Effetto del volume sulla velocità di reazione. La velocità di una reazione chimica e i fattori che la influenzano. Misurare la velocità di un processo

Siamo costantemente di fronte a varie interazioni chimiche. La combustione del gas naturale, l'arrugginimento del ferro, l'inacidimento del latte: questi non sono tutti i processi studiati in dettaglio in un corso di chimica scolastica.

Alcune reazioni richiedono frazioni di secondi per verificarsi, mentre alcune interazioni richiedono giorni o settimane.

Proviamo a identificare la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura, dalla concentrazione e da altri fattori. Il nuovo standard educativo assegna una quantità minima di ore di insegnamento a questo tema. I test dell'Esame di Stato Unificato includono compiti sulla dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura, dalla concentrazione e offrono anche problemi di calcolo. Molti studenti delle scuole superiori incontrano alcune difficoltà nel trovare risposte a queste domande, quindi analizzeremo questo argomento in dettaglio.

Rilevanza della questione in esame

Le informazioni sulla velocità di reazione hanno un importante significato pratico e scientifico. Ad esempio, nella produzione specifica di sostanze e prodotti, la produttività delle attrezzature e il costo delle merci dipendono direttamente da questo valore.

Classificazione delle reazioni in corso

Esiste una relazione diretta tra lo stato di aggregazione dei componenti iniziali e i prodotti formati durante interazioni eterogenee.

In chimica, per sistema si intende solitamente una sostanza o una combinazione di esse.

Un sistema costituito da una fase (lo stesso stato di aggregazione) è considerato omogeneo. Ad esempio, possiamo citare una miscela di gas e diversi liquidi.

Un sistema eterogeneo è un sistema in cui le sostanze reagenti si presentano sotto forma di gas e liquidi, solidi e gas.

La dipendenza della velocità di reazione non è solo dalla temperatura, ma anche dalla fase in cui vengono utilizzati i componenti che entrano nell'interazione analizzata.

Una composizione omogenea è caratterizzata dal processo che avviene in tutto il volume, che ne migliora significativamente la qualità.

Se le sostanze di partenza si trovano in stati di fase diversi, si osserva l'interazione massima all'interfaccia di fase. Ad esempio, quando un metallo attivo viene sciolto in un acido, la formazione di un prodotto (sale) si osserva solo sulla superficie del loro contatto.

Relazione matematica tra velocità del processo e vari fattori

Come appare l'equazione per la dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla temperatura? Per un processo omogeneo, la velocità è determinata dalla quantità di sostanza che interagisce o si forma durante la reazione nel volume del sistema per unità di tempo.

Per un processo eterogeneo, la velocità è determinata in termini di quantità di sostanza che reagisce o viene prodotta nel processo per unità di area in un periodo minimo di tempo.

Fattori che influenzano la velocità di una reazione chimica

La natura delle sostanze reagenti è una delle ragioni delle diverse velocità dei processi. Ad esempio, i metalli alcalini formano alcali con acqua a temperatura ambiente e il processo è accompagnato da un intenso rilascio di gas idrogeno. I metalli nobili (oro, platino, argento) non sono in grado di eseguire tali processi né a temperatura ambiente né se riscaldati.

La natura dei reagenti è un fattore di cui si tiene conto nell'industria chimica per aumentare la redditività della produzione.

È stata rivelata una relazione tra la concentrazione dei reagenti e la velocità della reazione chimica. Più è alto, più particelle si scontreranno, quindi il processo procederà più velocemente.

La legge dell'azione di massa in forma matematica descrive una relazione direttamente proporzionale tra la concentrazione delle sostanze di partenza e la velocità del processo.

Fu formulato a metà del diciannovesimo secolo dal chimico russo N. N. Beketov. Per ogni processo viene determinata una costante di reazione, che non è correlata alla temperatura, alla concentrazione o alla natura dei reagenti.

