Determinarea vitezei unei reacții chimice. Viteza unei reacții chimice și factorii care o afectează

La definirea conceptului viteză reactie chimica este necesar să se facă distincția între reacțiile omogene și eterogene. Dacă o reacție are loc într-un sistem omogen, de exemplu, într-o soluție sau într-un amestec de gaze, atunci ea are loc în întregul volum al sistemului. Viteza de reacție omogenă este cantitatea de substanță care reacționează sau se formează ca urmare a unei reacții pe unitatea de timp pe unitatea de volum a sistemului. Deoarece raportul dintre numărul de moli ai unei substanțe și volumul în care este distribuită este concentrația molară a substanței, viteza unei reacții omogene poate fi, de asemenea, definită ca modificarea concentrației pe unitatea de timp a oricăreia dintre substanțe: reactivul inițial sau produsul de reacție. Pentru a vă asigura că rezultatul calculului este întotdeauna pozitiv, indiferent dacă se bazează pe un reactiv sau pe un produs, semnul „±” este utilizat în formulă:

În funcție de natura reacției, timpul poate fi exprimat nu numai în secunde, așa cum este cerut de sistemul SI, ci și în minute sau ore. În timpul reacției, mărimea vitezei sale nu este constantă, ci se modifică continuu: scade pe măsură ce concentrațiile substanțelor inițiale scad. Calculul de mai sus oferă valoarea medie a vitezei de reacție pe un anumit interval de timp Δτ = τ 2 – τ 1. Viteza adevărată (instantanee) este definită ca limita la care tinde raportul Δ CU/ Δτ la Δτ → 0, adică viteza adevărată este egală cu derivata concentrației în raport cu timpul.

Pentru o reacție a cărei ecuație conține coeficienți stoichiometrici care diferă de unitate, valorile ratei exprimate pentru diferite substanțe nu sunt aceleași. De exemplu, pentru reacția A + 3B = D + 2E, consumul de substanță A este de un mol, aportul de substanță B este de trei moli și aportul de substanță E este de doi moli. De aceea υ (A) = ⅓ υ (B) = υ (D) =½ υ (E) sau υ (E). = ⅔ υ (IN) .

Dacă are loc o reacție între substanțe situate în diferite faze ale unui sistem eterogen, atunci ea poate avea loc doar la interfața dintre aceste faze. De exemplu, interacțiunea dintre o soluție acidă și o bucată de metal are loc numai pe suprafața metalului. Viteza reacției eterogene este cantitatea de substanță care reacționează sau se formează ca rezultat al unei reacții pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață de interfață:

Dependența vitezei unei reacții chimice de concentrația reactanților este exprimată prin legea acțiunii masei: la o temperatură constantă, viteza unei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor molare ale substanțelor care reacţionează ridicate la puteri egale cu coeficienții din formulele acestor substanțe din ecuația reacției.. Apoi pentru reacție

2A + B → produse

raportul este valabil υ ~ · CU A 2 · CU B, iar pentru trecerea la egalitate se introduce un coeficient de proporționalitate k, numit constanta vitezei de reacție:

υ = k· CU A 2 · CU B = k·[A] 2 ·[B]

(concentrațiile molare în formule pot fi notate cu litera CU cu indicele corespunzător și formula substanței cuprinse între paranteze drepte). Sensul fizic al constantei vitezei de reacție este viteza de reacție la concentrații ale tuturor reactanților egale cu 1 mol/l. Dimensiunea constantei vitezei de reacție depinde de numărul de factori din partea dreaptă a ecuației și poate fi c –1 ; s –1 ·(l/mol); s –1 · (l 2 /mol 2), etc., adică astfel încât în orice caz, în calcule, viteza de reacție să fie exprimată în mol · l –1 · s –1.

Pentru reacțiile eterogene, ecuația legii acțiunii masei include concentrațiile numai acelor substanțe care se află în fază gazoasă sau în soluție. Concentrația unei substanțe în faza solidă este o valoare constantă și este inclusă în constanta de viteză, de exemplu, pentru procesul de ardere a cărbunelui C + O 2 = CO 2, legea acțiunii masei se scrie:

υ = kI·const··= k·,

Unde k= kI const.

În sistemele în care una sau mai multe substanțe sunt gaze, viteza de reacție depinde și de presiune. De exemplu, atunci când hidrogenul interacționează cu vaporii de iod H 2 + I 2 = 2HI, viteza reacției chimice va fi determinată de expresia:

υ = k··.

Dacă creșteți presiunea, de exemplu, de 3 ori, atunci volumul ocupat de sistem va scădea cu aceeași cantitate și, în consecință, concentrațiile fiecăreia dintre substanțele care reacţionează vor crește cu aceeași cantitate. Viteza de reacție în acest caz va crește de 9 ori

Dependența vitezei de reacție de temperatură descris de regula lui van't Hoff: cu fiecare creștere de 10 grade a temperaturii, viteza de reacție crește de 2-4 ori. Aceasta înseamnă că pe măsură ce temperatura crește progresie aritmetică viteza unei reacții chimice crește exponențial. Baza în formula de progresie este coeficientul de temperatură al vitezei de reacțieγ, care arată de câte ori crește viteza unei reacții date (sau, ceea ce este același lucru, constanta vitezei) cu o creștere a temperaturii cu 10 grade. Din punct de vedere matematic, regula lui Van't Hoff este exprimată prin formulele:

unde și sunt ratele de reacție, respectiv, la inițială t 1 si finala t 2 temperaturi. Regula lui Van't Hoff poate fi exprimată și prin următoarele relații:

; ; ; ,

unde și sunt, respectiv, viteza și constanta de viteză a reacției la temperatură t; și – aceleași valori la temperatură t +10n; n– numărul de intervale de „zece grade” ( n =(t 2 –t 1)/10), prin care temperatura s-a modificat (poate fi un număr întreg sau fracționar, pozitiv sau negativ).

