può essere così elevata che le molecole si dividono in atomi di iodio e idrogeno, che si separano e quindi interagiscono con altre molecole H 2 + J 2 > 2H+2J, quindi H + J 2 > HJ + J. Se l'energia delle molecole in collisione è inferiore, ma sufficientemente elevata da indebolire i legami H – H e J – J, si verificherà la reazione di formazione dell'idrogeno ioduro:

Per la maggior parte delle molecole in collisione, l’energia è inferiore a quella necessaria per indebolire i legami in H 2 e J 2. Tali molecole si scontreranno "silenziosamente" e anche "silenziosamente" si disperderanno, rimanendo quello che erano, H 2 e J 2. Pertanto, non tutte, ma solo una parte delle collisioni portano a una reazione chimica. Il coefficiente di proporzionalità (k) mostra il numero di collisioni effettive che portano ad una reazione di collisione a concentrazioni [H 2 ] = 1 mol. Grandezza K-velocità costante. Come può la velocità essere costante? Sì, la velocità del movimento rettilineo uniforme è una quantità vettoriale costante pari al rapporto tra il movimento di un corpo in un qualsiasi periodo di tempo e il valore di questo intervallo. Ma le molecole si muovono in modo caotico, allora come può essere costante la velocità? Ma una velocità costante può esistere solo a una temperatura costante. Con l'aumento della temperatura aumenta la percentuale di molecole veloci le cui collisioni portano ad una reazione, cioè aumenta la costante di velocità. Ma l’aumento della costante di velocità non è illimitato. Ad una certa temperatura, l'energia delle molecole diventerà così grande che quasi tutte le collisioni dei reagenti saranno efficaci. Quando due molecole veloci si scontrano, si verificherà una reazione inversa.

Verrà un momento in cui i tassi di formazione di 2HJ da H 2 e J 2 e di decomposizione saranno uguali, ma questo è già un equilibrio chimico. La dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione dei reagenti può essere tracciata utilizzando la tradizionale reazione di interazione di una soluzione di tiosolfato di sodio con una soluzione di acido solforico.

Na2S2O3 + H2SO4 = Na2SO4 + H2S2O3, (1)

H2S2O3 = Sv+H2O+SO2 ^. (2)

La reazione (1) avviene quasi istantaneamente. La velocità della reazione (2) dipende a temperatura costante dalla concentrazione del reagente H 2 S 2 O 3 . Questa è esattamente la reazione che abbiamo osservato: in questo caso la velocità viene misurata dal tempo trascorso dall'inizio della fusione delle soluzioni fino alla comparsa dell'opalescenza. Nell'articolo L. M. Kuznetsova Viene descritta la reazione del tiosolfato di sodio con acido cloridrico. Scrive che quando le soluzioni vengono drenate, si verifica l'opalescenza (torbidità). Ma questa affermazione di L.M. Kuznetsova è errata poiché l'opalescenza e la torbidità sono due cose diverse. Opalescenza (da opale e latino escentia– suffisso che significa effetto debole) – diffusione della luce da parte di mezzi torbidi a causa della loro disomogeneità ottica. Dispersione di luce– deviazione dei raggi luminosi che si propagano in un mezzo in tutte le direzioni dalla direzione originaria. Le particelle colloidali sono in grado di diffondere la luce (effetto Tyndall-Faraday) - questo spiega l'opalescenza, una leggera torbidità della soluzione colloidale. Nell'effettuare questo esperimento è necessario tener conto dell'opalescenza blu, e quindi della coagulazione della sospensione colloidale dello zolfo. La stessa densità della sospensione si nota dalla scomparsa visibile di qualsiasi disegno (ad esempio una griglia sul fondo di una tazza) osservato dall'alto attraverso lo strato di soluzione. Il tempo viene conteggiato utilizzando un cronometro dal momento dello scarico.

Soluzioni di Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O e H 2 SO 4.

