تاثیر حجم بر سرعت واکنش سرعت یک واکنش شیمیایی و عوامل موثر بر آن. اندازه گیری سرعت یک فرآیند

ما دائماً با فعل و انفعالات شیمیایی مختلفی روبرو هستیم. احتراق گاز طبیعی، زنگ زدن آهن، ترش شدن شیر - اینها همه فرآیندهایی نیستند که در یک دوره شیمی مدرسه به طور مفصل مورد مطالعه قرار می گیرند.

برخی از واکنش ها کسری از ثانیه طول می کشد تا رخ دهد، در حالی که برخی از واکنش ها روزها یا هفته ها طول می کشد.

بیایید سعی کنیم وابستگی سرعت واکنش به دما، غلظت و عوامل دیگر را شناسایی کنیم. استاندارد آموزشی جدید حداقل زمان تدریس را به این موضوع اختصاص داده است. تست های آزمون یکپارچه دولتی شامل وظایفی در مورد وابستگی سرعت واکنش به دما، غلظت و حتی مشکلات محاسباتی است. بسیاری از دانش آموزان دبیرستانی در یافتن پاسخ این سوالات با مشکلات خاصی مواجه می شوند، بنابراین ما این موضوع را به تفصیل تجزیه و تحلیل خواهیم کرد.

ارتباط موضوع مورد بررسی

اطلاعات در مورد سرعت واکنش اهمیت عملی و علمی مهمی دارد. به عنوان مثال، در تولید خاص مواد و محصولات، بهره وری تجهیزات و قیمت تمام شده کالا به طور مستقیم به این ارزش بستگی دارد.

طبقه بندی واکنش های در حال انجام

رابطه مستقیمی بین حالت تجمع اجزای اولیه و محصولات تشکیل شده در طی فعل و انفعالات ناهمگن وجود دارد.

در شیمی، سیستم معمولاً به معنای یک ماده یا ترکیبی از آنهاست.

سیستمی که از یک فاز (همان حالت تجمع) تشکیل شده باشد، همگن در نظر گرفته می شود. به عنوان مثال می توان به مخلوطی از گازها و چند مایع مختلف اشاره کرد.

سیستم ناهمگن سیستمی است که در آن مواد واکنش دهنده به صورت گازها و مایعات، جامدات و گازها هستند.

نه تنها نرخ واکنش به دما بستگی دارد، بلکه به فازی که در آن اجزای وارد شده به برهمکنش تحلیل شده استفاده می‌شوند نیز وجود دارد.

یک ترکیب همگن با فرآیندی که در کل حجم اتفاق می افتد مشخص می شود که به طور قابل توجهی کیفیت آن را بهبود می بخشد.

اگر مواد شروع کننده در حالت های فازی مختلف باشند، حداکثر برهمکنش در فصل مشترک فاز مشاهده می شود. به عنوان مثال، هنگامی که یک فلز فعال در اسید حل می شود، تشکیل یک محصول (نمک) تنها در سطح تماس آنها مشاهده می شود.

رابطه ریاضی بین سرعت فرآیند و عوامل مختلف

معادله وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما چگونه است؟ برای یک فرآیند همگن، سرعت با مقدار ماده ای که در طول واکنش در حجم سیستم در واحد زمان برهمکنش می کند یا تشکیل می شود، تعیین می شود.

برای یک فرآیند ناهمگن، نرخ بر حسب مقدار ماده واکنش دهنده یا تولید شده در فرآیند در واحد سطح در حداقل مدت زمان تعیین می شود.

عوامل موثر بر سرعت یک واکنش شیمیایی

ماهیت مواد واکنش دهنده یکی از دلایل نرخ متفاوت فرآیندها است. به عنوان مثال، فلزات قلیایی با آب در دمای اتاق، قلیایی تشکیل می دهند و این فرآیند با انتشار شدید گاز هیدروژن همراه است. فلزات نجیب (طلا، پلاتین، نقره) چه در دمای اتاق و چه در هنگام گرم شدن قادر به انجام چنین فرآیندهایی نیستند.

ماهیت واکنش دهنده ها عاملی است که در صنایع شیمیایی برای افزایش سودآوری تولید مورد توجه قرار می گیرد.

رابطه ای بین غلظت معرف ها و سرعت واکنش شیمیایی نشان داده شد. هرچه بالاتر باشد، ذرات بیشتری با هم برخورد می کنند، بنابراین، روند سریعتر پیش می رود.

قانون عمل جرم در شکل ریاضی رابطه ای مستقیم بین غلظت مواد اولیه و سرعت فرآیند را توصیف می کند.

این در اواسط قرن نوزدهم توسط شیمیدان روسی N.N. Beketov فرموله شد. برای هر فرآیند، یک ثابت واکنش تعیین می شود که به دما، غلظت یا ماهیت واکنش دهنده ها مربوط نمی شود.

برای تسریع واکنشی که در آن یک ماده جامد درگیر است، باید آن را به حالت پودر درآورید.

در این حالت سطح سطح افزایش می یابد که تأثیر مثبتی بر سرعت فرآیند دارد. برای سوخت دیزل، از یک سیستم تزریق ویژه استفاده می شود که به دلیل آن، هنگام تماس با هوا، سرعت احتراق مخلوط هیدروکربنی به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.