Exemple de rezolvare a problemelor

Exemplul 1. Cum se va schimba viteza reacției 2CO + O 2 = 2CO 2, care are loc într-un vas închis, dacă presiunea se dublează?

Soluţie:

Viteza acestei reacții chimice este determinată de expresia:

υ începe = k· [CO] 2 · [O 2 ].

O creștere a presiunii duce la o creștere de 2 ori a concentrației ambilor reactivi. Ținând cont de acest lucru, rescriem expresia legii acțiunii în masă:

υ 1 = k· 2 · = k·22[CO]2·2[O2] = 8 k·[CO]2 ·[O2] = 8 υ început

Răspuns: Viteza de reacție va crește de 8 ori.

Exemplul 2. Calculați de câte ori va crește viteza de reacție dacă temperatura sistemului crește de la 20 °C la 100 °C, luând valoarea coeficientului de temperatură al vitezei de reacție egală cu 3.

Soluţie:

Raportul vitezelor de reacție la două temperaturi diferite este legat de coeficientul de temperatură și modificarea temperaturii prin formula:

Calcul:

Răspuns: Viteza de reacție va crește de 6561 de ori.

Exemplul 3. La studierea reacției omogene A + 2B = 3D, s-a constatat că pe parcursul a 8 minute de reacție, cantitatea de substanță A din reactor a scăzut de la 5,6 moli la 4,4 moli. Volumul masei de reacție a fost de 56 l. Calculați viteza medie a unei reacții chimice pentru perioada de timp studiată pentru substanțele A, B și D.

Soluţie:

Folosim formula în conformitate cu definiția conceptului „viteza medie a unei reacții chimice” și înlocuim valori numerice, obținând viteza medie pentru reactivul A:

Din ecuația reacției rezultă că, în comparație cu rata de pierdere a substanței A, rata de pierdere a substanței B este de două ori mai mare, iar rata de creștere a cantității de produs D este de trei ori mai mare. Prin urmare:

υ (A) = ½ υ (B) =⅓ υ (D)

și apoi υ (B) = 2 υ (A) = 2 2,68 10 –3 = 6,36 10 –3 mol l –1 min –1 ;

υ (D) = 3 υ (A) = 3 2,68 10 –3 = 8,04 10 –3 mol l –1 min –1

Răspuns: υ(A) =2,68.10 –3 mol.l–1 ·min–1; υ (B) = 6,36.10–3 mol.l–1 min–1; υ (D) = 8,04·10–3 mol·l–1 min–1.

Exemplul 4. Pentru a determina constanta de viteză a reacției omogene A + 2B → produse, s-au efectuat două experimente la concentrații diferite de substanță B și s-a măsurat viteza de reacție.

Una dintre domeniile chimiei fizice, cinetica chimică, studiază viteza unei reacții chimice și condițiile care afectează schimbarea acesteia. De asemenea, examinează mecanismele acestor reacții și validitatea lor termodinamică. Aceste studii sunt importante nu numai în scopuri științifice, ci și pentru monitorizarea interacțiunii componentelor din reactoare în timpul producției de tot felul de substanțe.

Conceptul de viteză în chimie

Viteza de reacție este de obicei numită o anumită modificare a concentrațiilor compușilor care au intrat în reacție (ΔC) pe unitatea de timp (Δt). Formula matematică Viteza unei reacții chimice este următoarea:

ᴠ = ±ΔC/Δt.

Viteza de reacție se măsoară în mol/l∙s dacă are loc pe întregul volum (adică reacția este omogenă) și în mol/m 2 ∙s dacă interacțiunea are loc pe suprafața care separă fazele (adică, reacția este eterogenă). Semnul „-” din formulă se referă la modificări ale concentrațiilor reactanților inițiali, iar semnul „+” se referă la schimbarea concentrațiilor produselor aceleiași reacții.

Exemple de reacții cu viteze diferite

Interacțiuni substanțe chimice poate fi efectuată la viteze diferite. Astfel, rata de creștere a stalactitelor, adică formarea carbonatului de calciu, este de numai 0,5 mm la 100 de ani. Unii merg încet reactii biochimice, cum ar fi fotosinteza și sinteza proteinelor. Coroziunea metalelor are loc într-un ritm destul de scăzut.

Viteza medie poate fi folosită pentru a descrie reacții care necesită una până la câteva ore. Un exemplu ar fi gatirea, care presupune descompunerea si transformarea compusilor continuti in alimente. Sinteza polimerilor individuali necesită încălzirea amestecului de reacție pentru un anumit timp.

Un exemplu de reacții chimice a căror viteză este destul de mare sunt reacțiile de neutralizare, interacțiunea bicarbonatului de sodiu cu o soluție de acid acetic, însoțită de eliberare. dioxid de carbon. Se mai poate menționa și interacțiunea azotatului de bariu cu sulfatul de sodiu, în care se observă eliberarea unui precipitat de sulfat de bariu insolubil.

Un număr mare de reacții pot apărea cu viteza fulgerului și sunt însoțite de o explozie. Exemplu clasic- interacțiunea potasiului cu apa.