Il primo si prepara sciogliendo 7,5 g di sale in 100 ml di H 2 O, che corrisponde ad una concentrazione 0,3 M. Per preparare una soluzione di H 2 SO 4 della stessa concentrazione, è necessario misurare 1,8 ml di H 2 SO 4 (k), ? = = 1,84 g/cm 3 e scioglierlo in 120 ml di H 2 O. Versare la soluzione di Na 2 S 2 O 3 preparata in tre bicchieri: 60 ml nel primo, 30 ml nel secondo, 10 ml nel terzo. Aggiungere 30 ml di H 2 O distillata al secondo bicchiere e 50 ml al terzo bicchiere. Pertanto, in tutti e tre i bicchieri ci saranno 60 ml di liquido, ma nel primo la concentrazione di sale è condizionatamente = 1, nel secondo – ½ e nel terzo – 1/6. Dopo che le soluzioni sono state preparate, versare 60 ml di soluzione di H 2 SO 4 nel primo bicchiere con una soluzione salina e accendere il cronometro, ecc. Considerando che la velocità di reazione diminuisce con la diluizione della soluzione di Na 2 S 2 O 3, può essere determinato come una quantità inversamente proporzionale al tempo v = 1/? e costruire un grafico, riportando la concentrazione sull'asse delle ascisse e la velocità di reazione sull'asse delle ordinate. La conclusione da ciò è che la velocità di reazione dipende dalla concentrazione delle sostanze. I dati ottenuti sono elencati nella Tabella 3. Questo esperimento può essere eseguito utilizzando burette, ma ciò richiede molta pratica da parte dell'esecutore, poiché il grafico potrebbe non essere corretto.

Tabella 3

Velocità e tempo di reazione

La legge di Guldberg-Waage è confermata - il professore di chimica Gulderg e il giovane scienziato Waage).

Consideriamo il prossimo fattore: la temperatura.

All’aumentare della temperatura, aumenta la velocità della maggior parte delle reazioni chimiche. Questa dipendenza è descritta dalla regola di Van't Hoff: “Per ogni aumento di 10°C della temperatura, la velocità delle reazioni chimiche aumenta da 2 a 4 volte”.

Dove ? – coefficiente di temperatura che mostra quante volte aumenta la velocità di reazione quando la temperatura aumenta di 10 °C;

v 1 – velocità di reazione alla temperatura t1;

v2- velocità di reazione alla temperatura t2.

Ad esempio, una reazione a 50 °C dura due minuti, quanto tempo occorrerà per completare il processo a 70 °C se il coefficiente di temperatura ? = 2?

t1= 120 s = 2 minuti; t1= 50°C; t2= 70 °C.

Anche un leggero aumento della temperatura provoca un forte aumento della velocità di reazione delle collisioni attive della molecola. Secondo la teoria dell'attivazione, partecipano al processo solo quelle molecole la cui energia è di una certa quantità maggiore dell'energia media delle molecole. Questa energia in eccesso è l'energia di attivazione. Il suo significato fisico è l'energia necessaria per la collisione attiva delle molecole (riarrangiamento degli orbitali). Il numero di particelle attive, e quindi la velocità di reazione, aumenta con la temperatura secondo una legge esponenziale, secondo l'equazione di Arrhenius, che riflette la dipendenza della costante di velocità dalla temperatura

Dove UN - coefficiente di proporzionalità di Arrhenius;

K- costante di Boltzmann;

EA – energia di attivazione;

R - costante dei gas;

T- temperatura.

Un catalizzatore è una sostanza che accelera la velocità di una reazione senza consumarsi.

Catalisi– il fenomeno della variazione della velocità di reazione in presenza di un catalizzatore. Esistono catalisi omogenea ed eterogenea. Omogeneo– se i reagenti e il catalizzatore sono nello stesso stato di aggregazione. Eterogeneo– se i reagenti e il catalizzatore si trovano in diversi stati di aggregazione. Per quanto riguarda la catalisi, vedere separatamente (più avanti).

