A influência da natureza dos reagentes na taxa de reações. A influência da natureza dos reagentes na taxa das reações. Que fatores determinam a taxa das reações?

Os mecanismos das transformações químicas e suas taxas são estudados pela cinética química. Os processos químicos ocorrem ao longo do tempo em taxas diferentes. Alguns acontecem rapidamente, quase instantaneamente, enquanto outros demoram muito para ocorrer.

Em contato com

Reação rápida- a taxa na qual os reagentes são consumidos (sua concentração diminui) ou os produtos da reação são formados por unidade de volume.

Fatores que podem influenciar a velocidade de uma reação química

Os seguintes fatores podem afetar a rapidez com que ocorre uma reação química:

• concentração de substâncias;
• natureza dos reagentes;
• temperatura;
• presença de um catalisador;
• pressão (para reações em um ambiente gasoso).

Assim, ao alterar certas condições de um processo químico, você pode influenciar a rapidez com que o processo prosseguirá.

No processo de interação química, partículas de substâncias reagentes colidem umas com as outras. O número de tais coincidências é proporcional ao número de partículas de substâncias no volume da mistura reagente e, portanto, proporcional às concentrações molares dos reagentes.

Lei da ação de massa descreve a dependência da taxa de reação nas concentrações molares das substâncias que interagem.

Para uma reação elementar (A + B → ...) esta lei é expressa pela fórmula:

υ = k ∙С A ∙С B,

onde k é a constante de taxa; CA e C B são as concentrações molares dos reagentes A e B.

Se uma das substâncias reagentes estiver no estado sólido, então a interação ocorre na interface, portanto, a concentração da substância sólida não está incluída na equação da lei cinética da ação das massas; Para entender o significado físico da constante de velocidade, é necessário considerar C, A e C B iguais a 1. Então fica claro que a constante de velocidade é igual à taxa de reação em concentrações de reagentes iguais à unidade.

Natureza dos reagentes

Uma vez que durante a interação as ligações químicas das substâncias reagentes são destruídas e novas ligações dos produtos da reação são formadas, a natureza das ligações envolvidas na reação dos compostos e a estrutura das moléculas das substâncias reagentes desempenharão um papel importante. .

Área superficial de contato dos reagentes

Uma característica como a área superficial de contato dos reagentes sólidos afeta o curso da reação, às vezes de forma bastante significativa. A moagem de um sólido permite aumentar a área de superfície de contato dos reagentes e, portanto, acelerar o processo. A área de contato de substâncias solúveis é facilmente aumentada pela dissolução da substância.

Temperatura de reação

À medida que a temperatura aumenta, a energia das partículas em colisão aumentará; é óbvio que com o aumento da temperatura o próprio processo químico irá acelerar; Um exemplo claro de como o aumento da temperatura afeta o processo de interação das substâncias pode ser considerado os dados apresentados na tabela.

Tabela 1. Efeito das mudanças de temperatura na taxa de formação de água (O 2 +2H 2 →2H 2 O)

Para descrever quantitativamente como a temperatura pode afetar a taxa de interação das substâncias, é usada a regra de Van't Hoff. A regra de Van't Hoff é que quando a temperatura aumenta em 10 graus, ocorre uma aceleração de 2 a 4 vezes.

A fórmula matemática que descreve a regra de van't Hoff é a seguinte:

Onde γ é o coeficiente de temperatura da taxa da reação química (γ = 2−4).

Mas a equação de Arrhenius descreve a dependência da constante de taxa com a temperatura com muito mais precisão:

Onde R é a constante universal dos gases, A é um fator determinado pelo tipo de reação, E, A é a energia de ativação.

Energia de ativação é a energia que uma molécula deve adquirir para que ocorra uma transformação química. Ou seja, é uma espécie de barreira energética que as moléculas que colidem no volume de reação precisarão superar para redistribuir as ligações.

A energia de ativação não depende de fatores externos, mas depende da natureza da substância. O valor da energia de ativação de até 40 - 50 kJ/mol permite que as substâncias reajam entre si de forma bastante ativa. Se a energia de ativação exceder 120 kJ/mol, então as substâncias (em temperaturas normais) reagirão muito lentamente. Uma mudança na temperatura leva a uma mudança no número de moléculas ativas, ou seja, moléculas que atingiram uma energia maior que a energia de ativação e, portanto, são capazes de transformações químicas.