گرمایش

وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما توسط نظریه جنبشی مولکولی توضیح داده می شود. این به شما اجازه می دهد تا تعداد برخورد بین مولکول های معرف را در شرایط خاصی محاسبه کنید. اگر به چنین اطلاعاتی مجهز هستید، در شرایط عادی همه فرآیندها باید فوراً انجام شوند.

اما اگر مثال خاصی از وابستگی سرعت واکنش به دما را در نظر بگیریم، معلوم می شود که برای برهمکنش لازم است ابتدا پیوندهای شیمیایی بین اتم ها شکسته شود تا مواد جدیدی از آنها تشکیل شود. این امر مستلزم صرف انرژی قابل توجهی است. وابستگی سرعت واکنش به دما چیست؟ انرژی فعال‌سازی امکان پارگی مولکول‌ها را تعیین می‌کند؛ دقیقاً این انرژی است که واقعیت فرآیندها را مشخص می‌کند. واحدهای آن kJ/mol هستند.

اگر انرژی کافی نباشد، برخورد بی اثر خواهد بود، بنابراین با تشکیل یک مولکول جدید همراه نیست.

نمایش گرافیکی

وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما را می توان به صورت گرافیکی نشان داد. هنگامی که گرم می شود، تعداد برخورد بین ذرات افزایش می یابد، که برهمکنش را تسریع می کند.

نمودار سرعت واکنش در برابر دما چگونه است؟ انرژی مولکول ها به صورت افقی نمایش داده می شود و تعداد ذرات با ذخیره انرژی بالا به صورت عمودی نشان داده می شود. نمودار منحنی است که با آن می توان سرعت یک تعامل خاص را قضاوت کرد.

هرچه اختلاف انرژی نسبت به میانگین بیشتر باشد، نقطه منحنی از حداکثر فاصله بیشتری دارد و درصد کمتری از مولکول‌ها دارای چنین ذخیره انرژی هستند.

جنبه های مهم

آیا می توان معادله وابستگی ثابت سرعت واکنش به دما را نوشت؟ افزایش آن در افزایش سرعت فرآیند منعکس می شود. این وابستگی با مقدار معینی به نام ضریب دمایی نرخ فرآیند مشخص می شود.

برای هر تعامل، وابستگی ثابت سرعت واکنش به دما نشان داده شد. اگر 10 درجه افزایش یابد، سرعت فرآیند 2-4 برابر افزایش می یابد.

وابستگی سرعت واکنش های همگن به دما را می توان به شکل ریاضی نشان داد.

برای اکثر فعل و انفعالات در دمای اتاق، ضریب در محدوده 2 تا 4 است. به عنوان مثال، با ضریب دمایی 2.9، افزایش دمای 100 درجه سرعت فرآیند را تقریبا 50000 برابر می کند.

وابستگی سرعت واکنش به دما را می توان به راحتی با انرژی های فعال سازی مختلف توضیح داد. در طی فرآیندهای یونی که تنها با برهمکنش کاتیون ها و آنیون ها تعیین می شود، دارای حداقل مقدار است. آزمایش های متعدد نشان دهنده وقوع آنی چنین واکنش هایی است.

در انرژی فعال سازی بالا، تنها تعداد کمی از برخورد بین ذرات منجر به برهمکنش می شود. در یک انرژی فعال سازی متوسط، واکنش دهنده ها با سرعت متوسط ​​برهم کنش خواهند داشت.

وظایف مربوط به وابستگی سرعت واکنش به غلظت و دما فقط در سطوح ارشد آموزش در نظر گرفته می شود و اغلب مشکلات جدی برای کودکان ایجاد می کند.

اندازه گیری سرعت یک فرآیند

آن دسته از فرآیندهایی که به انرژی فعال سازی قابل توجهی نیاز دارند، شامل گسیختگی اولیه یا ضعیف شدن پیوندهای بین اتم ها در مواد اولیه است. در این حالت، آنها به یک حالت میانی خاص به نام مجتمع فعال منتقل می شوند. این یک حالت ناپایدار است، به سرعت به محصولات واکنش تجزیه می شود، این فرآیند با آزاد شدن انرژی اضافی همراه است.

در ساده ترین شکل آن، یک کمپلکس فعال شده، پیکربندی از اتم ها با پیوندهای قدیمی ضعیف شده است.

مهارکننده ها و کاتالیزورها

اجازه دهید وابستگی سرعت واکنش آنزیمی به دمای محیط را تجزیه و تحلیل کنیم. چنین موادی به عنوان تسریع کننده فرآیند عمل می کنند.

آنها خودشان در تعامل شرکت نمی کنند، تعداد آنها پس از تکمیل فرآیند بدون تغییر باقی می ماند. در حالی که کاتالیزورها به افزایش سرعت واکنش کمک می کنند، برعکس مهارکننده ها این فرآیند را کند می کنند.

ماهیت این امر در تشکیل ترکیبات میانی نهفته است که در نتیجه تغییر در سرعت فرآیند مشاهده می شود.

نتیجه

فعل و انفعالات شیمیایی مختلف در هر دقیقه در جهان رخ می دهد. چگونه می توان وابستگی سرعت واکنش به دما را تعیین کرد؟ معادله آرنیوس توضیحی ریاضی از رابطه بین ثابت سرعت و دما است. این ایده ای از مقادیر انرژی فعال سازی را ارائه می دهد که در آن تخریب یا تضعیف پیوندهای بین اتم ها در مولکول ها و توزیع ذرات به مواد شیمیایی جدید امکان پذیر است.