Inibitore– una sostanza che rallenta la velocità di reazione.

Il fattore successivo è la superficie. Maggiore è la superficie del reagente, maggiore è la velocità. Consideriamo, utilizzando un esempio, l'effetto del grado di dispersione sulla velocità di reazione.

CaCO3 – marmo. Immergere il marmo piastrellato in acido cloridrico HCl, attendere cinque minuti, si dissolverà completamente.

Marmo in polvere: faremo la stessa procedura con esso, si dissolverà in trenta secondi.

L'equazione per entrambi i processi è la stessa.

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

Quindi, quando si aggiunge marmo in polvere, il tempo è inferiore rispetto a quando si aggiunge marmo in lastre, a parità di massa.

Con un aumento della superficie dell'interfaccia, aumenta la velocità delle reazioni eterogenee.

La velocità di una reazione chimica dipende da molti fattori, tra cui la natura dei reagenti, la loro concentrazione, la temperatura e la presenza di catalizzatori. Consideriamo questi fattori.

1). Natura dei reagenti. Se esiste un'interazione tra sostanze con un legame ionico, la reazione procede più velocemente rispetto a tra sostanze con un legame covalente.

2.) Concentrazione dei reagenti. Perché avvenga una reazione chimica è necessario che le molecole delle sostanze reagenti entrino in collisione. Cioè, le molecole devono avvicinarsi così tanto l'una all'altra che gli atomi di una particella subiscono l'azione dei campi elettrici dell'altra. Solo in questo caso saranno possibili le transizioni elettroniche e i corrispondenti riarrangiamenti degli atomi, a seguito dei quali si formeranno molecole di nuove sostanze. Pertanto, la velocità delle reazioni chimiche è proporzionale al numero di collisioni che si verificano tra le molecole e il numero di collisioni, a sua volta, è proporzionale alla concentrazione dei reagenti. Sulla base di materiale sperimentale, gli scienziati norvegesi Guldberg e Waage e, indipendentemente da loro, lo scienziato russo Beketov nel 1867 formularono la legge fondamentale della cinetica chimica: legge dell’azione di massa(ZDM): a temperatura costante, la velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti per la potenza dei loro coefficienti stechiometrici. Per il caso generale:

la legge dell’azione di massa ha la forma:

Viene chiamata la registrazione della legge dell'azione di massa per una data reazione equazione cinetica fondamentale della reazione. Nell'equazione cinetica di base, k è la costante della velocità di reazione, che dipende dalla natura dei reagenti e dalla temperatura.

La maggior parte delle reazioni chimiche sono reversibili. Durante tali reazioni, i loro prodotti, accumulandosi, reagiscono tra loro per formare le sostanze di partenza:

Velocità di reazione diretta:

Velocità di feedback:

Al momento dell’equilibrio:

Quindi la legge dell’azione di massa in uno stato di equilibrio assume la forma:

dove K è la costante di equilibrio della reazione.

3) Effetto della temperatura sulla velocità di reazione. La velocità delle reazioni chimiche, di regola, aumenta quando la temperatura viene superata. Consideriamolo usando l'esempio dell'interazione dell'idrogeno con l'ossigeno.

2H2 + O2 = 2H2O

A 20°C la velocità di reazione è praticamente nulla e occorrerebbero 54 miliardi di anni affinché l'interazione progredisca del 15%. A 500 0 C, ci vorranno 50 minuti per formare acqua e a 700 0 C la reazione avviene istantaneamente.

Viene espressa la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura non la regola di Hoff: con un aumento della temperatura di 10 o, la velocità di reazione aumenta di 2–4 volte. La regola di Van't Hoff è scritta:

4) Effetto dei catalizzatori. La velocità delle reazioni chimiche può essere controllata utilizzando catalizzatori– sostanze che modificano la velocità di una reazione e rimangono dopo la reazione in quantità invariate. La modifica della velocità di una reazione in presenza di un catalizzatore è chiamata catalisi. Distinguere positivo(la velocità di reazione aumenta) e negativo(la velocità di reazione diminuisce) catalisi. A volte durante una reazione si forma un catalizzatore; tali processi sono chiamati autocatalitici. Esistono catalisi omogenea ed eterogenea.