Factorii care afectează viteza unei reacții chimice

Este de remarcat faptul că aceleași substanțe pot reacționa între ele la viteze diferite. De exemplu, un amestec de oxigen gazos și hidrogen poate să nu prezinte semne de interacțiune pentru o perioadă destul de lungă de timp, dar atunci când recipientul este scuturat sau lovit, reacția devine explozivă. Prin urmare, cinetica chimică identifică anumiți factori care au capacitatea de a influența viteza unei reacții chimice. Acestea includ:

natura substanțelor care interacționează;
concentrația de reactivi;
schimbarea temperaturii;
prezența unui catalizator;
schimbarea presiunii (pentru substanțe gazoase);
zona de contact a substanțelor (dacă vorbim de reacții eterogene).

Influența naturii substanței

Asa de diferenta semnificativaîn vitezele reacţiilor chimice se explică sensuri diferite energia de activare (Ea). Este înțeles ca o anumită cantitate de energie în exces în comparație cu valoarea medie necesară unei molecule în timpul unei coliziuni pentru a avea loc o reacție. Se măsoară în kJ/mol și valorile sunt de obicei în intervalul 50-250.

Se acceptă în general că dacă E a = 150 kJ/mol pentru orice reacție, atunci la n. u. practic nu curge. Această energie este cheltuită pentru a depăși repulsia dintre moleculele de substanțe și pentru a slăbi legăturile din substanțele originale. Cu alte cuvinte, energia de activare caracterizează puterea legături chimiceîn substanţe. Pe baza valorii energiei de activare, puteți estima preliminar viteza unei reacții chimice:

E a< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
E a >120, doar o parte foarte mică din ciocnirile de particule vor duce la o reacție, iar viteza acesteia va fi scăzută.

Efectul concentrării

Dependența vitezei de reacție de concentrație este cel mai precis caracterizată de legea acțiunii masei (LMA), care spune:

Viteza unei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor substanțelor care reacţionează, ale căror valori sunt luate în puteri corespunzătoare coeficienţilor lor stoichiometrici.

Această lege este potrivită pentru reacții elementare într-o etapă sau pentru orice etapă a interacțiunii substanțelor caracterizate printr-un mecanism complex.

Dacă trebuie să determinați viteza unei reacții chimice, a cărei ecuație poate fi scrisă condiționat ca:

αA+ bB = ϲС, atunci

în conformitate cu formularea de mai sus a legii, viteza poate fi găsită folosind ecuația:

V=k·[A]a·[B]b, unde

a și b sunt coeficienți stoichiometrici,

[A] și [B] sunt concentrațiile compușilor de pornire,

k este constanta de viteză a reacției luate în considerare.

Semnificația coeficientului de viteză al unei reacții chimice este că valoarea sa va fi egală cu viteza dacă concentrațiile compușilor sunt egale cu unități. Trebuie remarcat faptul că pentru calcularea corectă folosind această formulă, merită să se țină cont de starea de agregare a reactivilor. Concentrația solidului este considerată unitate și nu este inclusă în ecuație deoarece rămâne constantă în timpul reacției. Astfel, în calculele conform ZDM sunt incluse doar concentrațiile de substanțe lichide și gazoase. Astfel, pentru reacția de producere a dioxidului de siliciu din substanțe simple, descrise de ecuație

Si (tv) + Ο 2(g) = SiΟ 2(tv) ,

viteza va fi determinată de formula:

Sarcina tipică

Cum s-ar schimba viteza reacției chimice a monoxidului de azot cu oxigenul dacă concentrațiile compușilor de pornire ar fi dublate?

Rezolvare: Acest proces corespunde ecuației reacției:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2.

Să notăm expresiile pentru viteza de reacție inițială (ᴠ 1) și finală (ᴠ 2):

ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ] și

ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ].

ᴠ 1 /ᴠ 2 = (k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ]) / (k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ]).

ᴠ 2 /ᴠ 1 = 4 2/1 = 8.

Răspuns: a crescut de 8 ori.

Efectul temperaturii

Dependența vitezei unei reacții chimice de temperatură a fost determinată experimental de omul de știință olandez J. H. Van't Hoff. El a descoperit că rata multor reacții crește de 2-4 ori cu fiecare creștere de 10 grade a temperaturii. Există o expresie matematică pentru această regulă care arată astfel:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10, unde

ᴠ 1 și ᴠ 2 - viteze corespunzătoare la temperaturile Τ 1 și Τ 2;

γ - coeficient de temperatură, egal cu 2-4.

În același timp, această regulă nu explică mecanismul influenței temperaturii asupra vitezei unei anumite reacții și nu descrie întregul set de modele. Este logic să concluzionam că odată cu creșterea temperaturii, mișcarea haotică a particulelor se intensifică și acest lucru provoacă un număr mai mare de ciocniri. Cu toate acestea, acest lucru nu afectează în mod special eficiența coliziunilor moleculare, deoarece depinde în principal de energia de activare. De asemenea, corespondența lor spațială între ele joacă un rol semnificativ în eficiența ciocnirilor de particule.

Dependența vitezei unei reacții chimice de temperatură, ținând cont de natura reactivilor, respectă ecuația Arrhenius:

k = A 0 e -Ea/RΤ, unde

A o este un multiplicator;

E a - energia de activare.

Un exemplu de problemă folosind legea lui Van't Hoff

Cum ar trebui modificată temperatura astfel încât viteza unei reacții chimice, al cărei coeficient de temperatură este numeric egal cu 3, să crească de 27 de ori?

Soluţie. Să folosim formula

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10.