به لطف تئوری جنبشی مولکولی، می توان احتمال برهمکنش بین اجزای اولیه را پیش بینی کرد و سرعت فرآیند را محاسبه کرد. از جمله عواملی که بر سرعت واکنش تأثیر می گذارند، تغییرات دما، درصد غلظت مواد برهم کنش، سطح تماس، وجود کاتالیزور (بازدارنده) و همچنین ماهیت اجزای برهم کنش کننده از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

در زندگی با واکنش های شیمیایی مختلفی مواجه می شویم. برخی از آنها مانند زنگ زدن آهن می توانند چندین سال دوام بیاورند. برخی دیگر، مانند تخمیر شکر به الکل، چندین هفته طول می کشد. هیزم در اجاق گاز در چند ساعت می سوزد و بنزین در موتور در کسری از ثانیه می سوزد.

برای کاهش هزینه های تجهیزات، کارخانه های شیمیایی سرعت واکنش ها را افزایش می دهند. و برخی از فرآیندها، به عنوان مثال، فساد مواد غذایی و خوردگی فلز، باید کند شوند.

سرعت واکنش شیمیاییرا می توان به صورت بیان کرد تغییر در مقدار ماده (n، مدول) در واحد زمان (t) - مقایسه سرعت یک جسم متحرک در فیزیک به عنوان تغییر مختصات در واحد زمان: υ = Δx/Δt. به طوری که سرعت به حجم ظرفی که واکنش در آن انجام می شود بستگی ندارد، بیان را بر حجم مواد واکنش دهنده (v) تقسیم می کنیم، یعنی به دست می آوریم.تغییر در مقدار یک ماده در واحد زمان در واحد حجم، یا تغییر در غلظت یکی از مواد در واحد زمان:

که در آن c = n / v غلظت ماده است،

Δ (خوانده شده "دلتا") یک نام پذیرفته شده برای تغییر در مقدار است.

اگر مواد دارای ضرایب متفاوت در معادله باشند، سرعت واکنش برای هر یک از آنها که با استفاده از این فرمول محاسبه می شود متفاوت خواهد بود. به عنوان مثال، 2 مول دی اکسید گوگرد به طور کامل با 1 مول اکسیژن در 10 ثانیه در 1 لیتر واکنش نشان داد:

2SO2 + O2 = 2SO3

میزان اکسیژن به صورت زیر خواهد بود: υ = 1: (10 1) = 0.1 mol/l s

سرعت دی اکسید گوگرد: υ = 2: (10 1) = 0.2 mol/l s- این مورد نیازی به حفظ کردن و گفتن در حین امتحان ندارد، مثال زده می شود تا در صورت بروز این سوال دچار اشتباه نشوید.

سرعت واکنش های ناهمگن (شامل مواد جامد) اغلب در واحد سطح سطوح در تماس بیان می شود:

هنگامی که واکنش دهنده ها در فازهای مختلف باشند، واکنش ها ناهمگن نامیده می شوند:

• جامد با جامد، مایع یا گاز دیگری،
• دو مایع غیر قابل اختلاط
• مایع با گاز

واکنش های همگن بین مواد در یک فاز رخ می دهد:

• بین مایعات خوب مخلوط شده،
• گازها،
• مواد موجود در محلول ها

شرایط موثر بر سرعت واکنش های شیمیایی

1) سرعت واکنش بستگی دارد ماهیت واکنش دهنده ها. به بیان ساده، مواد مختلف با سرعت های متفاوت واکنش نشان می دهند. به عنوان مثال، روی به شدت با اسید هیدروکلریک واکنش نشان می دهد، در حالی که آهن نسبتا کند واکنش می دهد.

2) هر چه سرعت واکنش بیشتر باشد، سریعتر است تمرکزمواد روی با اسید بسیار رقیق واکنش بسیار طولانی تری نشان می دهد.

3) سرعت واکنش با افزایش به طور قابل توجهی افزایش می یابد درجه حرارت. به عنوان مثال، برای سوختن سوخت، باید آن را مشتعل کرد، یعنی دما را افزایش داد. برای بسیاری از واکنش ها، افزایش 10 درجه سانتی گراد در دما با افزایش 2 تا 4 برابری در سرعت همراه است.

4) سرعت ناهمگونواکنش ها با افزایش افزایش می یابد سطوح مواد واکنش دهنده. برای این منظور معمولاً جامدات آسیاب می شوند. به عنوان مثال، برای اینکه پودرهای آهن و گوگرد در هنگام حرارت دادن واکنش نشان دهند، آهن باید به صورت خاک اره ریز باشد.

لطفا توجه داشته باشید که در این مورد فرمول (1) ضمنی است! فرمول (2) سرعت در واحد سطح را بیان می کند، بنابراین نمی تواند به منطقه بستگی داشته باشد.

5) سرعت واکنش به وجود کاتالیزورها یا بازدارنده ها بستگی دارد.

کاتالیزورها- موادی که واکنش های شیمیایی را تسریع می کنند، اما مصرف نمی شوند. یک مثال تجزیه سریع پراکسید هیدروژن با افزودن یک کاتالیزور - اکسید منگنز (IV) است:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

اکسید منگنز (IV) در پایین باقی می ماند و می توان از آن دوباره استفاده کرد.