A omogeneo Nella catalisi, il catalizzatore e i reagenti si trovano nella stessa fase. Per esempio:

A eterogeneo Nella catalisi, il catalizzatore e i reagenti si trovano in fasi diverse. Per esempio:

La catalisi eterogenea è associata a processi enzimatici. Tutti i processi chimici che avvengono negli organismi viventi sono catalizzati da enzimi, che sono proteine ​​con determinate funzioni specializzate. Nelle soluzioni in cui hanno luogo processi enzimatici, non esiste un tipico ambiente eterogeneo, a causa dell'assenza di un'interfaccia di fase chiaramente definita. Tali processi sono indicati come catalisi microeterogenea.

Le reazioni chimiche avvengono a velocità diverse: a bassa velocità durante la formazione di stalattiti e stalagmiti, a velocità media durante la cottura del cibo, istantaneamente durante un'esplosione. Le reazioni avvengono molto rapidamente nelle soluzioni acquose.

Determinare la velocità di una reazione chimica, così come chiarire la sua dipendenza dalle condizioni del processo, è compito della cinetica chimica, la scienza che studia gli schemi delle reazioni chimiche nel tempo.

Se le reazioni chimiche si verificano in un mezzo omogeneo, ad esempio in una soluzione o in fase gassosa, l'interazione delle sostanze reagenti avviene in tutto il volume. Tali reazioni sono chiamate omogeneo.

(v homog) è definito come la variazione della quantità di sostanza per unità di tempo per unità di volume:

dove Δn è la variazione del numero di moli di una sostanza (molto spesso l'originale, ma può anche essere un prodotto di reazione); Δt - intervallo di tempo (s, min); V è il volume del gas o della soluzione (l).

Poiché il rapporto tra la quantità di sostanza e il volume rappresenta la concentrazione molare C, allora

Pertanto, la velocità di una reazione omogenea è definita come la variazione della concentrazione di una delle sostanze nell'unità di tempo:

se il volume del sistema non cambia.

Se una reazione avviene tra sostanze in diversi stati di aggregazione (ad esempio tra un solido e un gas o un liquido), o tra sostanze che non sono in grado di formare un mezzo omogeneo (ad esempio tra liquidi immiscibili), allora avviene solo sulla superficie di contatto delle sostanze. Tali reazioni sono chiamate eterogeneo.

Definito come la variazione della quantità di sostanza per unità di tempo su un'unità di superficie.

dove S è la superficie di contatto delle sostanze (m 2, cm 2).

Una variazione nella quantità di una sostanza in base alla quale viene determinata la velocità di reazione è un fattore esterno osservato dal ricercatore. In effetti, tutti i processi vengono eseguiti a livello micro. Ovviamente, affinché alcune particelle possano reagire, devono prima scontrarsi, e scontrarsi in modo efficace: non sparpagliandosi come palline in direzioni diverse, ma in modo tale che i “vecchi legami” vengano distrutti o indeboliti nelle particelle e quelli “nuovi” possano forma.", e per questo le particelle devono avere energia sufficiente.

I dati calcolati mostrano che, ad esempio, nei gas, le collisioni di molecole a pressione atmosferica ammontano a miliardi al secondo, ovvero tutte le reazioni dovrebbero avvenire istantaneamente. Ma non è vero. Si scopre che solo una piccolissima frazione di molecole possiede l'energia necessaria per provocare collisioni efficaci.

Viene chiamata l'energia minima in eccesso che una particella (o una coppia di particelle) deve avere affinché avvenga una collisione efficace energia di attivazione Ea.