Din condiția ᴠ 2 /ᴠ 1 = 27 și γ = 3. Trebuie să găsiți ΔΤ = Τ 2 -Τ 1.

Transformând formula originală obținem:

V2/V1 =y ΔΤ/10.

Inlocuim valorile: 27 = 3 ΔΤ/10.

Din aceasta este clar că ΔΤ/10 = 3 și ΔΤ = 30.

Răspuns: temperatura trebuie crescută cu 30 de grade.

Efectul catalizatorilor

În chimia fizică, viteza reacțiilor chimice este, de asemenea, studiată activ printr-o secțiune numită cataliză. El este interesat de cum și de ce cantități relativ mici de anumite substanțe cresc semnificativ rata de interacțiune a altora. Substanțele care pot accelera o reacție, dar nu sunt consumate în ea în sine, se numesc catalizatori.

S-a dovedit că catalizatorii modifică mecanismul interacțiunii chimice în sine și contribuie la apariția unor noi stări de tranziție, care se caracterizează prin înălțimi mai mici ale barierei energetice. Adică, ajută la reducerea energiei de activare și, prin urmare, la creșterea numărului de impacturi efective ale particulelor. Un catalizator nu poate provoca o reacție imposibilă din punct de vedere energetic.

Astfel, peroxidul de hidrogen se poate descompune pentru a forma oxigen și apă:

N 2 Ο 2 = N 2 Ο + Ο 2.

Dar această reacție este foarte lentă și în trusele noastre de prim ajutor există destul de neschimbată pentru o lungă perioadă de timp. Când deschideți doar sticle foarte vechi de peroxid, este posibil să observați un ușor zgomot cauzat de presiunea oxigenului pe pereții vasului. Adăugarea doar a câtorva boabe de oxid de magneziu va provoca eliberarea de gaz activ.

Aceeași reacție de descompunere a peroxidului, dar sub influența catalazei, are loc la tratarea rănilor. Organismele vii conțin multe substanțe diferite care cresc viteza reacțiilor biochimice. Ele sunt de obicei numite enzime.

Inhibitorii au efectul opus asupra cursului reacțiilor. Cu toate acestea, acesta nu este întotdeauna un lucru rău. Inhibitorii sunt utilizați pentru a proteja produsele metalice de coroziune, pentru a prelungi durata de valabilitate a alimentelor, de exemplu, pentru a preveni oxidarea grăsimilor.

Zona de contact cu substanța

În cazul în care interacțiunea are loc între compuși care au stări diferite de agregare, sau între substanțe care nu sunt capabile să formeze un mediu omogen (lichide nemiscibile), atunci acest factor afectează semnificativ și viteza reacției chimice. Acest lucru se datorează faptului că reacțiile eterogene au loc direct la interfața dintre fazele substanțelor care interacționează. Evident, cu cât această limită este mai largă, cu atât mai multe particule au posibilitatea de a se ciocni și cu atât reacția are loc mai rapid.

De exemplu, merge mult mai repede sub formă de chips-uri mici decât sub formă de buștean. În același scop, multe solide sunt măcinate într-o pulbere fină înainte de a fi adăugate la soluție. Astfel, creta sub formă de pudră (carbonat de calciu) acționează mai repede cu acidul clorhidric decât cu o bucată de aceeași masă. Cu toate acestea, pe lângă creșterea zonei, această tehnică duce și la o ruptură haotică a rețelei cristaline a substanței și, prin urmare, crește reactivitatea particulelor.

Din punct de vedere matematic, viteza unei reacții chimice eterogene se găsește ca modificarea cantității de substanță (Δν) care are loc pe unitatea de timp (Δt) pe unitatea de suprafață

(S): V = Δν/(S·Δt).

Efectul presiunii

O modificare a presiunii în sistem are efect numai atunci când gazele iau parte la reacție. O creștere a presiunii este însoțită de o creștere a moleculelor unei substanțe pe unitatea de volum, adică concentrația acesteia crește proporțional. În schimb, o scădere a presiunii duce la o scădere echivalentă a concentrației reactivului. În acest caz, formula corespunzătoare ZDM este potrivită pentru calcularea vitezei unei reacții chimice.

Sarcină. Cum va crește viteza reacției descrise de ecuație?

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2,

dacă volumul unui sistem închis este redus de trei ori (T=const)?

Soluţie. Pe măsură ce volumul scade, presiunea crește proporțional. Să notăm expresiile pentru vitezele de reacție inițiale (V 1) și finale (V 2):

V 1 = k 2 [Ο 2 ] și

V2 = k·(3·)2·3·[Ο2] = k·9[ΝΟ]2·3[Ο2].

Pentru a afla de câte ori noua viteză este mai mare decât cea inițială, ar trebui să separați părțile stânga și dreaptă ale expresiilor:

V 1 /V 2 = (k 9[ΝΟ] 2 3[Ο 2 ]) / (k [ΝΟ] 2 [Ο 2 ]).

Valorile concentrației și constantele vitezei sunt reduse, iar ceea ce rămâne este:

V 2 /V 1 = 9 3/1 = 27.

Răspuns: viteza a crescut de 27 de ori.

Pentru a rezuma, trebuie remarcat faptul că viteza de interacțiune a substanțelor, sau mai precis, cantitatea și calitatea ciocnirilor particulelor lor, este influențată de mulți factori. În primul rând, acestea sunt energia de activare și geometria moleculelor, care sunt aproape imposibil de corectat. În ceea ce privește condițiile rămase, pentru a crește viteza de reacție ar trebui:

crește temperatura mediului de reacție;
crește concentrația compușilor de pornire;
crește presiunea în sistem sau reduce volumul acestuia dacă vorbim de gaze;
aduce substanțe diferite într-o stare de agregare (de exemplu, prin dizolvarea lor în apă) sau crește aria de contact a acestora.