Per accelerare la reazione in cui è coinvolta una sostanza solida, è necessario macinarla allo stato di polvere.

In questo caso aumenta la superficie, il che ha un effetto positivo sulla velocità del processo. Per il gasolio viene utilizzato uno speciale sistema di iniezione, grazie al quale, a contatto con l'aria, la velocità di combustione della miscela di idrocarburi aumenta in modo significativo.

Riscaldamento

La dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla temperatura è spiegata dalla teoria cinetica molecolare. Permette di calcolare il numero di collisioni tra le molecole dei reagenti in determinate condizioni. Se sei armato di tali informazioni, in condizioni normali tutti i processi dovrebbero procedere immediatamente.

Ma se consideriamo un esempio specifico della dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura, si scopre che per l'interazione è necessario prima rompere i legami chimici tra gli atomi in modo che da essi si formino nuove sostanze. Ciò richiede un dispendio energetico significativo. Qual è la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura? L'energia di attivazione determina la possibilità di rottura delle molecole; è proprio questa energia che caratterizza la realtà dei processi. Le sue unità sono kJ/mol.

Se l'energia è insufficiente, l'urto sarà inefficace, quindi non sarà accompagnato dalla formazione di una nuova molecola.

Rappresentazione grafica

La dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla temperatura può essere rappresentata graficamente. Quando riscaldato, aumenta il numero di collisioni tra le particelle, il che accelera l'interazione.

Che aspetto ha un grafico della velocità di reazione rispetto alla temperatura? L'energia delle molecole è visualizzata orizzontalmente, mentre il numero di particelle con un'elevata riserva energetica è indicato verticalmente. Un grafico è una curva in base alla quale si può giudicare la velocità di una particolare interazione.

Maggiore è la differenza di energia dalla media, più lontano è il punto della curva dal massimo e minore è la percentuale di molecole che possiedono tale riserva di energia.

Aspetti importanti

È possibile scrivere l'equazione per la dipendenza della costante di velocità di reazione dalla temperatura? Il suo aumento si riflette in un aumento della velocità del processo. Questa dipendenza è caratterizzata da un certo valore chiamato coefficiente di temperatura della velocità del processo.

Per ogni interazione è stata rivelata la dipendenza della costante di velocità di reazione dalla temperatura. Se aumenta di 10 gradi, la velocità del processo aumenta di 2-4 volte.

La dipendenza della velocità delle reazioni omogenee dalla temperatura può essere rappresentata in forma matematica.

Per la maggior parte delle interazioni a temperatura ambiente, il coefficiente è compreso tra 2 e 4. Ad esempio, con un coefficiente di temperatura di 2,9, un aumento della temperatura di 100 gradi accelera il processo di quasi 50.000 volte.

La dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura può essere facilmente spiegata dalle diverse energie di attivazione. Ha un valore minimo durante i processi ionici, che sono determinati solo dall'interazione di cationi e anioni. Numerosi esperimenti indicano il verificarsi istantaneo di tali reazioni.

Ad un'elevata energia di attivazione, solo un piccolo numero di collisioni tra particelle porterà all'interazione. Ad un'energia di attivazione media, i reagenti interagiranno ad una velocità media.

I compiti sulla dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione e dalla temperatura sono considerati solo a livello di istruzione senior e spesso causano gravi difficoltà ai bambini.

Misurare la velocità di un processo

Quei processi che richiedono una significativa energia di attivazione comportano una rottura iniziale o un indebolimento dei legami tra gli atomi nelle sostanze di partenza. In questo caso, passano ad un certo stato intermedio chiamato complesso attivato. È uno stato instabile, si decompone abbastanza rapidamente in prodotti di reazione, il processo è accompagnato dal rilascio di energia aggiuntiva.

Nella sua forma più semplice, un complesso attivato è una configurazione di atomi con vecchi legami indeboliti.

