Szybkość reakcji to wartość, która pokazuje zmianę stężenia reagentów w czasie. W celu oszacowania jego wielkości konieczna jest zmiana warunków początkowych procesu.
Jednorodne interakcje
Szybkość reakcji między niektórymi związkami, które są w tej samej postaci agregatów, zależy od objętości pobranych substancji. Z matematycznego punktu widzenia możliwe jest wyrażenie związku między szybkością jednorodnego procesu a zmianą stężenia w jednostce czasu.
Przykładem takiej interakcji jest utlenianie tlenku azotu (2) do tlenku azotu (4).
Procesy heterogeniczne
Szybkość reakcji substancji wyjściowych w różnych stanach agregacji jest scharakteryzowana przez liczbę moli odczynników wyjściowych na jednostkę powierzchni w jednostce czasu.
Heterogeniczne interakcje są charakterystyczne dla systemów, które mają różne stany skupienia.
Podsumowując, zauważamy, że szybkość reakcji pokazuje zmianę liczby moli początkowych odczynników (produktów reakcji) dlaokres czasu, na interfejs jednostki lub na jednostkę objętości.
Koncentracja
Rozważmy główne czynniki wpływające na szybkość reakcji. Zacznijmy od koncentracji. Taką zależność wyraża prawo masowego działania. Istnieje wprost proporcjonalna zależność między iloczynem stężeń substancji wchodzących w interakcje, mierzonymi ich współczynnikami stereochemicznymi, a szybkością reakcji.
Rozważ równanie aA + bB=cC + dD, gdzie A, B, C, D to ciecze lub gazy. Dla powyższego procesu równanie kinetyczne można zapisać z uwzględnieniem współczynnika proporcjonalności, który ma swoją wartość dla każdego oddziaływania.
Jako główny powód wzrostu prędkości można zauważyć wzrost liczby zderzeń reagujących cząstek na jednostkę objętości.
Temperatura
Rozważ wpływ temperatury na szybkość reakcji. Procesy zachodzące w układach jednorodnych są możliwe tylko wtedy, gdy cząstki zderzają się. Ale nie wszystkie zderzenia prowadzą do powstania produktów reakcji. Tylko w przypadku, gdy cząstki mają zwiększoną energię. Gdy odczynniki są ogrzewane, obserwuje się wzrost energii kinetycznej cząstek, zwiększa się liczba aktywnych cząsteczek, dlatego obserwuje się wzrost szybkości reakcji. Zależność między wskaźnikiem temperatury a szybkością procesu określa zasada van't Hoffa: każdy wzrost temperatury o 10°C prowadzi do 2-4 krotnego wzrostu szybkości procesu.
Katalizator
Rozważając czynniki wpływające na szybkość reakcji, skupmy się na substancjach, które mogą przyspieszyć proces, czyli na katalizatorach. W zależności od stanu skupienia katalizatora i reagentów rozróżnia się kilka rodzajów katalizy:
- forma jednorodna, w której reagenty i katalizator mają ten sam stan skupienia;
- heterogeniczny, gdy reagenty i katalizator znajdują się w tej samej fazie.
Nikiel, platyna, rod, pallad to przykłady substancji przyspieszających interakcje.
Inhibitory to substancje, które spowalniają reakcję.
Obszar kontaktowy
Co jeszcze wpływa na szybkość reakcji? Chemia podzielona jest na kilka sekcji, z których każda zajmuje się rozważaniem pewnych procesów i zjawisk. Kurs chemii fizycznej bada związek między obszarem kontaktu a szybkością procesu.
Aby zwiększyć powierzchnię kontaktu odczynników, są one kruszone do określonej wielkości. Najszybsze oddziaływanie zachodzi w roztworach, dlatego wiele reakcji przeprowadza się w środowisku wodnym.
Podczas mielenia ciał stałych należy przestrzegać pomiaru. Na przykład, gdy piryt (siarczyn żelaza) zamienia się w pył, jego cząstki są spiekane w piecu, co niekorzystnie wpływa na szybkość procesu utleniania tego związku i zmniejsza się wydajność dwutlenku siarki.