بازدارنده ها- موادی که واکنش را کند می کنند. به عنوان مثال، بازدارنده های خوردگی به سیستم گرمایش آب اضافه می شوند تا عمر لوله ها و باتری ها را افزایش دهند. در خودروها، بازدارنده های خوردگی به مایع ترمز و خنک کننده اضافه می شوند.

چند نمونه دیگر.

مفاهیم اصلی مورد مطالعه:

سرعت واکنش های شیمیایی

غلظت مولی

سینتیک

واکنش های همگن و ناهمگن

عوامل موثر بر سرعت واکنش های شیمیایی

کاتالیزور، بازدارنده

کاتالیزور

واکنش های برگشت پذیر و غیر قابل برگشت

تعادل شیمیایی

واکنش های شیمیایی واکنش هایی هستند که در نتیجه آنها مواد دیگری از یک ماده به دست می آیند (مواد جدید از مواد اولیه تشکیل می شوند). برخی از واکنش های شیمیایی در کسری از ثانیه رخ می دهند (انفجار)، در حالی که برخی دیگر دقیقه، روز، سال، دهه و غیره طول می کشد.

به عنوان مثال: واکنش احتراق باروت فوراً با اشتعال و انفجار رخ می دهد و واکنش تیره شدن نقره یا زنگ زدگی آهن (خوردگی) آنقدر آهسته رخ می دهد که نتیجه آن تنها پس از مدت طولانی قابل بررسی است.

برای توصیف سرعت یک واکنش شیمیایی، از مفهوم سرعت واکنش شیمیایی - υ استفاده می شود.

سرعت واکنش شیمیاییتغییر در غلظت یکی از واکنش دهنده های یک واکنش در واحد زمان است.

فرمول محاسبه سرعت یک واکنش شیمیایی:

c 1 – غلظت مولی ماده در زمان اولیه t 1

c 2 – غلظت مولی ماده در زمان اولیه t 2

از آنجایی که سرعت یک واکنش شیمیایی با تغییر در غلظت مولی واکنش دهنده ها (مواد شروع کننده) مشخص می شود، سپس t 2 > t 1 و c 2 > c 1 ( غلظت مواد شروع کننده با ادامه واکنش کاهش می یابد) .

غلظت مولی (ها)- مقدار ماده در واحد حجم است. واحد اندازه گیری غلظت مولی [mol/l] است.

شاخه ای از شیمی که سرعت واکنش های شیمیایی را مطالعه می کند سینتیک شیمیایی. با دانستن قوانین آن، فرد می تواند فرآیندهای شیمیایی را کنترل کرده و آنها را با سرعت خاصی تنظیم کند.

هنگام محاسبه سرعت یک واکنش شیمیایی، لازم است به یاد داشته باشید که واکنش ها به همگن و ناهمگن تقسیم می شوند.

واکنش های همگن- واکنش‌هایی که در یک محیط اتفاق می‌افتند (یعنی واکنش‌دهنده‌ها در یک حالت تجمع هستند. به عنوان مثال: گاز + گاز، مایع + مایع).

واکنش های ناهمگن- اینها واکنش هایی هستند که بین مواد در یک محیط ناهمگن رخ می دهند (یک رابط فاز وجود دارد، یعنی مواد واکنش دهنده در حالت های مختلف تجمع هستند. به عنوان مثال: گاز + مایع، مایع + جامد).

فرمول فوق برای محاسبه سرعت یک واکنش شیمیایی فقط برای واکنش های همگن معتبر است. اگر واکنش ناهمگن باشد، تنها در سطح واکنش دهنده ها می تواند رخ دهد.

برای یک واکنش ناهمگن، سرعت با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

∆ν – تغییر در مقدار ماده

S – ناحیه رابط

∆ t – دوره زمانی که واکنش در آن انجام شد

سرعت واکنش های شیمیایی به عوامل مختلفی بستگی دارد: ماهیت واکنش دهنده ها، غلظت مواد، دما، کاتالیزورها یا بازدارنده ها.

وابستگی سرعت واکنش به ماهیت مواد واکنش دهنده.

بیایید این وابستگی سرعت واکنش را تحلیل کنیم با استفاده از یک مثال: بیایید گرانول های فلزی با مساحت مساوی را در دو لوله آزمایش که حاوی همان مقدار محلول اسید کلریدریک (HCl) هستند بریزیم: یک گرانول آهن (Fe) در اولین لوله آزمایش و یک گرانول منیزیم (Mg) در لوله آزمایش دوم. در نتیجه مشاهدات، بر اساس سرعت آزادسازی هیدروژن (H2)، می توان اشاره کرد که منیزیم با اسید کلریدریک با بالاترین سرعت نسبت به آهن واکنش می دهد.. سرعت این واکنش شیمیایی تحت تأثیر ماهیت فلز است (یعنی منیزیم فلزی واکنش پذیرتر از آهن است و بنابراین شدیدتر با اسید واکنش می دهد).

وابستگی سرعت واکنش های شیمیایی به غلظت واکنش دهنده ها.