Inibitori e catalizzatori

Analizziamo la dipendenza della velocità della reazione enzimatica dalla temperatura del mezzo. Tali sostanze funzionano come acceleratori di processo.

Loro stessi non partecipano all'interazione; il loro numero rimane invariato una volta completato il processo. Mentre i catalizzatori contribuiscono ad aumentare la velocità di reazione, gli inibitori, al contrario, rallentano questo processo.

L'essenza di ciò sta nella formazione di composti intermedi, a seguito dei quali si osserva un cambiamento nella velocità del processo.

Conclusione

Ogni minuto nel mondo si verificano varie interazioni chimiche. Come stabilire la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura? L'equazione di Arrhenius è una spiegazione matematica della relazione tra la costante di velocità e la temperatura. Dà un'idea di quei valori di energia di attivazione ai quali è possibile la distruzione o l'indebolimento dei legami tra gli atomi nelle molecole e la distribuzione delle particelle in nuove sostanze chimiche.

Grazie alla teoria cinetica molecolare è possibile prevedere la probabilità di interazioni tra i componenti iniziali e calcolare la velocità del processo. Tra i fattori che influenzano la velocità di reazione, di particolare importanza sono i cambiamenti di temperatura, la concentrazione percentuale di sostanze interagenti, l'area superficiale di contatto, la presenza di un catalizzatore (inibitore), nonché la natura dei componenti interagenti.

Nella vita incontriamo diverse reazioni chimiche. Alcuni di essi, come la ruggine del ferro, possono durare diversi anni. Altri, come la fermentazione dello zucchero in alcol, richiedono diverse settimane. La legna da ardere in una stufa brucia in un paio d'ore e la benzina in un motore brucia in una frazione di secondo.

Per ridurre i costi delle attrezzature, gli impianti chimici aumentano la velocità delle reazioni. E alcuni processi, ad esempio il deterioramento degli alimenti e la corrosione dei metalli, devono essere rallentati.

Velocità di reazione chimica può essere espresso come variazione della quantità di materia (n, modulo) per unità di tempo (t) - confronta la velocità di un corpo in movimento in fisica come variazione delle coordinate per unità di tempo: υ = Δx/Δt. Affinché la velocità non dipenda dal volume del recipiente in cui avviene la reazione, dividiamo l'espressione per il volume delle sostanze reagenti (v), ad es. otteniamo variazione della quantità di una sostanza per unità di tempo per unità di volume, o variazione della concentrazione di una delle sostanze nell'unità di tempo:

dove c = n/v è la concentrazione della sostanza,

Δ (leggi "delta") è una designazione generalmente accettata per una variazione di valore.

Se le sostanze hanno coefficienti diversi nell'equazione, la velocità di reazione per ciascuna di esse calcolata utilizzando questa formula sarà diversa. Ad esempio, 2 moli di anidride solforosa reagiscono completamente con 1 mole di ossigeno in 10 secondi in 1 litro:

2SO2 + O2 = 2SO3

Il tasso di ossigeno sarà: υ = 1: (10 1) = 0,1 mol/l·s

Velocità per l'anidride solforosa: υ = 2: (10 1) = 0,2 mol/l·s- non è necessario memorizzarlo e dirlo durante l'esame, l'esempio è fornito per non confondersi se si pone questa domanda.

La velocità delle reazioni eterogenee (che coinvolgono i solidi) è spesso espressa per unità di superficie delle superfici a contatto:

Le reazioni si dicono eterogenee quando i reagenti si trovano in fasi diverse:

• un solido con un altro solido, liquido o gas,
• due liquidi immiscibili
• liquido con gas.

Reazioni omogenee si verificano tra le sostanze in una fase:

• tra liquidi ben miscelati,
• gas,
• sostanze in soluzioni.

