Influența naturii particulelor care reacționează este determinată de compoziția lor atomică, structura spațială și proprietățile moleculare. Viteză reactie chimica determinată de rata de rupere a unora și de formarea altora legături chimice... Aceste transformări au loc într-un act elementar de reacție. Se știe că o modificare a lungimii unei legături chimice, a unghiurilor de legătură și a altor parametri geometrici ai unei molecule este însoțită de o modificare a energiei sale potențiale. Prin urmare, interacțiunea particulelor într-un act elementar de reacție ar trebui să fie, de asemenea, caracterizată printr-o schimbare a energiei potențiale a întregului sistem. Deoarece moleculele care reacționează conțin de obicei mulți atomi, actul elementar al unei reacții chimice este caracterizat prin suprafața energiei potențiale multidimensionale. Această suprafață a energiei potențiale reflectă influența unei modificări a fiecărui parametru geometric al unei molecule asupra energiei interacțiunii sale cu o altă moleculă și invers.
Cu toate acestea, interacțiunea are loc de obicei într-un loc specific al moleculei - sale centrul reacționar. Prin urmare, este posibil să se urmărească modificarea energiei potențiale a sistemului de reacție, luând în considerare un număr limitat de parametri asociați numai cu centrul de reacție. Aceasta poate fi, de exemplu, lungimile a două legături: formarea și ruperea, unghiul de legătură dintre ele. Apoi, în loc de suprafața energiei potențiale, se poate lua în considerare schimbarea energiei potențiale a sistemului care reacționează în raport cu acest set limitat de coordonate ale sale, numit coordonata reacției.
Efectul temperaturii asupra vitezei reacțiilor.
Pe măsură ce temperatura crește, viteza reacției chimice crește. În ecuația cineticii chimice \u003d С А С В, efectul temperaturii afectează practic modificarea constantei vitezei de reacție . Cu o creștere a temperaturii, valoarea constantei crește, prin urmare, viteza de reacție în sine crește.
Dacă notăm prin T constanta de viteză a acestei reacții la temperatura T și prin T + 10K - constanta de viteză a aceleiași reacții la temperatură (T + 10K), raportul dintre a doua cantitate și prima va da așa-zisul coeficientul temperaturii vitezei de reacție ():
\u003d T + 10K / T (22.)
Conform regulii aproximative (empirice) Van't Hoff, valoarea coeficientului de temperatură fluctuează în 2-4, adică. pe măsură ce temperatura crește cu 10 K, viteza reacției chimice crește de două până la patru ori.
Fig. 1. dependența coeficientului de temperatură al vitezei de reacție de temperatura din reacții
formarea (1) și descompunerea HI (2).
Conform regulii lui Van't Hoff, coeficientul de temperatură al vitezei pentru fiecare reacție chimică trebuie să fie o valoare constantă. Cu toate acestea, în realitate, scade puternic odată cu creșterea temperaturii, ceea ce se vede clar din Fig. 1, care arată curbele \u003d f (T) pentru reacțiile de formare și descompunere a iodurii de hidrogen. O creștere a temperaturii cu 30 K (de la 743 la 773 K) implică o scădere a coeficientului de temperatură al primei reacții de 1,64 ori, iar a doua de 1,71 ori. Pentru aceste reacții, regula Van't Hoff este valabilă doar într-un interval de temperatură relativ restrâns.
O dependență mai precisă a constantei de viteză a unei reacții chimice de temperatură a fost găsită de Arrhenius (1889). Ecuația lui Arrhenius are forma
ln \u003d B A / T, (23.)
unde este constanta vitezei de reacție; A și B sunt constante caracteristice acestei reacții; T este temperatura termodinamică.
Ecuația (6.) arată că logaritmul constantei de viteză este liniar dependent de temperatura reciprocă.
Viteza oricărei reacții chimice depinde de numărul de coliziuni ale moleculelor care reacționează, deoarece numărul de coliziuni este proporțional cu concentrațiile substanțelor care reacționează. Cu toate acestea, nu toate coliziunile moleculelor sunt însoțite de interacțiune. Evident, viteza de reacție depinde nu numai de numărul de coliziuni, ci și de unele proprietăți ale moleculelor care se ciocnesc. Acest fenomen este explicat în teoria activării lui Arrhenius.