Pertanto, sul percorso di tutte le particelle che entrano nella reazione c'è una barriera energetica pari all'energia di attivazione E a. Quando è piccolo, ci sono molte particelle che possono superarlo e la velocità di reazione è elevata. Altrimenti è necessaria una “spinta”. Quando si accende una lampada ad alcool con un fiammifero, si trasmette l'energia aggiuntiva E necessaria per l'efficace collisione delle molecole di alcol con le molecole di ossigeno (superando la barriera).

La velocità di una reazione chimica dipende da molti fattori. I principali sono: la natura e la concentrazione dei reagenti, la pressione (nelle reazioni che coinvolgono gas), la temperatura, l'azione dei catalizzatori e la superficie dei reagenti nel caso di reazioni eterogenee.

Temperatura

All’aumentare della temperatura, nella maggior parte dei casi la velocità di una reazione chimica aumenta in modo significativo. Nel 19 ° secolo Il chimico olandese J. X. van't Hoff formulò la regola:

Ogni aumento di 10°C della temperatura porta ad un aumento dellavelocità di reazione 2-4 volte(questo valore è chiamato coefficiente di temperatura della reazione).

All’aumentare della temperatura, la velocità media delle molecole, la loro energia e il numero di collisioni aumentano leggermente, ma la percentuale di molecole “attive” che partecipano a collisioni efficaci che superano la barriera energetica della reazione aumenta notevolmente. Matematicamente questa dipendenza è espressa dalla relazione:

dove v t 1 e v t 2 sono le velocità di reazione, rispettivamente, alle temperature finale t 2 e iniziale t 1, e γ è il coefficiente di temperatura della velocità di reazione, che mostra quante volte la velocità di reazione aumenta ad ogni aumento di 10 °C nella temperatura.

Tuttavia, per aumentare la velocità di reazione, non è sempre possibile aumentare la temperatura, poiché le sostanze di partenza potrebbero iniziare a decomporsi, i solventi o le sostanze stesse potrebbero evaporare, ecc.

Reazioni endotermiche ed esotermiche

È noto che la reazione del metano con l'ossigeno atmosferico è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di calore. Pertanto, viene utilizzato nella vita di tutti i giorni per cucinare, scaldare l'acqua e riscaldare. Il gas naturale fornito alle case attraverso i tubi è composto per il 98% da metano. La reazione dell'ossido di calcio (CaO) con l'acqua è accompagnata anche dal rilascio di una grande quantità di calore.

Cosa possono indicare questi fatti? Quando si formano nuovi legami chimici nei prodotti della reazione, Di più energia necessaria per rompere i legami chimici nei reagenti. L'energia in eccesso viene rilasciata sotto forma di calore e talvolta di luce.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (energia (luce, calore));

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

Tali reazioni dovrebbero avvenire facilmente (come una pietra rotola facilmente in discesa).

Vengono chiamate le reazioni in cui viene rilasciata energia ESOTERMICO(dal latino “exo” - fuori).

Ad esempio, molte reazioni redox sono esotermiche. Una di queste bellissime reazioni è l'ossidazione-riduzione intramolecolare che avviene all'interno dello stesso sale - bicromato di ammonio (NH 4) 2 Cr 2 O 7:

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

Un'altra cosa è il contraccolpo. Sono analoghi al far rotolare una pietra su una collina. Non è ancora stato possibile ottenere metano dalla CO 2 e dall'acqua, ed è necessario un forte riscaldamento per ottenere la calce viva CaO dall'idrossido di calcio Ca(OH) 2. Questa reazione avviene solo con un flusso costante di energia dall'esterno:

Ca(OH)2 = CaO + H2O - Q (energia (calore))

Ciò suggerisce che la rottura dei legami chimici nel Ca(OH) 2 richiede più energia di quella che può essere rilasciata durante la formazione di nuovi legami chimici nelle molecole di CaO e H 2 O.