Condizioni che influenzano la velocità delle reazioni chimiche

1) La velocità di reazione dipende da natura dei reagenti. In poche parole, sostanze diverse reagiscono a velocità diverse. Ad esempio, lo zinco reagisce violentemente con l'acido cloridrico, mentre il ferro reagisce piuttosto lentamente.

2) Maggiore è la velocità di reazione, più veloce è concentrazione sostanze. Lo zinco reagirà molto più a lungo con un acido altamente diluito.

3) La velocità di reazione aumenta notevolmente con l'aumentare temperatura. Ad esempio, affinché il combustibile bruci, è necessario accenderlo, cioè aumentare la temperatura. Per molte reazioni, un aumento di 10°C della temperatura è accompagnato da un aumento della velocità di 2-4 volte.

4) Velocità eterogeneo le reazioni aumentano con l'aumentare superfici delle sostanze reagenti. I solidi vengono solitamente macinati per questo scopo. Ad esempio, affinché le polveri di ferro e zolfo possano reagire quando riscaldate, il ferro deve presentarsi sotto forma di segatura fine.

Tieni presente che in questo caso la formula (1) è implicita! La formula (2) esprime la velocità per unità di superficie, quindi non può dipendere dall'area.

5) La velocità della reazione dipende dalla presenza di catalizzatori o inibitori.

Catalizzatori- sostanze che accelerano le reazioni chimiche, ma non vengono consumate. Un esempio è la rapida decomposizione del perossido di idrogeno con l'aggiunta di un catalizzatore: ossido di manganese (IV):

2H2O2 = 2H2O + O2

L'ossido di manganese (IV) rimane sul fondo e può essere riutilizzato.

Inibitori- sostanze che rallentano la reazione. Ad esempio, gli inibitori della corrosione vengono aggiunti a un sistema di riscaldamento dell’acqua per prolungare la durata dei tubi e delle batterie. Nelle automobili, gli inibitori della corrosione vengono aggiunti al liquido dei freni e al liquido di raffreddamento.

Qualche altro esempio.

Principali concetti studiati:

Velocità delle reazioni chimiche

Concentrazione molare

Cinetica

Reazioni omogenee ed eterogenee

Fattori che influenzano la velocità delle reazioni chimiche

Catalizzatore, inibitore

Catalisi

Reazioni reversibili e irreversibili

Equilibrio chimico

Le reazioni chimiche sono reazioni a seguito delle quali da una sostanza si ottengono altre sostanze (nuove sostanze si formano dalle sostanze originali). Alcune reazioni chimiche avvengono in una frazione di secondo (esplosione), mentre altre richiedono minuti, giorni, anni, decenni, ecc.

Ad esempio: la reazione di combustione della polvere da sparo avviene istantaneamente con accensione ed esplosione, e la reazione di oscuramento dell'argento o ruggine del ferro (corrosione) avviene così lentamente che il suo risultato può essere monitorato solo dopo molto tempo.

Per caratterizzare la velocità di una reazione chimica, viene utilizzato il concetto di velocità di reazione chimica - υ.

Velocità di reazione chimicaè la variazione della concentrazione di uno dei reagenti di una reazione nell'unità di tempo.

Formula per calcolare la velocità di una reazione chimica:

c 1 – concentrazione molare della sostanza al tempo iniziale t 1

c 2 – concentrazione molare della sostanza al tempo iniziale t 2

poiché la velocità di una reazione chimica è caratterizzata da una variazione della concentrazione molare dei reagenti (sostanze di partenza), allora t 2 > t 1 e c 2 > c 1 (la concentrazione delle sostanze di partenza diminuisce man mano che la reazione procede) .

Concentrazione molare (s)– è la quantità di sostanza per unità di volume. L'unità di misura della concentrazione molare è [mol/l].

Si chiama la branca della chimica che studia la velocità delle reazioni chimiche cinetica chimica. Conoscendo le sue leggi, una persona può controllare i processi chimici e impostarli a una certa velocità.