Conform acestei teorii, numai acele molecule sunt reactive dacă au o sursă de energie necesară pentru a efectua o anumită reacție, adică exces de energie comparativ cu energia medie a moleculei. Astfel de molecule se numesc activ molecule. Acest exces de energie al unei molecule active, datorită căruia devine posibilă o reacție chimică, se numește energie activatoare.Această energie este de obicei exprimată în kJ / kmol. Energia de activare este mai mică decât energia de rupere a legăturilor dintr-o moleculă, întrucât pentru ca o moleculă să reacționeze, nu este deloc necesară ruperea completă a legăturilor, este suficient să le slăbim.
Valoarea energiei de activare depinde de structura moleculei și de ce reacție intră această moleculă, adică fiecare reacție chimică se caracterizează prin energia sa de activare inerentă. Poate fi redusă sub influența factorilor externi: o creștere a temperaturii, a energiei radiante, a catalizatorilor, etc. într-o moleculă etc.
Viteza unei reacții chimice depinde de valoarea energiei de activare: cu cât este mai mare, cu atât reacția dată va continua mai lentă. Pe de altă parte, cu cât bariera de energie a reacției este mai mică, cu atât mai multe molecule vor avea excesul necesar de energie și cu atât mai repede va avea loc această reacție. Deci, viteza unei reacții chimice depinde în cele din urmă de raportul dintre numărul de molecule active și inactive.
În teoria coliziunilor active, Arrhenius a arătat că numărul de molecule active poate fi calculat în conformitate cu legea Maxwell-Boltzmann:
N a \u003d N total e E / RT, (24.)
unde N a este numărul de molecule active; N total - numărul total de molecule; e - baza logaritmilor naturali; E este energia de activare; T este temperatura termodinamică; R este constanta universală a gazului.
Astfel, o creștere a vitezei de reacție cu o creștere a temperaturii se explică prin faptul că, odată cu o creștere a temperaturii, crește nu numai energia cinetică medie a moleculelor, ci și ponderea moleculelor cu energii peste un anumit nivel crește brusc, adică proporție de molecule active capabile să reacționeze.
Numiți cel puțin 5 factori care determină viteza unei reacții chimice.
- Temperatura, presiunea, gradul de finețe (zona de contact), prezența catalizatorilor, concentrația reactanților
- coșmaruri)))))))))))) 0
până când o citești de o sută de ori - staniu
- 1 catalizator
2 valență
3 chim. activitate față de alte elemente
4 impurități
5 temperatura
6 influență externă - Factori care afectează rata reacțiilor chimice.
1. Natura substanțelor care reacționează. Natura legăturilor chimice și structura moleculelor de reactivi joacă un rol important. Reacțiile au loc în direcția distrugerii legăturilor mai puțin puternice și a formării substanțelor cu legături mai puternice. De exemplu, ruperea legăturilor în moleculele H2 și N2 necesită energii mari; astfel de molecule nu sunt foarte reactive. Pentru a rupe legăturile în molecule extrem de polare (HCl, H2O), este necesară mai puțină energie, iar viteza de reacție este mult mai mare. Reacțiile dintre ioni în soluțiile de electroliți sunt aproape instantanee.
Fluorul reacționează exploziv cu hidrogenul la temperatura camerei, bromul reacționează lent cu hidrogenul și atunci când este încălzit.
Oxidul de calciu reacționează energic cu apa, eliberând căldură; oxid de cupru - nu reacționează.
2. Concentrare. Odată cu creșterea concentrației (numărul de particule pe unitate de volum), coliziile moleculelor de substanțe care reacționează apar mai des - viteza de reacție crește.
Legea acțiunii în masă (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
Viteza unei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor reactanților.
Constanta vitezei de reacție k depinde de natura reactanților, temperatură și catalizator, dar nu depinde de concentrația reactanților.
Sensul fizic al constantei de viteză este că este egal cu viteza de reacție la concentrațiile unitare ale reactanților.
Pentru reacțiile eterogene, concentrația fazei solide nu este inclusă în expresia vitezei de reacție.