Vengono chiamate le reazioni in cui viene assorbita energia ENDOTERMICO(da “endo” - verso l'interno).

Concentrazione dei reagenti

Una variazione di pressione quando alla reazione partecipano sostanze gassose porta anche a una variazione della concentrazione di queste sostanze.

Perché si verifichino interazioni chimiche tra le particelle, queste devono effettivamente scontrarsi. Maggiore è la concentrazione dei reagenti, maggiori saranno le collisioni e, di conseguenza, maggiore sarà la velocità di reazione. Ad esempio, l'acetilene brucia molto rapidamente nell'ossigeno puro. In questo caso si sviluppa una temperatura sufficiente a fondere il metallo. Sulla base di una grande quantità di materiale sperimentale, nel 1867 i norvegesi K. Guldenberg e P. Waage e indipendentemente da loro nel 1865, lo scienziato russo N.I. Beketov formulò la legge fondamentale della cinetica chimica, stabilendo la dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione delle sostanze reagenti.

La velocità di una reazione chimica è proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti, prese a potenze pari ai loro coefficienti nell'equazione di reazione.

Questa legge è anche chiamata legge dell’azione di massa.

Per la reazione A + B = D, questa legge sarà espressa come segue:

Per la reazione 2A + B = D, questa legge sarà espressa come segue:

Qui CA, C B sono le concentrazioni delle sostanze A e B (mol/l); k 1 e k 2 sono coefficienti di proporzionalità, chiamati costanti di velocità di reazione.

Il significato fisico della costante di velocità di reazione non è difficile da stabilire: è numericamente uguale alla velocità di reazione in cui le concentrazioni dei reagenti sono 1 mol/lo il loro prodotto è uguale all'unità. In questo caso è chiaro che la costante di velocità di reazione dipende solo dalla temperatura e non dalla concentrazione delle sostanze.

Legge dell'azione di massa non tiene conto della concentrazione dei reagenti allo stato solido, perché reagiscono sulle superfici e le loro concentrazioni sono generalmente costanti.

Ad esempio, per una reazione di combustione del carbone, l'espressione della velocità di reazione dovrebbe essere scritta come segue:

cioè, la velocità di reazione è proporzionale solo alla concentrazione di ossigeno.

Se l'equazione di reazione descrive solo una reazione chimica totale che avviene in più fasi, la velocità di tale reazione può dipendere in modo complesso dalle concentrazioni delle sostanze di partenza. Questa dipendenza è determinata sperimentalmente o teoricamente in base al meccanismo di reazione proposto.

Azione dei catalizzatori

È possibile aumentare la velocità di una reazione utilizzando sostanze speciali che modificano il meccanismo della reazione e la indirizzano lungo un percorso energeticamente più favorevole con un'energia di attivazione inferiore. Si chiamano catalizzatori (dal latino katalysis - distruzione).

Il catalizzatore funge da guida esperta, guidando un gruppo di turisti non attraverso un passo alto in montagna (superarlo richiede molto impegno e tempo e non è accessibile a tutti), ma lungo i sentieri di circonvallazione a lui noti, lungo i quali si può superare la montagna molto più facilmente e velocemente.

È vero, utilizzando il percorso rotatorio non è possibile arrivare esattamente dove conduce il passo principale. Ma a volte questo è esattamente ciò che serve! Questo è esattamente il modo in cui agiscono i catalizzatori chiamati selettivi. È chiaro che non è necessario bruciare ammoniaca e azoto, ma nella produzione di acido nitrico viene utilizzato l'ossido nitrico (II).

Catalizzatori- si tratta di sostanze che partecipano a una reazione chimica e ne cambiano la velocità o la direzione, ma alla fine della reazione rimangono invariate quantitativamente e qualitativamente.

La modifica della velocità di una reazione chimica o della sua direzione utilizzando un catalizzatore è chiamata catalisi. I catalizzatori sono ampiamente utilizzati in varie industrie e nei trasporti (convertitori catalitici che convertono gli ossidi di azoto dei gas di scarico delle automobili in azoto innocuo).