În viață întâlnim diferite reacții chimice. Unele dintre ele, precum ruginirea fierului, pot dura câțiva ani. Altele, cum ar fi fermentarea zahărului în alcool, durează câteva săptămâni. Lemnele de foc dintr-o sobă arde în câteva ore, iar benzina dintr-un motor arde într-o fracțiune de secundă.

Pentru a reduce costurile cu echipamentele, fabricile chimice măresc viteza reacțiilor. Și unele procese, de exemplu, deteriorarea alimentelor și coroziunea metalelor, trebuie să fie încetinite.

Viteza de reacție chimică poate fi exprimat ca modificarea cantității de materie (n, modulo) pe unitatea de timp (t) - comparați viteza unui corp în mișcare în fizică ca o modificare a coordonatelor pe unitatea de timp: υ = Δx/Δt. Pentru ca viteza să nu depindă de volumul vasului în care are loc reacția, împărțim expresia la volumul substanțelor care reacţionează (v), adică obținem modificarea cantității de substanță pe unitatea de timp pe unitatea de volum sau modificarea concentrației uneia dintre substanțe pe unitatea de timp:

n 2 − n 1 Δn
υ = –––––––––– = ––––––––– = Δс/Δt (1)
(t 2 − t 1) v Δt v

unde c = n / v este concentrația substanței,

Δ (a se citi „delta”) este o desemnare general acceptată pentru o modificare a valorii.

Dacă substanțele au coeficienți diferiți în ecuație, viteza de reacție pentru fiecare dintre ele calculată folosind această formulă va fi diferită. De exemplu, 2 moli de dioxid de sulf au reacţionat complet cu 1 mol de oxigen în 10 secunde într-un litru:

2SO2 + O2 = 2SO3

Rata de oxigen va fi: υ = 1: (10 1) = 0,1 mol/l s

Viteza pentru dioxid de sulf: υ = 2: (10 1) = 0,2 mol/l s- acest lucru nu trebuie memorat și spus în timpul examenului, exemplul este dat pentru a nu fi confundat dacă apare această întrebare.

Viteza reacțiilor eterogene (care implică solide) este adesea exprimată pe unitatea de suprafață a suprafețelor de contact:

Δn
υ = –––––– (2)
Δt S

Reacțiile sunt numite eterogene atunci când reactanții sunt în faze diferite:

un solid cu un alt solid, lichid sau gaz,
două lichide nemiscibile
lichid cu gaz.

Între substanțe apar reacții omogene într-o fază:

între lichide bine amestecate,
gaze,
substanțe în soluții.

Condiții care afectează viteza reacțiilor chimice

1) Viteza de reacție depinde de natura reactanţilor. Mai simplu spus, diferite substanțe reacționează la viteze diferite. De exemplu, zincul reacționează violent cu acidul clorhidric, în timp ce fierul reacționează destul de lent.

2) Cu cât viteza de reacție este mai mare, cu atât mai rapidă concentraţie substante. Zincul va reacționa mult mai mult timp cu un acid foarte diluat.

3) Viteza de reacție crește semnificativ odată cu creșterea temperatura. De exemplu, pentru ca combustibilul să ardă, este necesar să-l aprindeți, adică să creșteți temperatura. Pentru multe reacții, o creștere de 10°C a temperaturii este însoțită de o creștere de 2-4 ori a vitezei.

4) Viteza eterogen reacțiile crește odată cu creșterea suprafeţele substanţelor care reacţionează. Solidele sunt de obicei măcinate în acest scop. De exemplu, pentru ca fierul și pulberile de sulf să reacționeze atunci când sunt încălzite, fierul de călcat trebuie să fie sub formă de rumeguș fin.

Vă rugăm să rețineți că în acest caz formula (1) este implicită! Formula (2) exprimă viteza pe unitatea de suprafață, prin urmare nu poate depinde de zonă.

5) Viteza de reacție depinde de prezența catalizatorilor sau inhibitorilor.

Catalizatori- substante care accelereaza reactiile chimice, dar nu sunt consumate. Un exemplu este descompunerea rapidă a peroxidului de hidrogen cu adăugarea unui catalizator - oxid de mangan (IV):

2H2O2 = 2H2O + O2

Oxidul de mangan (IV) rămâne în partea de jos și poate fi reutilizat.

Inhibitori- substante care incetinesc reactia. De exemplu, inhibitori de coroziune sunt adăugați la un sistem de încălzire a apei pentru a prelungi durata de viață a țevilor și bateriilor. În mașini, inhibitori de coroziune sunt adăugați la lichidul de frână și lichid de răcire.

Încă câteva exemple.

Viteza de reacție chimică

Viteza de reacție chimică- modificarea cantităţii uneia dintre substanţele care reacţionează pe unitatea de timp într-o unitate de spaţiu de reacţie. Este un concept cheie în cinetica chimică. Viteza unei reacții chimice este întotdeauna o valoare pozitivă, prin urmare, dacă este determinată de substanța inițială (a cărei concentrație scade în timpul reacției), atunci valoarea rezultată este înmulțită cu −1.

De exemplu pentru reacție:

expresia pentru viteza va arata astfel:

. Viteza unei reacții chimice la un moment dat este proporțională cu concentrațiile reactanților ridicate la puteri egale cu coeficienții lor stoichiometrici.