Ação catalisadora

Um catalisador é uma substância que pode acelerar um processo, mas não faz parte de seus produtos. A catálise (aceleração de uma transformação química) é dividida em homogênea e heterogênea. Se os reagentes e o catalisador estiverem nos mesmos estados de agregação, então a catálise é chamada de homogênea; se estiver em estados diferentes, então é heterogênea; Os mecanismos de ação dos catalisadores são variados e bastante complexos. Além disso, é importante notar que os catalisadores são caracterizados pela seletividade de ação. Ou seja, o mesmo catalisador, embora acelere uma reação, pode não alterar a velocidade de outra.

Pressão

Se substâncias gasosas estiverem envolvidas na transformação, a taxa do processo será afetada pelas mudanças na pressão do sistema . Isso acontece porque que para reagentes gasosos, uma mudança na pressão leva a uma mudança na concentração.

Determinação experimental da taxa de uma reação química

A velocidade de uma transformação química pode ser determinada experimentalmente, obtendo dados sobre como a concentração das substâncias que entram na reação ou dos produtos muda por unidade de tempo. Os métodos para obter esses dados são divididos em

• químico,
• fisico quimica.

Os métodos químicos são bastante simples, acessíveis e precisos. Com a ajuda deles, a velocidade é determinada medindo diretamente a concentração ou quantidade da substância dos reagentes ou produtos. No caso de uma reação lenta, são coletadas amostras para monitorar como o reagente é consumido. Em seguida, o conteúdo do reagente na amostra é determinado. Ao coletar amostras em intervalos regulares, é possível obter dados sobre alterações na quantidade de uma substância durante o processo de interação. Os tipos de análise mais comumente usados ​​são titulação e gravimetria.

Se a reação ocorrer rapidamente, será necessário interrompê-la para coletar uma amostra. Isso pode ser feito usando resfriamento, remoção abrupta do catalisador, também é possível diluir ou transferir um dos reagentes para um estado não reativo.

Métodos de análise físico-química na cinética experimental moderna são usados ​​​​com mais frequência do que métodos químicos. Com a ajuda deles, você pode observar mudanças nas concentrações das substâncias em tempo real. Neste caso, não há necessidade de interromper a reação e colher amostras.

Os métodos físico-químicos baseiam-se na medição de uma propriedade física que depende do conteúdo quantitativo de um determinado composto no sistema e muda ao longo do tempo. Por exemplo, se gases estiverem envolvidos numa reação, então a pressão pode ser uma dessas propriedades. A condutividade elétrica, o índice de refração e os espectros de absorção de substâncias também são medidos.

Cinética– a ciência das taxas de reações químicas.

Taxa de reação química– o número de atos elementares de interação química que ocorrem por unidade de tempo, por unidade de volume (homogêneo) ou por unidade de superfície (heterogêneo).

Velocidade de reação verdadeira:

Para reações homogêneas e heterogêneas:

1) concentração de substâncias reagentes;

2) temperatura;

3) catalisador;

4) inibidor.

Apenas para heterogêneos:

1) a taxa de fornecimento de substâncias reagentes à interface de fase;

2) área de superfície.

O principal fator é a natureza dos reagentes - a natureza das ligações entre os átomos nas moléculas dos reagentes.

NO 2 – óxido de nitrogênio (IV) – cauda de raposa, CO – monóxido de carbono, monóxido de carbono.

Se forem oxidados com oxigênio, então no primeiro caso a reação ocorrerá instantaneamente, assim que você abrir a tampa do recipiente, no segundo caso a reação se prolongará ao longo do tempo.

A concentração dos reagentes será discutida abaixo.

A opalescência azul indica o momento da precipitação do enxofre; quanto maior a concentração, maior a velocidade;

Arroz. 10

Quanto maior a concentração de Na 2 S 2 O 3, menos tempo leva a reação. O gráfico (Fig. 10) mostra uma relação diretamente proporcional. A dependência quantitativa da taxa de reação com a concentração das substâncias reagentes é expressa pela LMA (lei da ação das massas), que afirma: a taxa de uma reação química é diretamente proporcional ao produto das concentrações das substâncias reagentes.