Odczynniki
Spróbujmy zrozumieć, jak określić szybkość reakcji w zależności od interakcji odczynników? Na przykład metale aktywne znajdujące się w szeregu elektrochemicznym Beketowa przed wodorem są w stanie oddziaływać z roztworami kwasów, a te, które są po H2 nie mają takiej zdolności. Przyczyną tego zjawiska jest różna aktywność chemiczna metali.
Ciśnienie
Jak ma się szybkość reakcji do tej wartości? Chemia jest nauką ściśle związaną z fizyką, więc zależność jest wprost proporcjonalna, regulują ją prawa gazowe. Istnieje bezpośredni związek między ilościami. Aby zrozumieć, które prawo określa szybkość reakcji chemicznej, konieczne jest poznanie stanu skupienia i stężenia odczynników.
Rodzaje prędkości w chemii
Zwyczajowo wyróżnia się wartości chwilowe i średnie. Średnia szybkość interakcji chemicznych jest definiowana jako różnica stężeń reagentów w okresie czasu.
Uzyskiwana wartość jest ujemna, gdy stężenie spada, dodatnia, gdy stężenie produktów interakcji wzrasta.
Prawdziwa (chwilowa) wartość to taki stosunek w określonej jednostce czasu.
W układzie SI szybkość procesu chemicznego jest wyrażona w [mol×m-3×s-1].
Problemy w chemii
Spójrzmy na kilka przykładów problemów związanych z określaniem prędkości.
Przykład 1. Wchlor i wodór miesza się w naczyniu, a następnie ogrzewa. Po 5 sekundach stężenie chlorowodoru osiągnęło wartość 0,05 mol/dm3. Oblicz średnią szybkość tworzenia chlorowodoru (mol/dm3 s).
Konieczne jest określenie zmiany stężenia chlorowodoru 5 sekund po interakcji, odejmując wartość początkową od stężenia końcowego:
C(HCl)=c2 - c1=0,05 - 0=0,05 mol/dm3.
Oblicz średnią szybkość tworzenia chlorowodoru:
V=0,05/5=0,010 mol/dm3 ×s.
Przykład 2. W naczyniu o pojemności 3 dm3 następuje następujący proces:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
Początkowa masa wodoru wynosi 1 g. Dwie sekundy po rozpoczęciu interakcji masa wodoru osiągnęła wartość 0,4 g. Oblicz średnią szybkość produkcji etanu (mol/dm 3×s).
Masę wodoru, który przereagował, definiuje się jako różnicę między wartością początkową a liczbą końcową. Jest to 1 - 0,4=0,6 (g). Aby określić liczbę moli wodoru, należy go podzielić przez masę molową danego gazu: n \u003d 0,6/2 \u003d 0,3 mola. Zgodnie z równaniem 1 mol etanu powstaje z 2 moli wodoru, zatem z 0,3 mola H2 otrzymujemy 0,15 mola etanu.
Określ stężenie powstałego węglowodoru, otrzymamy 0,05 mol/dm3. Następnie możesz obliczyć średnią szybkość jego powstawania:=0,025 mol/dm3 ×s.
Wniosek
Różne czynniki wpływają na szybkość interakcji chemicznej: rodzaj reagujących substancji (energia aktywacji), ich stężenie, obecność katalizatora, stopień rozdrobnienia, ciśnienie, rodzaj promieniowania.
W drugiej połowie XIX wieku profesor N. N. Beketov zasugerował, że istnieje związek między masami początkowych odczynników a czasem trwania procesu. Hipoteza ta została potwierdzona w prawie masowego działania, ustanowionym w 1867 r. przez norweskich chemików: P. Wage'a i K. Guldberga.
Fizykochemia bada mechanizm i szybkość różnych procesów. Najprostsze procesy zachodzące w jednym etapie nazywane są procesami monomolekularnymi. Złożone interakcje obejmują kilka elementarnych interakcji sekwencyjnych, więc każdy etap jest rozpatrywany osobno.
Aby uzyskać maksymalną wydajność produktów reakcji przy minimalnych kosztach energii, należy wziąć pod uwagę główne czynniki, które wpływają na przebieg procesu.
Na przykład, aby przyspieszyć proces rozkładu wody na proste substancje, potrzebny jest katalizator, którego rolę pełni tlenek manganu (4).
Wszystkie niuanse związane z doborem odczynników, wyborem optymalnego ciśnienia i temperatury, stężeniem odczynników są uwzględniane w kinetyce chemicznej.