Pentru reacțiile elementare, exponentul concentrației fiecărei substanțe este adesea egal cu coeficientul său stoechiometric; pentru reacțiile complexe această regulă nu este respectată. Pe lângă concentrație, următorii factori influențează viteza unei reacții chimice:

natura reactanților,
prezența unui catalizator,
temperatura (regula Van't Hoff),
presiune,
suprafața substanțelor care reacţionează.

Dacă luăm în considerare cea mai simplă reacție chimică A + B → C, vom observa că instant Viteza unei reacții chimice nu este constantă.

Literatură

Kubasov A. A. Cinetică chimică și cataliză.
Prigogine I., Defey R. Termodinamică chimică. Novosibirsk: Nauka, 1966. 510 p.
Yablonsky G.S., Bykov V.I., Gorban A.N., Modele cinetice ale reacțiilor catalitice, Novosibirsk: Nauka (Departamentul Sib.), 1983. - 255 p.

Fundația Wikimedia. 2010.

Vedeți ce este „Viteza unei reacții chimice” în alte dicționare:

Concept de bază de cinetică chimică. Pentru reacțiile omogene simple, viteza unei reacții chimice se măsoară prin modificarea numărului de moli ai substanței reactionate (la un volum constant al sistemului) sau prin modificarea concentrației oricăreia dintre substanțele inițiale... Dicţionar enciclopedic mare

RATEA REACȚIEI CHIMICE- conceptul de bază al chimiei. cinetica, care exprimă raportul dintre cantitatea de substanță reacționată (în moli) și perioada de timp în care a avut loc interacțiunea. Deoarece concentrațiile reactanților se modifică în timpul interacțiunii, viteza este de obicei... Marea Enciclopedie Politehnică

viteza de reactie chimica- o mărime care caracterizează intensitatea unei reacţii chimice. Viteza de formare a unui produs de reacție este cantitatea acestui produs ca rezultat al unei reacții pe unitatea de timp pe unitatea de volum (dacă reacția este omogenă) sau pe... ...

O cantitate care caracterizează intensitatea unei reacții chimice (vezi Reacții chimice). Viteza de formare a unui produs de reacție este cantitatea din acest produs rezultată dintr-o reacție pe unitate de timp pe unitate de volum (dacă... ...

De bază conceptul de chimie cinetica. Pentru reacții omogene simple ale lui S. x. R. măsurată prin modificarea numărului de moli de reacție în va (cu un volum constant al sistemului) sau prin modificarea concentrației oricăruia dintre inițiale în va sau produși de reacție (dacă volumul sistemului ...

Pentru reacții complexe formate din mai multe etape (reacții simple sau elementare), un mecanism este un set de etape, în urma cărora materiile prime sunt transformate în produse. Moleculele pot acționa ca intermediari în aceste reacții... ... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

- (ing. reacție de substituție nucleofilă) reacții de substituție în care atacul este efectuat de un reactiv nucleofil purtând o pereche de electroni singură. Gruparea care pleacă în reacțiile de substituție nucleofilă se numește nucleofuge. Totul... Wikipedia

Transformarea unor substanțe în altele, diferite de cele originale ca compoziție sau structură chimică. Numărul total de atomi ai fiecărui element dat, precum și elementele chimice în sine care alcătuiesc substanțele, rămân în R. x. neschimbat; acest R. x... Marea Enciclopedie Sovietică

viteza de desen- viteza liniară a mișcării metalului la ieșirea din matriță, m/s. La mașinile de desenat moderne, viteza de tragere ajunge la 50–80 m/s. Cu toate acestea, chiar și la tragerea de sârmă, viteza, de regulă, nu depășește 30-40 m/s. La…… Dicţionar enciclopedic de metalurgie

Subiecte ale codificatorului examenului unificat de stat:Reacția rapidă. Dependența sa de diverși factori.

Viteza unei reacții chimice arată cât de repede are loc o anumită reacție. Interacțiunea are loc atunci când particulele se ciocnesc în spațiu. În acest caz, reacția nu are loc la fiecare ciocnire, ci numai atunci când particula are energia corespunzătoare.

Reacția rapidă – numărul de ciocniri elementare ale particulelor care interacționează care se termină într-o transformare chimică pe unitatea de timp.

Determinarea vitezei unei reacții chimice este legată de condițiile în care se desfășoară. Dacă reacţia omogen– adică produsele și reactivii sunt în aceeași fază - atunci viteza unei reacții chimice este definită ca modificarea substanței pe unitatea de timp:

υ = ΔC / Δt.

Dacă reactanții sau produșii sunt în faze diferite, iar ciocnirea particulelor are loc numai la limita de fază, atunci reacția se numește eterogen, iar viteza sa este determinată de modificarea cantității de substanță pe unitatea de timp pe unitatea de suprafață de reacție:

υ = Δν / (S·Δt).

Cum să faci particulele să se ciocnească mai des, de ex. Cum crește viteza unei reacții chimice?

1. Cel mai simplu mod este să crești temperatura . După cum probabil știți din cursul dumneavoastră de fizică, temperatura este o măsură a energiei cinetice medii de mișcare a particulelor unei substanțe. Dacă creștem temperatura, atunci particulele oricărei substanțe încep să se miște mai repede și, prin urmare, se ciocnesc mai des.