Então, lei básica da cinéticaé uma lei empiricamente estabelecida: a taxa de uma reação é proporcional à concentração dos reagentes, exemplo: (ou seja, para uma reação)

Para esta reação H 2 + J 2 = 2HJ – a taxa pode ser expressa em termos de uma mudança na concentração de qualquer uma das substâncias. Se a reação prosseguir da esquerda para a direita, a concentração de H 2 e J 2 diminuirá e a concentração de HJ aumentará à medida que a reação avança. Para a taxa de reação instantânea, podemos escrever a expressão:

colchetes indicam concentração.

Significado físico k– moléculas estão em movimento contínuo, colidem, se separam e atingem as paredes do recipiente. Para que ocorra a reação química para formar HJ, as moléculas H2 e J2 devem colidir. O número dessas colisões será tanto maior quanto mais moléculas de H 2 e J 2 estiverem contidas no volume, ou seja, maiores serão os valores [H 2 ] e . Mas as moléculas movem-se a velocidades diferentes e a energia cinética total das duas moléculas em colisão será diferente. Se as moléculas mais rápidas H 2 e J 2 colidirem, sua energia pode ser tão alta que as moléculas se quebram em átomos de iodo e hidrogênio, que se separam e interagem com outras moléculas H 2 + J 2 > 2H+2J, então H + J 2 > HJ + J. Se a energia das moléculas em colisão for menor, mas alta o suficiente para enfraquecer as ligações H – H e J – J, ocorrerá a reação de formação de iodeto de hidrogênio:

Para a maioria das moléculas em colisão, a energia é menor do que a necessária para enfraquecer as ligações em H 2 e J 2. Tais moléculas colidirão “silenciosamente” e também se dispersarão “silenciosamente”, permanecendo o que eram, H 2 e J 2. Assim, nem todas, mas apenas parte das colisões levam a uma reação química. O coeficiente de proporcionalidade (k) mostra o número de colisões efetivas que levam a uma reação de colisão em concentrações [H 2 ] = 1 mol. Magnitude k–velocidade constante. Como a velocidade pode ser constante? Sim, a velocidade do movimento retilíneo uniforme é uma grandeza vetorial constante igual à razão entre o movimento de um corpo durante qualquer período de tempo e o valor desse intervalo. Mas as moléculas se movem caoticamente, então como pode a velocidade ser constante? Mas uma velocidade constante só pode ocorrer a uma temperatura constante. Com o aumento da temperatura, a proporção de moléculas rápidas cujas colisões levam a uma reação aumenta, ou seja, a constante de velocidade aumenta. Mas o aumento na constante de taxa não é ilimitado. A uma certa temperatura, a energia das moléculas se tornará tão grande que quase todas as colisões dos reagentes serão efetivas. Quando duas moléculas rápidas colidem, ocorre uma reação inversa.

Chegará um momento em que as taxas de formação de 2HJ a partir de H 2 e J 2 e de decomposição serão iguais, mas este já é um equilíbrio químico. A dependência da taxa de reação com a concentração dos reagentes pode ser traçada pela reação tradicional de interação de uma solução de tiossulfato de sódio com uma solução de ácido sulfúrico.

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)

A reação (1) ocorre quase instantaneamente. A taxa de reação (2) depende a uma temperatura constante da concentração do reagente H 2 S 2 O 3. Essa é exatamente a reação que observamos - neste caso, a velocidade é medida pelo tempo desde o início da fusão das soluções até o aparecimento da opalescência. No artigo L. M. Kuznetsova A reação do tiossulfato de sódio com ácido clorídrico é descrita. Ela escreve que quando as soluções são drenadas, ocorre opalescência (turbidez). Mas esta afirmação de L.M. Kuznetsova é errônea, uma vez que opalescência e turbidez são duas coisas diferentes. Opalescência (de opala e latim estância– sufixo que significa efeito fraco) – dispersão da luz por meios turvos devido à sua falta de homogeneidade óptica. Dispersão de luz– desvio dos raios de luz que se propagam em um meio em todas as direções da direção original. Partículas coloidais são capazes de espalhar luz (efeito Tyndall-Faraday) - isso explica a opalescência, uma leve turbidez da solução coloidal. Ao realizar este experimento, é necessário levar em consideração a opalescência azul e depois a coagulação da suspensão coloidal de enxofre. A mesma densidade da suspensão é notada pelo desaparecimento visível de qualquer padrão (por exemplo, uma grade no fundo de um copo) observado de cima através da camada de solução. O tempo é contado por meio de um cronômetro a partir do momento da drenagem.