Quando si calcola la velocità di una reazione chimica, è necessario ricordare che le reazioni sono divise in omogenee ed eterogenee.

Reazioni omogenee– reazioni che avvengono nello stesso ambiente (cioè i reagenti sono nello stesso stato di aggregazione; ad esempio: gas + gas, liquido + liquido).

Reazioni eterogenee– si tratta di reazioni che avvengono tra sostanze in un mezzo eterogeneo (esiste un'interfaccia di fase, cioè le sostanze reagenti si trovano in diversi stati di aggregazione; ad esempio: gas + liquido, liquido + solido).

La formula sopra per calcolare la velocità di una reazione chimica è valida solo per reazioni omogenee. Se la reazione è eterogenea può avvenire solo sulla superficie dei reagenti.

Per una reazione eterogenea, la velocità viene calcolata utilizzando la formula:

∆ν – cambiamento nella quantità di sostanza

S – area di interfaccia

∆ t – periodo di tempo durante il quale è avvenuta la reazione

La velocità delle reazioni chimiche dipende da vari fattori: la natura dei reagenti, la concentrazione delle sostanze, la temperatura, i catalizzatori o gli inibitori.

Dipendenza delle velocità di reazione dalla natura delle sostanze reagenti.

Analizziamo questa dipendenza della velocità di reazione facendo un esempio: facciamo cadere dei granuli metallici di uguale area in due provette contenenti la stessa quantità di soluzione di acido cloridrico (HCl): un granulo di ferro (Fe) nella prima provetta, e un granulo di magnesio (Mg) nella seconda. Come risultato delle osservazioni, basate sulla velocità di rilascio dell'idrogeno (H2), si può notare che il magnesio reagisce con l'acido cloridrico alla massima velocità rispetto al ferro. La velocità di questa reazione chimica è influenzata dalla natura del metallo (cioè il magnesio è un metallo più reattivo del ferro e quindi reagisce più vigorosamente con l'acido).

Dipendenza della velocità delle reazioni chimiche dalla concentrazione dei reagenti.

Maggiore è la concentrazione della sostanza reagente (iniziale), più velocemente procede la reazione. Viceversa, minore è la concentrazione del reagente, più lenta sarà la reazione.

Ad esempio: versare una soluzione concentrata di acido cloridrico (HCl) in una provetta e una soluzione diluita di acido cloridrico nell'altra. Mettiamo un granello di zinco (Zn) in entrambe le provette. Osserveremo, dalla velocità di sviluppo dell'idrogeno, che la reazione procederà più velocemente nella prima provetta, perché la concentrazione di acido cloridrico in esso è maggiore rispetto alla seconda provetta.

Per determinare la dipendenza dalla velocità di una reazione chimica, utilizzare legge di azione delle masse (agenti). : la velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti, prese a potenze pari ai loro coefficienti.

Ad esempio, per una reazione che procede secondo lo schema: nA + mB → D, la velocità di una reazione chimica è determinata dalla formula:

υ h.r. = k · C (A) n · C (B) m , Dove

υ x.r - velocità della reazione chimica

CIRCA) - UN

C(B) – concentrazione molare di una sostanza IN

n e m – i loro coefficienti

K - costante di velocità di una reazione chimica (valore di riferimento).

La legge dell'azione di massa non si applica alle sostanze allo stato solido, perché la loro concentrazione è costante (dovuta al fatto che reagiscono solo sulla superficie, che rimane invariata).

Ad esempio: per reazione 2 Cu + O 2 = 2 CuO la velocità di reazione è determinata dalla formula:

υ h.r. = kC(O2)

PROBLEMA: La costante di velocità per la reazione 2A + B = D è 0,005. calcolare la velocità di reazione alla concentrazione molare della sostanza A = 0,6 mol/l, sostanza B = 0,8 mol/l.

Dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla temperatura.

Questa dipendenza è determinata non la regola di Hoff (1884): per ogni aumento di 10°C della temperatura, la velocità di una reazione chimica aumenta in media di 2-4 volte.