هر چه غلظت ماده واکنش دهنده (شروع کننده) بیشتر باشد، واکنش سریعتر پیش می رود. برعکس، هر چه غلظت واکنش دهنده کمتر باشد، واکنش کندتر است.

به عنوان مثال: محلول غلیظ اسید کلریدریک (HCl) را در یک لوله آزمایش و محلول رقیق اسید کلریدریک را در لوله آزمایش بریزید. بیایید یک گرانول روی (Zn) را در هر دو لوله آزمایش قرار دهیم. ما با سرعت تکامل هیدروژن مشاهده خواهیم کرد که واکنش در اولین لوله آزمایش سریعتر انجام می شود، زیرا غلظت اسید هیدروکلریک در آن بیشتر از لوله آزمایش دوم است.

برای تعیین وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی، استفاده کنید قانون عمل توده های (فعال) : سرعت یک واکنش شیمیایی با حاصلضرب غلظت مواد واکنش دهنده نسبت مستقیم دارد، در توان هایی که برابر با ضرایب آنها است.

به عنوان مثال، برای واکنشی که طبق طرح پیش می رود: nA + mB → D, سرعت یک واکنش شیمیایی با فرمول تعیین می شود:

υ h.r. = k · C (A) n · C (B) m , جایی که

υ x.r - سرعت واکنش شیمیایی

ج (الف) - آ

C (B) - غلظت مولی یک مادهکه در

n و m - ضرایب آنها

k – ثابت سرعت یک واکنش شیمیایی (مقدار مرجع).

قانون عمل جرم در مورد مواد در حالت جامد صدق نمی کند، زیرا غلظت آنها ثابت است (به دلیل این واقعیت است که آنها فقط روی سطح واکنش نشان می دهند، که بدون تغییر باقی می ماند).

به عنوان مثال: برای واکنش 2 Cu + O 2 = 2 CuO سرعت واکنش با فرمول تعیین می شود:

υ h.r. = k C(O 2)

مشکل: ثابت سرعت برای واکنش 2A + B = D 0.005 است. سرعت واکنش را در غلظت مولی ماده A = 0.6 mol/l، ماده B = 0.8 mol/l محاسبه کنید.

وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما.

این وابستگی مشخص می شود قانون وانت هاف (1884): با هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دما، سرعت یک واکنش شیمیایی به طور متوسط ​​2 تا 4 برابر افزایش می یابد.

بنابراین، برهمکنش هیدروژن (H2) و اکسیژن (O2) در دمای اتاق تقریباً رخ نمی دهد، سرعت این واکنش شیمیایی بسیار کم است. اما در دمای 500 درجه سانتیگراد این واکنش در 50 دقیقه و در دمای 700 درجه سانتیگراد تقریباً بلافاصله رخ می دهد.

فرمول محاسبه سرعت یک واکنش شیمیایی بر اساس قانون وانت هاف:

که در آن: υ t 1 و υ t 2 - نرخ واکنش های شیمیایی در t 2 و t 1

γ ضریب دما است که نشان می دهد با افزایش دما به میزان 10 درجه سانتیگراد چند برابر سرعت واکنش افزایش می یابد.

تغییر سرعت واکنش:

2. داده های بیانیه مشکل را با فرمول جایگزین کنید:

وابستگی سرعت واکنش به مواد خاص - کاتالیزورها و بازدارنده ها.

کاتالیزور- ماده ای که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می دهد، اما خود در آن شرکت نمی کند.

بازدارنده- ماده ای که واکنش شیمیایی را کند می کند، اما خود در آن شرکت نمی کند.

به عنوان مثال: در یک لوله آزمایش با محلول 3٪ پراکسید هیدروژن (H 2 O 2) که گرم شده است، یک خرده در حال سوختن اضافه کنید - روشن نمی شود، زیرا سرعت واکنش تجزیه پراکسید هیدروژن به آب (H2O) و اکسیژن (O2) بسیار کم است و اکسیژن حاصل برای انجام یک واکنش با کیفیت بالا به اکسیژن (احتراق پایدار) کافی نیست. حالا بیایید کمی پودر سیاه اکسید منگنز (IV) (MnO 2) را به لوله آزمایش اضافه کنیم و ببینیم که آزاد شدن سریع حباب‌های گاز (اکسیژن) آغاز شده است و شکاف در حال سوختن وارد شده به لوله آزمایش به خوبی شعله ور می‌شود. MnO 2 کاتالیزور این واکنش است؛ سرعت واکنش را تسریع کرد، اما خود در آن شرکت نکرد (این را می توان با وزن کردن کاتالیزور قبل و بعد از واکنش ثابت کرد - جرم آن تغییر نمی کند).

هدف کار:مطالعه سرعت یک واکنش شیمیایی و وابستگی آن به عوامل مختلف: ماهیت واکنش دهنده ها، غلظت، دما.

واکنش های شیمیایی با سرعت های مختلف رخ می دهد. سرعت واکنش شیمیاییتغییر غلظت یک واکنش دهنده در واحد زمان نامیده می شود. برابر است با تعداد رویدادهای برهمکنش در واحد زمان در واحد حجم برای واکنشی که در یک سیستم همگن (برای واکنش‌های همگن) رخ می‌دهد، یا در واحد سطح واسط برای واکنش‌هایی که در یک سیستم ناهمگن (برای واکنش‌های ناهمگن) رخ می‌دهد.