Cu toate acestea, pe măsură ce temperatura crește, viteza reacțiilor chimice crește în principal datorită faptului că crește numărul de ciocniri efective. Pe măsură ce temperatura crește, numărul de particule active care pot depăși bariera energetică a reacției crește brusc. Dacă coborâm temperatura, particulele încep să se miște mai încet, numărul de particule active scade și numărul de ciocniri efective pe secundă scade. Prin urmare, Când temperatura crește, viteza unei reacții chimice crește, iar când temperatura scade, aceasta scade..

Notă! Această regulă funcționează la fel pentru toate reacțiile chimice (inclusiv exoterme și endoterme). Viteza de reacție este independentă de efectul termic. Viteza reacțiilor exoterme crește odată cu creșterea temperaturii și scade odată cu scăderea temperaturii. Viteza reacțiilor endoterme crește, de asemenea, odată cu creșterea temperaturii și scade odată cu scăderea temperaturii.

Mai mult, în secolul al XIX-lea, fizicianul olandez Van't Hoff a stabilit experimental că majoritatea reacțiilor își măresc viteza aproximativ în mod egal (de aproximativ 2-4 ori) atunci când temperatura crește cu 10 o C. Regula lui Van't Hoff sună așa: o creştere a temperaturii cu 10 o C duce la o creştere a vitezei unei reacţii chimice de 2-4 ori (această valoare se numeşte coeficientul de temperatură al vitezei unei reacţii chimice γ). Valoarea exactă a coeficientului de temperatură este determinată pentru fiecare reacție.

Aici v 2 - viteza de reacție la temperatura T 2, v 1 - viteza de reacție la temperatura T 1, γ — coeficientul de temperatură al vitezei de reacție, coeficientul Van't Hoff.

În unele situații, nu este întotdeauna posibilă creșterea vitezei de reacție folosind temperatura, deoarece unele substante se descompun la cresterea temperaturii, unele substante sau solventi se evapora la temperaturi ridicate etc., i.e. sunt încălcate condițiile procesului.

2. Concentrarea. De asemenea, puteți crește numărul de coliziuni efective prin schimbare concentraţie reactanţi . folosit de obicei pentru gaze si lichide, deoarece în gaze și lichide, particulele se mișcă rapid și se amestecă activ. Cu cât este mai mare concentrația de substanțe care reacţionează (lichide, gaze), cu atât este mai mare numărul de ciocniri efective și cu atât viteza reacției chimice este mai mare.

Pe baza unui număr mare de experimente din 1867 în lucrările oamenilor de știință norvegieni P. Guldenberg și P. Waage și, independent de aceștia, în 1865 de către omul de știință rus N.I. Beketov a derivat legea de bază a cineticii chimice, stabilind dependența vitezei unei reacții chimice de concentrația reactanților:

Viteza unei reacţii chimice este direct proporţională cu produsul concentraţiilor substanţelor care reacţionează în puteri egale cu coeficienţii acestora din ecuaţia reacţiei chimice.

Pentru o reacție chimică de forma: aA + bB = cC + dD legea acțiunii masei se scrie după cum urmează:

aici v este viteza reacției chimice,

C A Și C B — concentrațiile substanțelor A și respectiv B, mol/l

k – coeficient de proporționalitate, constantă a vitezei de reacție.

De exemplu, pentru reacția de formare a amoniacului:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

Legea acțiunii în masă arată astfel:

Constanta vitezei de reacție arată cu ce viteză vor reacționa substanțele dacă concentrația lor este de 1 mol/l sau produsul lor este egal cu 1. Constanta de viteză a unei reacții chimice depinde de temperatură și nu depinde de concentrația substanțelor care reacţionează.

Legea acțiunii masei nu ține cont de concentrațiile de solide, deoarece Ele reacţionează, de regulă, la suprafaţă, iar numărul de particule care reacţionează pe unitatea de suprafaţă nu se modifică.

În cele mai multe cazuri, o reacție chimică constă din mai mulți pași simpli, caz în care ecuația unei reacții chimice arată doar ecuația rezumată sau finală a proceselor care au loc. În acest caz, viteza unei reacții chimice depinde într-un mod complex (sau nu depinde) de concentrația de reactanți, intermediari sau catalizator, prin urmare forma exactă a ecuației cinetice este determinată experimental sau pe baza unei analize a mecanism de reacție propus. De obicei, viteza unei reacții chimice complexe este determinată de viteza celei mai lente etape a acesteia ( stadiu limitativ).

3. Presiune. Pentru gaze, concentrația depinde direct de presiune. Pe măsură ce presiunea crește, crește concentrația de gaze. Expresia matematică a acestei dependențe (pentru un gaz ideal) este ecuația Mendeleev-Clapeyron:

pV = νRT

Astfel, dacă printre reactanți există o substanță gazoasă, atunci când Pe măsură ce presiunea crește, viteza unei reacții chimice crește; pe măsură ce presiunea scade, aceasta scade. .

De exemplu. Cum se va schimba viteza de reacție a fuziunii varului cu oxidul de siliciu:

CaCO 3 + SiO 2 ↔ CaSiO 3 + CO 2

cand creste presiunea?

Răspunsul corect ar fi - deloc, pentru că... nu există gaze printre reactivi, iar carbonatul de calciu este o sare solidă, insolubilă în apă, oxidul de siliciu este un solid. Gazul produs va fi dioxid de carbon. Dar produsele nu afectează viteza reacției directe.