3. Temperatura. Cu o creștere a temperaturii pentru fiecare 10C, viteza de reacție crește de 2-4 ori (regula lui Van't Hoff). Cu o creștere a temperaturii de la t1 la t2, modificarea vitezei de reacție poate fi calculată prin formula:
(t2 - t1) / 10
(unde Vt2 și Vt1 sunt viteza de reacție la temperaturile t2 și respectiv t1; g este coeficientul de temperatură al acestei reacții).
Regula Van't Hoff se aplică numai într-un interval îngust de temperatură. Mai exactă este ecuația lui Arrhenius:
A - constantă, în funcție de natura substanțelor care reacționează;
R - constantă de gaz universal 8,314 J / (mol K) \u003d 0,082 l atm / (mol K);
Ea este energia de activare, adică energia pe care trebuie să o aibă moleculele care se ciocnesc pentru ca coliziunea să ducă la o transformare chimică.
Diagrama energetică a unei reacții chimice.
Reacție exotermă
Reacție endotermică
A - reactivi, B - complex activat (stare de tranziție), C - produse.
Cu cât energia de activare Ea este mai mare, cu atât viteza de reacție crește cu creșterea temperaturii.
4. Suprafața de contact a reactanților. Pentru sistemele eterogene (când substanțele se află în diferite stări de agregare), cu cât suprafața de contact este mai mare, cu atât reacția se desfășoară mai repede. Suprafața solidelor poate fi mărită prin zdrobire, iar pentru substanțele solubile prin dizolvarea lor.
5. Cataliză. Substanțele care iau parte la reacții și cresc viteza acesteia, rămânând neschimbate până la sfârșitul reacției, se numesc catalizatori. Mecanismul de acțiune al catalizatorilor este asociat cu o scădere a energiei de activare a reacției datorită formării compușilor intermediari. Cu cataliza omogenă, reactanții și catalizatorul constituie o singură fază (sunt în aceeași stare de agregare), cu cataliză eterogenă, sunt faze diferite (sunt în diferite stări de agregare). În unele cazuri, este posibil să se încetinească drastic cursul proceselor chimice nedorite prin adăugarea de inhibitori la mediul de reacție (fenomenul „catalizei negative”).
Viteza unei reacții chimice depinde de mulți factori, inclusiv natura reactanților, concentrația reactanților, temperatura și prezența catalizatorilor. Să luăm în considerare acești factori.
1). Natura reactanților... Dacă există o interacțiune între substanțele cu o legătură ionică, atunci reacția se desfășoară mai repede decât între substanțele cu o legătură covalentă.
2.) Concentrația reactanților... Pentru ca o reacție chimică să aibă loc, este necesară o coliziune de molecule de substanțe care reacționează. Adică, moleculele trebuie să se apropie atât de mult, încât atomii unei particule experimentează acțiunea câmpurilor electrice ale alteia. Numai în acest caz vor fi posibile tranzițiile electronice și rearanjările corespunzătoare ale atomilor, ca urmare a cărora se formează molecule de substanțe noi. Astfel, rata reacțiilor chimice este proporțională cu numărul de coliziuni care apar între molecule, iar numărul de coliziuni, la rândul său, este proporțional cu concentrația substanțelor care reacționează. Pe baza materialului experimental, oamenii de știință norvegieni Guldberg și Vaage și, independent de ei, omul de știință rus Beketov, au formulat legea de bază a cineticii chimice în 1867 - legea acțiunii în masă (ZDM): la o temperatură constantă, viteza unei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor reactanților în puterea coeficienților lor stoichiometrici. Pentru cazul general:
legea acțiunii în masă are forma:
Se numește înregistrarea legii acțiunii de masă pentru această reacție ecuația cinetică de bază a reacției... În ecuația cinetică de bază, k este constanta vitezei de reacție, care depinde de natura substanțelor care reacționează și de temperatură.
Majoritatea reacțiilor chimice sunt reversibile. În cursul acestor reacții, produsele lor, pe măsură ce se acumulează, reacționează între ele pentru a forma substanțele inițiale:
Viteza de reacție înainte:
Rata de feedback:
În momentul echilibrului:
Prin urmare, legea acțiunii de masă într-o stare de echilibru va lua forma:
unde K este constanta de echilibru a reacției.
3) Efectul temperaturii asupra vitezei de reacție... Rata reacțiilor chimice, de regulă, crește odată cu creșterea temperaturii. Să luăm în considerare acest lucru folosind exemplul interacțiunii hidrogenului cu oxigenul.