میانگین سرعت واکنش v میانگین. در فاصله زمانی از t 1قبل از t 2با رابطه تعیین می شود:

جایی که ج 1و ج 2- غلظت مولی هر شرکت کننده در واکنش در نقاط زمانی t 1و t 2به ترتیب.

علامت "-" قبل از کسر به غلظت مواد اولیه، Δ اشاره دارد با < 0, знак “+” – к концентрации продуктов реакции, Δبا > 0.

عوامل اصلی مؤثر بر سرعت یک واکنش شیمیایی: ماهیت واکنش دهنده ها، غلظت آنها، فشار (اگر گازها در واکنش دخیل باشند)، دما، کاتالیزور، سطح رابط برای واکنش های ناهمگن.

بیشتر واکنش های شیمیایی فرآیندهای پیچیده ای هستند که در چند مرحله رخ می دهند، به عنوان مثال. متشکل از چندین فرآیند ابتدایی واکنش های ابتدایی یا ساده واکنش هایی هستند که در یک مرحله رخ می دهند.

برای واکنش های ابتدایی، وابستگی سرعت واکنش به غلظت با قانون عمل جرم بیان می شود.

در دمای ثابت، سرعت یک واکنش شیمیایی به طور مستقیم با حاصلضرب غلظت مواد واکنش دهنده، در توان هایی برابر با ضرایب استوکیومتری، متناسب است.

برای واکنش به شکل کلی

a A + b B… → c C,

طبق قانون عمل توده ای vبا نسبت بیان می شود

v = К∙с(А) а ∙ с(В) ب,

جایی که ج (الف)و s(B)- غلظت مولی واکنش دهنده های A و B.

به- ثابت سرعت این واکنش، برابر است v، اگر ج (الف) الف=1 و ج (ب) ب= 1، و بسته به ماهیت واکنش دهنده ها، دما، کاتالیزور و سطح رابط برای واکنش های ناهمگن است.

بیان سرعت واکنش به عنوان تابعی از غلظت، معادله جنبشی نامیده می شود.

در مورد واکنش های پیچیده، قانون کنش جرم برای هر مرحله منفرد اعمال می شود.

برای واکنش های ناهمگن، معادله جنبشی فقط شامل غلظت مواد گازی و محلول می شود. بله برای سوزاندن زغال سنگ

C (k) + O 2 (g) → CO 2 (g)

معادله سرعت شکل دارد

v = K∙s (O 2)

چند کلمه در مورد مولکولی و ترتیب جنبشی واکنش.

مفهوم مولکولی واکنشفقط برای واکنش های ساده اعمال می شود. مولکولی بودن یک واکنش تعداد ذرات شرکت کننده در یک برهمکنش اولیه را مشخص می کند.

واکنش های تک، دو و سه مولکولی وجود دارد که به ترتیب یک، دو و سه ذره در آن شرکت می کنند. احتمال برخورد سه ذره به طور همزمان کم است. فرآیند اولیه برهمکنش بیش از سه ذره ناشناخته است. نمونه هایی از واکنش های ابتدایی:

N 2 O 5 → NO + NO + O 2 (تک مولکولی)

H 2 + I 2 → 2HI (دو مولکولی)

2NO + Cl 2 → 2NOCl (سه مولکولی)

مولکولی بودن واکنش های ساده با نظم جنبشی کلی واکنش منطبق است. ترتیب واکنش ماهیت وابستگی سرعت به غلظت را تعیین می کند.

نظم جنبشی کلی (کل) یک واکنش مجموع توانها در غلظت واکنش دهنده ها در معادله سرعت واکنش است که به صورت تجربی تعیین می شود.

با افزایش دما، سرعت اکثر واکنش های شیمیایی افزایش می یابد. وابستگی سرعت واکنش به دما تقریباً توسط قانون Van't Hoff تعیین می شود.

به ازای هر 10 درجه افزایش دما، سرعت اکثر واکنش ها 2 تا 4 برابر افزایش می یابد.

سرعت واکنش به ترتیب در کجا و در دما است t 2و t 1 (t 2 > t 1);

γ ضریب دمایی سرعت واکنش است، این عددی است که نشان می دهد با افزایش 10 درجه حرارت، سرعت یک واکنش شیمیایی چند برابر افزایش می یابد.

با استفاده از قانون وانت هاف، تنها تخمین تقریبی اثر دما بر سرعت واکنش ممکن است. توصیف دقیق تری از وابستگی سرعت واکنش دما در چارچوب تئوری فعال سازی آرنیوس امکان پذیر است.

یکی از روش های تسریع یک واکنش شیمیایی، کاتالیز است که با استفاده از مواد (کاتالیزور) انجام می شود.

کاتالیزورها- اینها موادی هستند که به دلیل مشارکت مکرر در فعل و انفعالات شیمیایی میانی با معرف های واکنش، سرعت یک واکنش شیمیایی را تغییر می دهند، اما پس از هر چرخه برهمکنش میانی، ترکیب شیمیایی خود را بازیابی می کنند.

مکانیسم عمل کاتالیزور به کاهش انرژی فعال سازی واکنش کاهش می یابد، یعنی. کاهش اختلاف بین انرژی متوسط ​​مولکول های فعال (کمپلکس فعال) و میانگین انرژی مولکول های مواد اولیه. سرعت واکنش شیمیایی افزایش می یابد.