O altă modalitate de a crește viteza unei reacții chimice este direcționarea acesteia pe o cale diferită, înlocuind interacțiunea directă, de exemplu, a substanțelor A și B cu o serie de reacții secvențiale cu o a treia substanță K, care necesită mult mai puțină energie ( au o barieră energetică de activare mai mică) și apar în condiții date mai rapid decât reacția directă. Această a treia substanță se numește catalizator .

- Acest substanțe chimice, participând la o reacție chimică, schimbându-și viteza și direcția, dar neconsumabileîn timpul reacţiei (la sfârşitul reacţiei nu se modifică nici în cantitate, nici în compoziţie). Un mecanism aproximativ pentru funcționarea unui catalizator pentru o reacție de tip A + B poate fi ales după cum urmează:

A+K=AK

AK + B = AB + K

Se numește procesul de modificare a vitezei de reacție atunci când interacționează cu un catalizator cataliză. Catalizatorii sunt utilizați pe scară largă în industrie atunci când este necesar să se mărească viteza unei reacții sau să o direcționeze pe o anumită cale.

Pe baza stării de fază a catalizatorului, se disting cataliza omogenă și eterogenă.

Cataliza omogenă – atunci reactanții și catalizatorul sunt în aceeași fază (gaz, soluție). Catalizatorii omogene tipici sunt acizii și bazele. amine organice etc.

Cataliza eterogenă - atunci reactanții și catalizatorul sunt în faze diferite. De regulă, catalizatorii eterogene sunt substanțe solide. Deoarece interacțiunea în astfel de catalizatori are loc numai pe suprafața substanței; o cerință importantă pentru catalizatori este o suprafață mare. Catalizatorii eterogene se caracterizează prin porozitate ridicată, ceea ce mărește suprafața catalizatorului. Astfel, suprafața totală a unor catalizatori ajunge uneori la 500 de metri pătrați per 1 g de catalizator. Suprafața mare și porozitatea asigură o interacțiune eficientă cu reactivii. Catalizatorii eterogene includ metale, zeoliți - minerale cristaline din grupa aluminosilicaților (compuși ai siliciului și aluminiului) și altele.

Exemplu cataliză eterogenă - sinteza amoniacului:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

Fierul poros cu impurități de Al 2 O 3 și K 2 O este utilizat ca catalizator.

Catalizatorul în sine nu este consumat în timpul reacției chimice, dar alte substanțe se acumulează pe suprafața catalizatorului, legând centrii activi ai catalizatorului și blocând funcționarea acestuia ( otravuri catalitice). Acestea trebuie îndepărtate în mod regulat prin regenerarea catalizatorului.

În reacțiile biochimice, catalizatorii sunt foarte eficienți - enzime. Catalizatorii enzimatici acționează foarte eficient și selectiv, cu o selectivitate de 100%. Din păcate, enzimele sunt foarte sensibile la creșterea temperaturii, aciditatea mediului și alți factori, astfel încât există o serie de limitări pentru implementarea proceselor cu cataliză enzimatică la scară industrială.

Catalizatorii nu trebuie confundați cu iniţiatori proces și inhibitori. De exemplu, iradierea ultravioletă este necesară pentru a iniția reacția radicală de clorurare a metanului. Acesta nu este un catalizator. Unele reacții radicalice sunt inițiate de radicalii peroxid. De asemenea, aceștia nu sunt catalizatori.

Inhibitori- Acestea sunt substanțe care încetinesc o reacție chimică. Inhibitorii pot fi consumați și pot participa la o reacție chimică. În acest caz, inhibitorii nu sunt catalizatori, dimpotrivă. Cataliza inversă este imposibilă în principiu - reacția va încerca în orice caz să urmeze calea cea mai rapidă.

5. Zona de contact a substanțelor care reacţionează. Pentru reacțiile eterogene, o modalitate de a crește numărul de coliziuni efective este creșterea suprafata de reactie . Cu cât suprafața de contact a fazelor de reacție este mai mare, cu atât este mai mare viteza reacției chimice eterogene. Zincul sub formă de pulbere se dizolvă mult mai repede în acid decât zincul granular de aceeași masă.

În industrie, pentru a crește suprafața de contact a substanțelor care reacţionează, se folosesc metoda pat fluidizat. De exemplu, la producerea acidului sulfuric prin metoda magarului la fierbere, se ard pirite.

6. Natura reactanților . Viteza reacțiilor chimice, celelalte lucruri fiind egale, este influențată și de proprietățile chimice, adică. natura substanţelor care reacţionează. Substanțele mai puțin active vor avea o barieră de activare mai mare și reacționează mai lent decât substanțele mai active. Mai multe substanțe active au o energie de activare mai mică și intră în reacții chimice mult mai ușor și mai des.

La energii de activare scăzute (mai puțin de 40 kJ/mol), reacția are loc foarte rapid și ușor. O parte semnificativă a coliziunilor dintre particule se termină într-o transformare chimică. De exemplu, reacțiile de schimb ionic apar foarte repede în condiții normale.

La energii mari de activare (mai mult de 120 kJ/mol), doar un număr mic de ciocniri duc la o transformare chimică. Rata unor astfel de reacții este neglijabilă. De exemplu, azotul practic nu interacționează cu oxigenul în condiții normale.

La energii medii de activare (de la 40 la 120 kJ/mol), viteza de reacție va fi medie. Astfel de reacții apar și în condiții normale, dar nu foarte repede, astfel încât să poată fi observate cu ochiul liber. Astfel de reacții includ interacțiunea sodiului cu apa, interacțiunea fierului cu acidul clorhidric etc.

Substanțele care sunt stabile în condiții normale au de obicei energii de activare ridicate.