2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O
La 20 0 С, rata de reacție este practic zero și ar dura 54 de miliarde de ani pentru ca interacțiunea să treacă cu 15%. La 500 0 С va dura 50 de minute până se formează apă, iar la 700 0 С reacția se desfășoară instantaneu.
Se exprimă dependența vitezei de reacție de temperatură nu este regula Hoff: cu o creștere a temperaturii cu 10 °, viteza de reacție crește de 2 - 4 ori. Regula lui Van't Hoff este scrisă:
4) Efectul catalizatorilor... Viteza reacțiilor chimice poate fi ajustată folosind catalizatori - substanțe care modifică viteza de reacție și rămân neschimbate după reacție. Modificarea vitezei de reacție în prezența unui catalizator se numește cataliză. Distinge pozitiv (viteza de reacție crește) și negativ (viteza de reacție scade) cataliza. Uneori, catalizatorul se formează în timpul reacției, astfel de procese sunt numite autocatalitice. Distingeți între cataliză omogenă și eterogenă.
Cand omogen Prin cataliză, catalizatorul și reactanții se află în aceeași fază. De exemplu:
Cand eterogen cataliza, catalizatorul și reactanții sunt în faze diferite. De exemplu:
Cataliza heterogenă este asociată cu procesele enzimatice. Toate procesele chimice din organismele vii sunt catalizate de enzime, care sunt proteine \u200b\u200bcu anumite funcții specializate. În soluțiile în care au loc procese enzimatice, nu există un mediu eterogen tipic, din cauza absenței unei interfețe clar definite. Astfel de procese sunt denumite cataliză microheterogenă.
Viteza unei reacții chimice depinde de natura substanțelor care reacționează și de condițiile reacției: concentrația c, temperatura /\u003e t /\u003e, /\u003e prezența catalizatorilor, precum și de alți factori (de exemplu, presiunea - pentru reacții gazoase, din măcinare - pentru solide, din radiații) ./\u003e
Influența concentrației reactanților. /\u003e De realizat interacțiunea chimică substanțelor A și B, moleculele (particulele) lor trebuie să se ciocnească. Cu cât mai multe coliziuni, cu atât reacția se desfășoară mai repede. Numărul de coliziuni este cu atât mai mare, cu cât concentrația reactanților este mai mare. Prin urmare, pe baza unui vast material experimental, a fost formulată legea de bază a cineticii chimice, care stabilește dependența vitezei de reacție de concentrația substanțelor care reacționează:
Viteza unei reacții chimice este proporțională cu produsul concentrațiilor reactanților.
Pentru reacție (/\u003e I /\u003e) această lege este exprimată prin ecuația /\u003e
v /\u003e \u003d /\u003e kc A /\u003e /\u003e c B /\u003e, /\u003e (1) /\u003e
unde cu A și cu B - concentrația substanțelor A și B, mol / l; /\u003e k /\u003e - /\u003e coeficient /\u003e proporționalitate, numită constantă a vitezei de reacție. Legea de bază a cineticii chimice este adesea numită legea maselor. />
Din ecuația (1) este ușor de stabilit sens fizic constante de viteză /\u003e k /\u003e: este numeric egală cu viteza de reacție atunci când concentrația fiecăreia dintre substanțele care reacționează este de 1 mol / l sau când produsul lor este egal cu unitatea. /\u003e
Constanta vitezei de reacție /\u003e k /\u003e /\u003e depinde de natura substanțelor care reacționează și de temperatură, dar nu depinde de concentrațiile acestora.
Ecuația (1), care leagă viteza de reacție de concentrația de reactanți, se numește ecuația reacției cinetice... Dacă ecuația cinetică a reacției este determinată empiric, atunci cu ajutorul acesteia este posibil să se calculeze ratele la alte concentrații ale acelorași substanțe care reacționează.
Influența temperaturii /\u003e ./\u003e
Se determină dependența vitezei de reacție de temperatură nu este regula Hoff:/>
Când temperatura crește la fiecare 10 °, rata celor mai multe reacții crește de 2-4 ori.