Soluções de Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O e H 2 SO 4.

O primeiro é preparado dissolvendo 7,5 g de sal em 100 ml de H 2 O, o que corresponde a uma concentração de 0,3 M. Para preparar uma solução de H 2 SO 4 com a mesma concentração, é necessário medir 1,8 ml de H 2 SO 4 (k), ? = = 1,84 g/cm 3 e dissolva em 120 ml de H 2 O. Despeje a solução preparada de Na 2 S 2 O 3 em três copos: 60 ml no primeiro, 30 ml no segundo, 10 ml no terceiro. Adicione 30 ml de H 2 O destilada ao segundo copo e 50 ml ao terceiro copo. Assim, nos três copos haverá 60 ml de líquido, mas no primeiro a concentração de sal é condicionalmente = 1, no segundo – ½, e no terceiro – 1/6. Após o preparo das soluções, despeje 60 ml de solução de H 2 SO 4 no primeiro copo com solução salina e ligue o cronômetro, etc. Considerando que a taxa de reação diminui com a diluição da solução de Na 2 S 2 O 3, pode ser determinado como uma quantidade inversamente proporcional ao tempo v = 1/? e construa um gráfico, traçando a concentração no eixo das abcissas e a taxa de reação no eixo das ordenadas. A conclusão disto é que a taxa de reação depende da concentração das substâncias. Os dados obtidos estão listados na Tabela 3. Este experimento pode ser realizado com buretas, mas isso exige muita prática do executor, pois o gráfico pode estar incorreto.

Tabela 3

Velocidade e tempo de reação

A lei Guldberg-Waage é confirmada - professor de química Gulderg e jovem cientista Waage).

Consideremos o próximo fator: a temperatura.

À medida que a temperatura aumenta, a taxa da maioria das reações químicas aumenta. Esta dependência é descrita pela regra de Van't Hoff: “Para cada aumento de 10 °C na temperatura, a velocidade das reações químicas aumenta de 2 a 4 vezes”.

Onde ? – coeficiente de temperatura que mostra quantas vezes a taxa de reação aumenta quando a temperatura aumenta em 10 °C;

v 1 – taxa de reação à temperatura t1;

v. 2 – taxa de reação à temperatura t2.

Por exemplo, uma reação a 50 °C leva dois minutos, quanto tempo levará para o processo ser concluído a 70 °C se o coeficiente de temperatura ? = 2?

t1 = 120s = 2min; t1 = 50°C; t 2 = 70°C.

Mesmo um ligeiro aumento na temperatura causa um aumento acentuado na taxa de reação das colisões ativas da molécula. De acordo com a teoria da ativação, apenas aquelas moléculas cuja energia é maior que a energia média das moléculas em uma certa quantidade participam do processo. Esse excesso de energia é energia de ativação. Seu significado físico é a energia necessária para a colisão ativa de moléculas (rearranjo de orbitais). O número de partículas ativas e, portanto, a taxa de reação, aumenta com a temperatura de acordo com uma lei exponencial, de acordo com a equação de Arrhenius, que reflete a dependência da constante de velocidade com a temperatura

Onde A - Coeficiente de proporcionalidade de Arrhenius;

k– Constante de Boltzmann;

E-A – energia de ativação;

R- constante de gás;

T- temperatura.

Um catalisador é uma substância que acelera a taxa de uma reação sem ser consumida.

Catálise– o fenômeno de alteração da taxa de reação na presença de um catalisador. Existem catálises homogêneas e heterogêneas. Homogêneo– se os reagentes e o catalisador estiverem no mesmo estado de agregação. Heterogêneo– se os reagentes e o catalisador estiverem em diferentes estados de agregação. Sobre catálise, veja separadamente (mais adiante).

Inibidor– uma substância que retarda a taxa de reação.

O próximo fator é a área de superfície. Quanto maior for a área superficial do reagente, maior será a velocidade. Consideremos, usando um exemplo, o efeito do grau de dispersão na taxa de reação.

CaCO 3 – mármore. Mergulhe o mármore azulejado em ácido clorídrico HCl, espere cinco minutos, ele se dissolverá completamente.

Mármore em pó - faremos o mesmo procedimento com ele, ele se dissolverá em trinta segundos.