Esistono due tipi di catalisi.

Catalisi omogenea, in cui sia il catalizzatore che i reagenti si trovano nello stesso stato di aggregazione (fase).

Catalisi eterogenea, in cui il catalizzatore e i reagenti si trovano in fasi diverse. Ad esempio, la decomposizione del perossido di idrogeno in presenza di un catalizzatore solido di ossido di manganese (IV):

Il catalizzatore stesso non si consuma a seguito della reazione, ma se altre sostanze vengono adsorbite sulla sua superficie (chiamate veleni catalitici), la superficie diventa inutilizzabile ed è necessaria la rigenerazione del catalizzatore. Pertanto, prima di effettuare la reazione catalitica, i materiali di partenza vengono accuratamente purificati.

Ad esempio, nella produzione di acido solforico mediante metodo di contatto, viene utilizzato un catalizzatore solido: ossido di vanadio (V) V 2 O 5:

Nella produzione di metanolo viene utilizzato un catalizzatore solido “zinco-cromo” (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

I catalizzatori biologici - gli enzimi - funzionano in modo molto efficace. Per natura chimica sono proteine. Grazie a loro, reazioni chimiche complesse si verificano ad alta velocità negli organismi viventi a basse temperature.

Sono note altre sostanze interessanti: gli inibitori (dal latino inhibere - ritardare). Reagiscono con particelle attive ad alta velocità per formare composti a bassa attività. Di conseguenza, la reazione rallenta bruscamente e poi si ferma. Gli inibitori vengono spesso aggiunti specificamente a varie sostanze per prevenire processi indesiderati.

Ad esempio, le soluzioni di perossido di idrogeno vengono stabilizzate utilizzando inibitori.

La natura delle sostanze reagenti (loro composizione, struttura)

Senso energie di attivazioneè il fattore attraverso il quale viene influenzata l'influenza della natura delle sostanze reagenti sulla velocità di reazione.

Se l'energia di attivazione è bassa (< 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.

Se l'energia di attivazione è alta(> 120 kJ/mol), ciò significa che solo una piccola frazione di collisioni tra particelle interagenti porta a una reazione. La velocità di tale reazione è quindi molto bassa. Ad esempio, l’avanzamento della reazione di sintesi dell’ammoniaca a temperature normali è quasi impossibile da notare.

Se le energie di attivazione delle reazioni chimiche hanno valori intermedi (40120 kJ/mol), la velocità di tali reazioni sarà media. Tali reazioni includono l'interazione del sodio con acqua o alcol etilico, la decolorazione dell'acqua di bromo con etilene, l'interazione dello zinco con acido cloridrico, ecc.

Superficie di contatto delle sostanze reagenti

La velocità delle reazioni che si verificano sulla superficie delle sostanze, cioè eterogenee, dipende, a parità di altre condizioni, dalle proprietà di questa superficie. È noto che il gesso in polvere si dissolve nell'acido cloridrico molto più velocemente di un pezzo di gesso di uguale peso.

L'aumento della velocità di reazione è dovuto principalmente a aumentando la superficie di contatto delle sostanze di partenza, così come una serie di altri motivi, ad esempio una violazione della struttura del reticolo cristallino "corretto". Ciò porta al fatto che le particelle sulla superficie dei microcristalli risultanti sono molto più reattive delle stesse particelle su una superficie “liscia”.

Nell'industria, per realizzare reazioni eterogenee, si utilizza un “letto fluidizzato” per aumentare la superficie di contatto delle sostanze reagenti, l'apporto di sostanze di partenza e l'allontanamento dei prodotti. Ad esempio, nella produzione di acido solforico, le piriti vengono cotte utilizzando un “letto fluidizzato”.

Materiale di riferimento per sostenere il test:

Tavolo Mendeleev

Tabella di solubilità