آگاهی از سرعت واکنش های شیمیایی از اهمیت نظری و عملی بالایی برخوردار است. به عنوان مثال، در صنایع شیمیایی، در طول تولید یک ماده، اندازه و بهره وری تجهیزات و مقدار محصول به دست آمده به سرعت واکنش بستگی دارد.

واکنش های شیمیایی مختلف سرعت های متفاوتی دارند. برخی از واکنش ها در کسری از ثانیه رخ می دهند، در حالی که برخی دیگر ماه ها یا حتی سال ها طول می کشد تا کامل شوند. بررسی سرعت واکنش های شیمیایی سینتیک شیمیایی.

مفاهیم اساسی که سینتیک شیمیایی با آن عمل می کند، شیمیایی است سیستمو فاز:

• سیستم شیمیایی- ماده (مجموعه ای از مواد)؛
• فاز شیمیایی- بخشی از یک سیستم جدا از سایر بخش ها رابط.

سیستم های متشکل از یک فاز نامیده می شوند همگنیا همگنبه عنوان مثال، مخلوط یا محلول های گازی. واکنش هایی که در سیستم های همگن رخ می دهند نامیده می شوند واکنش های همگن، چنین واکنش هایی در کل حجم مخلوط رخ می دهد.

سیستم های متشکل از چند فاز نامیده می شوند ناهمگونیا ناهمگونمثلا مایع + جامد. واکنش هایی که در سیستم های ناهمگن رخ می دهند نامیده می شوند واکنش های ناهمگن، چنین واکنش هایی فقط در رابط رخ می دهد.

سرعت واکنش همگن

سرعت یک واکنش همگن مقدار ماده (ν) است که در نتیجه یک واکنش در واحد زمان (t) در واحد حجم سیستم (V) تشکیل می شود:

• ν 1 - تعداد مول های ماده در زمان t 1.
• ν 2 - تعداد مول های ماده در زمان t 2 .

غلظت مول-حجمیماده (C، mol/l) - نسبت تعداد مول های یک ماده (ν) به کل حجم مخلوط واکنش (V): С=ν/V.

سرعت یک واکنش همگن برابر است با تغییر غلظت واکنش دهنده در واحد زمان.

در صورتی که ما در مورد غلظت یکی از محصولات واکنش صحبت می کنیم، علامت "بعلاوه" در عبارت قرار می گیرد، اگر در مورد غلظت یکی از مواد اصلی صحبت می کنیم، علامت "منهای" در آن قرار داده می شود. بیان

سرعت واکنش ناهمگن

همانطور که در بالا ذکر شد، تفاوت اصلی بین واکنش های ناهمگن و واکنش های همگن این است که واکنش در مرز فاز رخ می دهد.

سرعت یک واکنش ناهمگن (v het) مقدار ماده (ν) تشکیل شده در واحد زمان (t) در واحد سطح مشترک (S) است.

عوامل اصلی موثر بر سرعت واکنش ها:

• ماهیت مواد واکنش دهنده؛
• تمرکز؛
• درجه حرارت؛
• کاتالیزورها؛
• اندازه ذرات معرف؛
• فشار.

دو نکته آخر مربوط به واکنش های ناهمگن است.

ماهیت واکنش دهنده ها

شرط لازم برای برهمکنش شیمیایی بین مولکول های مواد، برخورد آنها با یکدیگر در قسمت "راست" مولکول است. منطقه ای با واکنش پذیری بالا. مانند بوکس: اگر ضربه بوکسور به دستکش حریف برخورد کند، هیچ واکنشی نشان نخواهد داد. اما اگر ضربه روی سر حریف فرود آید، احتمال ناک اوت (واکنش) به طور قابل توجهی افزایش می یابد. و اگر نیروی ضربه (نیروی برخورد مولکولها) زیاد باشد، ناک اوت (واکنش) اجتناب ناپذیر می شود.

با توجه به موارد فوق، می توان نتیجه گرفت که هر چه مولکول پیچیده تر باشد، ناحیه بسیار واکنش پذیر آن کوچکتر است. بنابراین، هر چه مولکول‌های مواد واکنش‌دهنده بزرگ‌تر و پیچیده‌تر باشند، سرعت واکنش کندتر است.

غلظت معرف

سرعت واکنش با تعداد برخورد مولکول ها نسبت مستقیم دارد. هر چه غلظت معرف ها بیشتر باشد، هرچه برخورد بیشتر باشد، سرعت واکنش شیمیایی بیشتر می شود. به عنوان مثال، احتراق در اکسیژن خالص بسیار سریعتر از هوای معمولی اتفاق می افتد.

با این حال، باید گفت که در واکنش های پیچیده ای که در چند مرحله رخ می دهد. چنین وابستگی رعایت نمی شود. این به شما امکان می‌دهد تعیین کنید کدام یک از معرف‌ها در کندترین مرحله واکنش دخالت ندارند، که خود سرعت واکنش را تعیین می‌کند.

وابستگی سرعت واکنش به غلظت واکنش دهنده ها بیان می شود قانون عمل توده ای، که در سال 1867 توسط دانشمندان نروژی گلدبرگ و واگ کشف شد.