A equação para ambos os processos é a mesma.

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

Assim, ao adicionar mármore em pó, o tempo é menor do que ao adicionar mármore em placa, para a mesma massa.

Com um aumento na superfície da interface, a taxa de reações heterogêneas aumenta.

A taxa de uma reação química depende de muitos fatores, incluindo a natureza dos reagentes, a concentração dos reagentes, a temperatura e a presença de catalisadores. Vamos considerar esses fatores.

1). Natureza dos reagentes. Se houver uma interação entre substâncias com ligação iônica, a reação ocorrerá mais rapidamente do que entre substâncias com ligação covalente.

2.) Concentração de reagentes. Para que uma reação química ocorra, as moléculas das substâncias reagentes devem colidir. Ou seja, as moléculas devem estar tão próximas umas das outras que os átomos de uma partícula experimentem a ação dos campos elétricos da outra. Somente neste caso serão possíveis as transições eletrônicas e os correspondentes rearranjos dos átomos, como resultado da formação de moléculas de novas substâncias. Assim, a taxa das reações químicas é proporcional ao número de colisões que ocorrem entre as moléculas, e o número de colisões, por sua vez, é proporcional à concentração dos reagentes. Com base em material experimental, os cientistas noruegueses Guldberg e Waage e, independentemente deles, o cientista russo Beketov formularam em 1867 a lei básica da cinética química - lei da ação de massa(ZDM): a uma temperatura constante, a taxa de uma reação química é diretamente proporcional ao produto das concentrações das substâncias reagentes pela potência de seus coeficientes estequiométricos. Para o caso geral:

a lei da ação de massa tem a forma:

O registro da lei da ação das massas para uma determinada reação é chamado equação cinética básica da reação. Na equação cinética básica, k é a constante da taxa de reação, que depende da natureza dos reagentes e da temperatura.

A maioria das reações químicas é reversível. Durante tais reações, seus produtos, à medida que se acumulam, reagem entre si para formar as substâncias iniciais:

Taxa de reação direta:

Velocidade de feedback:

No momento do equilíbrio:

Conseqüentemente, a lei da ação das massas em um estado de equilíbrio assume a forma:

onde K é a constante de equilíbrio da reação.

3) Efeito da temperatura na taxa de reação. A taxa das reações químicas, via de regra, aumenta quando a temperatura é excedida. Vamos considerar isso usando o exemplo da interação do hidrogênio com o oxigênio.

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

A 20 0 C, a taxa de reação é praticamente zero e seriam necessários 54 bilhões de anos para que a interação progredisse 15%. A 500 0 C, levará 50 minutos para formar água, e a 700 0 C a reação ocorre instantaneamente.

A dependência da taxa de reação com a temperatura é expressa regra de van't Hoff: com um aumento de 10 o na temperatura, a taxa de reação aumenta 2–4 ​​vezes. A regra de Van't Hoff está escrita:

4) Efeito dos catalisadores. A velocidade das reações químicas pode ser controlada usando catalisadores– substâncias que alteram a velocidade de uma reação e permanecem após a reação em quantidades inalteradas. A alteração da taxa de uma reação na presença de um catalisador é chamada de catálise. Distinguir positivo(a velocidade de reação aumenta) e negativo(a taxa de reação diminui) catálise. Às vezes, um catalisador é formado durante uma reação. Esses processos são chamados de autocatalíticos; Existem catálises homogêneas e heterogêneas.

No homogêneo Na catálise, o catalisador e os reagentes estão na mesma fase. Por exemplo:

No heterogêneo Na catálise, o catalisador e os reagentes estão em fases diferentes. Por exemplo:

A catálise heterogênea está associada a processos enzimáticos. Todos os processos químicos que ocorrem nos organismos vivos são catalisados ​​por enzimas, que são proteínas com certas funções especializadas. Em soluções nas quais ocorrem processos enzimáticos, não existe um ambiente heterogêneo típico, devido à ausência de uma interface de fase claramente definida. Tais processos são chamados de catálise microheterogênea.

As reações químicas ocorrem em velocidades diferentes: em baixa velocidade durante a formação de estalactites e estalagmites, em velocidade média durante o cozimento dos alimentos, instantaneamente durante uma explosão. As reações ocorrem muito rapidamente em soluções aquosas.