Matematic, această dependență este exprimată prin raportul /\u003e
v t /\u003e /\u003e 2 /\u003e \u003d /\u003e v t /\u003e 1 /\u003e γ /\u003e, /\u003e
unde /\u003e vt /\u003e 1 /\u003e /\u003e, /\u003e vt /\u003e 2 /\u003e - /\u003e viteze de reacție, respectiv, la inițiale (/\u003e t /\u003e 1 /\u003e) și finale (/\u003e t /\u003e 2 /\u003e) temperaturi, un /\u003e γ /\u003e - /\u003e coeficient de temperatură al vitezei de reacție, care arată de câte ori crește viteza de reacție cu o creștere a temperaturii substanțelor care reacționează cu 10 °. /\u003e
Regula lui Van't Hoff este aproximativă și se aplică numai pentru o estimare aproximativă a efectului temperaturii asupra vitezei de reacție. Temperatura afectează viteza unei reacții chimice prin creșterea constantei de viteză ./\u003e
Întrebarea numărul 3
De ce factori depinde constanta de viteză a unei reacții chimice?
Constanta ratei de reactie (viteza de reacție specifică) este coeficientul de proporționalitate în ecuația cinetică.
Sensul fizic al constantei vitezei de reacție k rezultă din ecuația legii acțiunii de masă: k numeric egal cu viteza de reacție la o concentrație a fiecărei substanțe care reacționează egală cu 1 mol / l.
Constanta vitezei de reacție depinde de temperatură, de natura reactanților, de prezența unui catalizator în sistem, dar nu depinde de concentrația lor.
1. Temperatura. Cu o creștere a temperaturii la fiecare 10 ° C, viteza de reacție crește de 2-4 ori (regula lui Van't Hoff). Cu o creștere a temperaturii de la t1 la t2, modificarea vitezei de reacție poate fi calculată prin formula: (t2 - t1) / 10 Vt2 / Vt1 \u003d g (unde Vt2 și Vt1 sunt viteza de reacție la temperaturile t2 și t1, respectiv; g este coeficientul de temperatură al acestei reacții). Regula Van't Hoff se aplică numai într-un interval îngust de temperatură. Mai exactă este ecuația Arrhenius: k \u003d A e –Ea / RT unde A este o constantă în funcție de natura substanțelor care reacționează; R este constanta universală a gazului; Ea este energia de activare, adică energia pe care trebuie să o aibă moleculele care se ciocnesc pentru ca coliziunea să ducă la o transformare chimică. Diagrama energetică a unei reacții chimice. Reacție exotermică Reacție endotermică A - reactivi, B - complex activat (stare de tranziție), C - produse. Cu cât energia de activare Ea este mai mare, cu atât viteza de reacție crește cu creșterea temperaturii. 2. Suprafața de contact a reactanților. Pentru sistemele eterogene (când substanțele se află în diferite stări de agregare), cu cât suprafața de contact este mai mare, cu atât reacția se desfășoară mai repede. Suprafața solidelor poate fi mărită prin zdrobire, iar pentru substanțele solubile prin dizolvarea lor. 3. Cataliză. Substanțele care iau parte la reacții și cresc viteza acesteia, rămânând neschimbate până la sfârșitul reacției, se numesc catalizatori. Mecanismul de acțiune al catalizatorilor este asociat cu o scădere a energiei de activare a reacției datorită formării compușilor intermediari. Cu cataliza omogenă, reactanții și catalizatorul constituie o singură fază (sunt în aceeași stare de agregare), cu cataliză eterogenă, sunt faze diferite (sunt în diferite stări de agregare). În unele cazuri, este posibil să se încetinească drastic cursul proceselor chimice nedorite prin adăugarea de inhibitori la mediul de reacție (fenomenul „catalizei negative”).
Întrebarea numărul 4
Formulează și notează legea acțiunii de masă pentru reacție:
2 NO + O2 \u003d 2NO2
LEGEA MASEI VALABILE: viteza unei reacții chimice este proporțională cu produsul concentrațiilor reactanților. pentru reacția 2NO + O2 2NO2, legea acțiunii de masă se va scrie astfel: v \u003d kС2 (NO) · С (O2), unde k este o constantă a vitezei în funcție de natura substanțelor care reacționează și de temperatură. Viteza în reacțiile care implică solide este determinată numai de concentrația de gaze sau substanțe dizolvate: С + О2 \u003d СО2, v \u003d kCO2