سرعت (v) واکنش شرطی توصیف شده توسط معادله aA+bB=cC+dD، مطابق با قانون عمل جرم، با استفاده از فرمولی به نام محاسبه خواهد شد معادله واکنش جنبشی:

V=k·[A] a ·[B] b

• [A]، [B] - غلظت مواد اولیه؛
• k ثابت سرعت واکنش، برابر با سرعت این واکنش در غلظت‌های واکنش‌دهنده برابر با 1 مول است.

کبه غلظت مواد واکنش دهنده بستگی ندارد، بلکه به ماهیت و دمای آنها بستگی دارد.

با استفاده از معادله جنبشی یک واکنش، می توانید سرعت تغییر واکنش را بسته به تغییر غلظت واکنش دهنده ها تعیین کنید.

نمونه هایی از معادلات جنبشی:

2SO 2 (g)+O 2 (g) = 2SO 3 (g) v=k 2 CuO(s)+H2 (g)=Cu(s)+H2O(g) v=k

توجه داشته باشید که معادلات جنبشی شامل غلظت جامدات نمی شود، فقط شامل گاز و محلول می شود.

دمای معرف

با افزایش دما، مولکول ها سریعتر حرکت می کنند، بنابراین تعداد برخورد آنها با یکدیگر افزایش می یابد. علاوه بر این، انرژی جنبشی مولکول ها افزایش می یابد که باعث افزایش راندمان برخوردها می شود که در نهایت سرعت واکنش را تعیین می کند.

مطابق با نظریه فعال سازی، فقط مولکول هایی با انرژی که از مقدار متوسط ​​معینی بیشتر است می توانند در یک واکنش شیمیایی شرکت کنند. مقدار مازاد انرژی متوسط ​​مولکول ها نامیده می شود انرژی های فعال سازی. این انرژی برای تضعیف پیوندهای شیمیایی در مولکول های مواد اولیه ضروری است. مولکول هایی که دارای انرژی اضافی لازم برای واکنش هستند نامیده می شوند مولکول های فعال. هر چه دما بیشتر باشد، مولکول های فعال تر، سرعت واکنش بالاتر است.

وابستگی سرعت واکنش به دما مشخص می شود قانون وانت هاف:

از نظر ریاضی، قانون وانت هاف با فرمول زیر بیان می شود:

• γ ضریب دمایی است که نشان دهنده افزایش سرعت واکنش با افزایش دما به میزان 10 درجه سانتیگراد است.
• v 1 - سرعت واکنش در دمای t 1.
• v 2 - سرعت واکنش در دمای t 2 ;

کاتالیزورها

کاتالیزورها- اینها موادی هستند که بر سرعت واکنش تأثیر می گذارند، اما خودشان مصرف نمی شوند.

واکنش هایی که با مشارکت کاتالیزورها اتفاق می افتد نامیده می شوند واکنش های کاتالیزوری.

اثر اصلی کاتالیزور کاهش انرژی فعال سازی واکنش است، در نتیجه تعداد برخورد موثر مولکول ها افزایش می یابد.

کاتالیزورها می توانند میلیون ها بار واکنش ها را تسریع کنند!

دو نوع کاتالیز وجود دارد:

• کاتالیز همگن (یکنواخت).- کاتالیزور و معرف ها یک فاز را تشکیل می دهند: گاز یا محلول.
• کاتالیز ناهمگن (ناهمگن).- کاتالیزور به صورت فاز مستقل است.

مکانیسم واکنش های کاتالیزوری بسیار پیچیده و کاملاً ناشناخته است. بر اساس یک فرضیه علمی، در واکنش‌های کاتالیزوری، یک کاتالیزور و یک معرف واکنش می‌دهند تا یک ترکیب میانی ایجاد کنند، که با ماده اولیه دیگری واکنش بسیار فعال‌تری می‌دهد تا محصول واکنش نهایی را تشکیل دهد، در حالی که خود کاتالیزور در حالت آزاد آزاد می‌شود.

به طور معمول، کاتالیزورها به عنوان موادی شناخته می شوند که یک واکنش را تسریع می کنند، اما موادی وجود دارند که روند واکنش را کاهش می دهند - آنها نامیده می شوند. مهار کننده ها.

کاتالیزورهای بیولوژیکی نامیده می شوند آنزیم ها. آنزیم ها پروتئین هستند.

اندازه ذرات معرف

بیایید یک کبریت برداریم و آن را به یک تکه زغال بیاوریم. بعید است که زغال سنگ قبل از خاموش شدن مسابقه زمان آتش زدن داشته باشد. بیایید زغال سنگ را آسیاب کرده و آزمایش را تکرار کنیم - گرد و غبار زغال سنگ نه تنها مشتعل می شود، بلکه خیلی سریع مشتعل می شود - یک انفجار رخ می دهد (خطر اصلی در معادن زغال سنگ). چه خبر است؟

با آسیاب زغال سنگ سطح آن را به طرز چشمگیری افزایش خواهیم داد. هر چه سطح برخورد مولکول ها بزرگتر باشد، سرعت واکنش سریعتر است.

فشار معرف

فشار معرف های گازی مشابه غلظت آنها است - هر چه فشار بیشتر باشد غلظت آن بیشتر است - سرعت واکنش بیشتر است، زیرا تعداد برخوردهای مولکولی افزایش می یابد. مانند غلظت، فشار واکنش دهنده ها در واکنش های پیچیده "کار" نمی کند.