Determinar a taxa de uma reação química, bem como elucidar sua dependência das condições do processo, é tarefa da cinética química - a ciência dos padrões das reações químicas ao longo do tempo.

Se as reações químicas ocorrem em um meio homogêneo, por exemplo, em uma solução ou em fase gasosa, então a interação das substâncias reagentes ocorre em todo o volume. Tais reações são chamadas homogêneo.

(v homog) é definido como a mudança na quantidade de substância por unidade de tempo por unidade de volume:

onde Δn é a mudança no número de moles de uma substância (na maioria das vezes a original, mas também pode ser um produto de reação); Δt - intervalo de tempo (s, min); V é o volume de gás ou solução (l).

Como a razão entre a quantidade de substância e o volume representa a concentração molar C, então

Assim, a taxa de uma reação homogênea é definida como a mudança na concentração de uma das substâncias por unidade de tempo:

se o volume do sistema não mudar.

Se uma reação ocorre entre substâncias em diferentes estados de agregação (por exemplo, entre um sólido e um gás ou líquido), ou entre substâncias que são incapazes de formar um meio homogêneo (por exemplo, entre líquidos imiscíveis), então ocorre apenas na superfície de contato das substâncias. Tais reações são chamadas heterogêneo.

Definido como a mudança na quantidade de substância por unidade de tempo em uma superfície unitária.

onde S é a área superficial de contato das substâncias (m 2, cm 2).

Uma mudança na quantidade de uma substância pela qual a taxa de reação é determinada é um fator externo observado pelo pesquisador. Na verdade, todos os processos são realizados no nível micro. Obviamente, para que algumas partículas reajam, elas devem primeiro colidir, e colidir efetivamente: não se espalharem como bolas em direções diferentes, mas de tal forma que as “ligações antigas” sejam destruídas ou enfraquecidas nas partículas e as “novas” possam forma ", e para isso as partículas devem ter energia suficiente.

Dados calculados mostram que, por exemplo, em gases, as colisões de moléculas à pressão atmosférica chegam a bilhões por segundo, ou seja, todas as reações deveriam ocorrer instantaneamente. Mas isso não é verdade. Acontece que apenas uma fração muito pequena de moléculas possui a energia necessária para levar a colisões efetivas.

O excesso mínimo de energia que uma partícula (ou par de partículas) deve ter para que ocorra uma colisão efetiva é chamado energia de ativação Ea.

Assim, no caminho de todas as partículas que entram na reação existe uma barreira de energia igual à energia de ativação E a. Quando é pequeno, há muitas partículas que podem superá-lo e a taxa de reação é alta. Caso contrário, é necessário um “empurrão”. Quando você acende um fósforo para acender uma lâmpada de álcool, você transmite a energia adicional E a necessária para a colisão efetiva das moléculas de álcool com as moléculas de oxigênio (superando a barreira).

A velocidade de uma reação química depende de muitos fatores. Os principais são: a natureza e concentração das substâncias reagentes, a pressão (nas reações envolvendo gases), a temperatura, a ação dos catalisadores e a superfície das substâncias reagentes no caso de reações heterogêneas.

Temperatura

À medida que a temperatura aumenta, na maioria dos casos a taxa de uma reação química aumenta significativamente. No século 19 O químico holandês J. X. van't Hoff formulou a regra:

Cada aumento de 10°C na temperatura leva a um aumento navelocidade de reação 2-4 vezes(este valor é chamado de coeficiente de temperatura da reação).

À medida que a temperatura aumenta, a velocidade média das moléculas, a sua energia e o número de colisões aumentam ligeiramente, mas a proporção de moléculas “activas” que participam em colisões efectivas que ultrapassam a barreira energética da reacção aumenta acentuadamente. Matematicamente, esta dependência é expressa pela relação:

onde v t 1 e v t 2 são as taxas de reação, respectivamente, nas temperaturas final t 2 e inicial t 1, e γ é o coeficiente de temperatura da taxa de reação, que mostra quantas vezes a taxa de reação aumenta a cada aumento de 10 °C em temperatura.

Porém, para aumentar a taxa de reação, o aumento da temperatura nem sempre é aplicável, uma vez que as substâncias iniciais podem começar a se decompor, os solventes ou as próprias substâncias podem evaporar, etc.

Reações endotérmicas e exotérmicas

Sabe-se que a reação do metano com o oxigênio atmosférico é acompanhada pela liberação de uma grande quantidade de calor. Portanto, é utilizado no dia a dia para cozinhar, aquecer água e aquecer. O gás natural fornecido às residências por meio de tubulações consiste em 98% de metano. A reação do óxido de cálcio (CaO) com a água também é acompanhada pela liberação de grande quantidade de calor.

O que esses fatos podem indicar? Quando novas ligações químicas são formadas nos produtos da reação, mais energia maior que a necessária para quebrar as ligações químicas nos reagentes. O excesso de energia é liberado na forma de calor e às vezes de luz.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (energia (luz, calor));

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

Tais reações devem ocorrer facilmente (como uma pedra rola facilmente morro abaixo).

As reações nas quais a energia é liberada são chamadas EXOTÉRMICO(do latim “exo” - fora).

Por exemplo, muitas reações redox são exotérmicas. Uma dessas belas reações é a oxidação-redução intramolecular que ocorre dentro do mesmo sal - dicromato de amônio (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).

Outra coisa é a reação. Eles são análogos a rolar uma pedra colina acima. Ainda não foi possível obter metano a partir de CO 2 e água, e é necessário um forte aquecimento para obter cal viva CaO a partir do hidróxido de cálcio Ca(OH) 2. Esta reação ocorre apenas com um fluxo constante de energia externa:

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

Isto sugere que a quebra de ligações químicas em Ca(OH) 2 requer mais energia do que pode ser liberada durante a formação de novas ligações químicas em moléculas de CaO e H 2 O.

As reações nas quais a energia é absorvida são chamadas ENDOTÉRMICO(de “endo” - para dentro).

Concentração de reagentes

Uma mudança na pressão quando substâncias gasosas participam da reação também leva a uma mudança na concentração dessas substâncias.

Para que ocorram interações químicas entre as partículas, elas devem colidir efetivamente. Quanto maior a concentração dos reagentes, mais colisões e, consequentemente, maior a taxa de reação. Por exemplo, o acetileno queima muito rapidamente em oxigênio puro. Neste caso, desenvolve-se uma temperatura suficiente para fundir o metal. Com base em uma grande quantidade de material experimental, em 1867 os noruegueses K. Guldenberg e P. Waage e independentemente deles em 1865, o cientista russo N.I. Beketov formulou a lei básica da cinética química, estabelecendo a dependência da taxa de reação na concentração. das substâncias reagentes.

A taxa de uma reação química é proporcional ao produto das concentrações das substâncias reagentes, tomadas em potências iguais aos seus coeficientes na equação da reação.

Esta lei também é chamada lei da ação de massa.

Para a reação A + B = D, esta lei será expressa da seguinte forma:

Para a reação 2A + B = D, esta lei será expressa da seguinte forma:

Aqui CA, C B são as concentrações das substâncias A e B (mol/l); k 1 e k 2 são coeficientes de proporcionalidade, chamados constantes de taxa de reação.

O significado físico da constante de taxa de reação não é difícil de estabelecer - ela é numericamente igual à taxa de reação na qual as concentrações dos reagentes são 1 mol/l ou seu produto é igual à unidade. Neste caso, fica claro que a constante de velocidade da reação depende apenas da temperatura e não depende da concentração das substâncias.

Lei da ação de massa não leva em consideração a concentração dos reagentes no estado sólido, porque reagem nas superfícies e suas concentrações geralmente são constantes.

Por exemplo, para uma reação de combustão de carvão, a expressão da taxa de reação deve ser escrita da seguinte forma:

isto é, a taxa de reação é proporcional apenas à concentração de oxigênio.

Se a equação da reação descreve apenas uma reação química total que ocorre em vários estágios, então a taxa de tal reação pode depender de forma complexa das concentrações das substâncias iniciais. Esta dependência é determinada experimentalmente ou teoricamente com base no mecanismo de reação proposto.

Ação dos catalisadores

É possível aumentar a taxa de uma reação usando substâncias especiais que alteram o mecanismo da reação e o direcionam para um caminho energeticamente mais favorável com menor energia de ativação. Eles são chamados de catalisadores (do latim katalysis – destruição).

O catalisador atua como um guia experiente, guiando um grupo de turistas não por um desfiladeiro de montanha (superá-lo exige muito esforço e tempo e não é acessível a todos), mas por caminhos de desvio que conhece, ao longo dos quais pode-se superar a montanha com muito mais facilidade e rapidez.

É verdade que usando a rotatória você não pode chegar exatamente aonde leva a passagem principal. Mas às vezes é exatamente isso que é necessário! É exatamente assim que os catalisadores chamados seletivos agem. É claro que não há necessidade de queimar amônia e nitrogênio, mas o óxido nítrico (II) é utilizado na produção de ácido nítrico.

Catalisadores- são substâncias que participam de uma reação química e mudam sua velocidade ou direção, mas ao final da reação permanecem inalteradas quantitativa e qualitativamente.

Alterar a taxa de uma reação química ou sua direção usando um catalisador é chamado de catálise. Os catalisadores são amplamente utilizados em diversas indústrias e transportes (conversores catalíticos que convertem óxidos de nitrogênio dos gases de escape dos automóveis em nitrogênio inofensivo).

Existem dois tipos de catálise.

Catálise homogênea, em que tanto o catalisador quanto os reagentes estão no mesmo estado de agregação (fase).

Catálise heterogênea, em que o catalisador e os reagentes estão em fases diferentes. Por exemplo, a decomposição de peróxido de hidrogênio na presença de um catalisador sólido de óxido de manganês (IV):

O catalisador em si não é consumido como resultado da reação, mas se outras substâncias forem adsorvidas em sua superfície (são chamadas de venenos catalíticos), a superfície torna-se inoperante e é necessária a regeneração do catalisador. Portanto, antes de realizar a reação catalítica, os materiais de partida são completamente purificados.

Por exemplo, na produção de ácido sulfúrico pelo método de contato, é utilizado um catalisador sólido - óxido de vanádio (V) V 2 O 5:

Na produção de metanol, é utilizado um catalisador sólido “zinco-cromo” (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

Catalisadores biológicos - enzimas - funcionam de forma muito eficaz. Por natureza química são proteínas. Graças a eles, reações químicas complexas ocorrem em alta velocidade em organismos vivos em baixas temperaturas.

Outras substâncias interessantes são conhecidas - inibidores (do latim inibire - retardar). Eles reagem com partículas ativas em alta velocidade para formar compostos pouco ativos. Como resultado, a reação diminui drasticamente e depois para. Os inibidores são frequentemente adicionados especificamente a várias substâncias para prevenir processos indesejados.

Por exemplo, soluções de peróxido de hidrogênio são estabilizadas com inibidores.

A natureza das substâncias reagentes (sua composição, estrutura)

Significado energias de ativaçãoé o fator através do qual a influência da natureza das substâncias reagentes na taxa de reação é afetada.

Se a energia de ativação for baixa (< 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 a energia de ativação for alta(> 120 kJ/mol), isso significa que apenas uma pequena fração das colisões entre partículas em interação leva a uma reação. A taxa de tal reação é, portanto, muito baixa. Por exemplo, o progresso da reação de síntese de amônia em temperaturas normais é quase impossível de ser notado.

Se as energias de ativação das reações químicas tiverem valores intermediários (40120 kJ/mol), então as taxas de tais reações serão médias. Tais reações incluem a interação do sódio com água ou álcool etílico, descoloração da água de bromo com etileno, interação do zinco com ácido clorídrico, etc.

Superfície de contato de substâncias reagentes

A taxa de reações que ocorrem na superfície das substâncias, ou seja, heterogêneas, depende, ceteris paribus, das propriedades dessa superfície. Sabe-se que o giz em pó se dissolve muito mais rápido em ácido clorídrico do que um pedaço de giz de igual peso.

O aumento na taxa de reação é principalmente devido a aumentando a superfície de contato das substâncias iniciais, bem como uma série de outras razões, por exemplo, uma violação da estrutura da rede cristalina “correta”. Isto leva ao fato de que as partículas na superfície dos microcristais resultantes são muito mais reativas do que as mesmas partículas em uma superfície “lisa”.

Na indústria, para realizar reações heterogêneas, utiliza-se um “leito fluidizado” para aumentar a superfície de contato das substâncias reagentes, o fornecimento de substâncias iniciais e a remoção de produtos. Por exemplo, na produção de ácido sulfúrico, as piritas são queimadas em “leito fluidizado”.

Material de referência para fazer o teste:

Tabela Mendeleiev

Tabela de solubilidade