Pertanto, l'interazione tra idrogeno (H 2) e ossigeno (O 2) a temperatura ambiente quasi non si verifica, la velocità di questa reazione chimica è così bassa. Ma a una temperatura di 500 C o questa reazione avviene in 50 minuti, e ad una temperatura di 700 C o avviene quasi istantaneamente.

Formula per calcolare la velocità di una reazione chimica secondo la regola di Van't Hoff:

dove: υ t 1 e υ t 2 - velocità delle reazioni chimiche a t 2 e t 1

γ è il coefficiente di temperatura, che mostra quante volte aumenta la velocità di reazione con un aumento della temperatura di 10 C o.

Modifica della velocità di reazione:

2. Sostituisci i dati della dichiarazione del problema nella formula:

Dipendenza delle velocità di reazione da sostanze speciali: catalizzatori e inibitori.

Catalizzatore- una sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica, ma non vi partecipa essa stessa.

Inibitore- una sostanza che rallenta una reazione chimica, ma non vi partecipa essa stessa.

Esempio: in una provetta con una soluzione di perossido di idrogeno al 3% (H 2 O 2), che è stata riscaldata, aggiungere una scheggia fumante: non si accenderà, perché la velocità di reazione della decomposizione del perossido di idrogeno in acqua (H 2 O) e ossigeno (O 2) è molto bassa e l'ossigeno risultante non è sufficiente per effettuare una reazione di alta qualità all'ossigeno (sostenere la combustione). Ora aggiungiamo un po' di polvere nera di ossido di manganese (IV) (MnO 2) nella provetta e vediamo che il rapido rilascio di bolle di gas (ossigeno) è iniziato e la scheggia fumante portata nella provetta divampa brillantemente. MnO 2 è il catalizzatore di questa reazione; ha accelerato la velocità della reazione, ma non vi ha partecipato (questo può essere dimostrato pesando il catalizzatore prima e dopo la reazione - la sua massa non cambierà).

Obiettivo del lavoro: studio della velocità di una reazione chimica e della sua dipendenza da vari fattori: natura dei reagenti, concentrazione, temperatura.

Le reazioni chimiche avvengono a velocità diverse. Velocità della reazione chimicaè chiamata variazione della concentrazione di un reagente nell'unità di tempo. È uguale al numero di eventi di interazione per unità di tempo per unità di volume per una reazione che avviene in un sistema omogeneo (per reazioni omogenee), o per unità di superficie di interfaccia per reazioni che avvengono in un sistema eterogeneo (per reazioni eterogenee).

Velocità di reazione media v media. nell'intervallo di tempo da t1 Prima t2è determinato dalla relazione:

Dove C1 E C2– concentrazione molare di qualsiasi partecipante alla reazione in punti temporali t1 E t2 rispettivamente.

Il segno “–” prima della frazione si riferisce alla concentrazione delle sostanze di partenza, Δ CON < 0, знак “+” – к концентрации продуктов реакции, ΔCON > 0.

I principali fattori che influenzano la velocità di una reazione chimica: la natura dei reagenti, la loro concentrazione, pressione (se i gas sono coinvolti nella reazione), temperatura, catalizzatore, area di interfaccia per reazioni eterogenee.

La maggior parte delle reazioni chimiche sono processi complessi che si verificano in più fasi, ad es. costituito da diversi processi elementari. Le reazioni elementari o semplici sono reazioni che si verificano in un unico passaggio.

Per le reazioni elementari, la dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione è espressa dalla legge dell'azione di massa.

A temperatura costante, la velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti, preso in potenze pari ai coefficienti stechiometrici.

Per la reazione in forma generale

a A + b B… → c C,

secondo la legge dell’azione di massa v espresso dal rapporto

v = К∙с(А) а ∙ с(В) b,

Dove circa) E s(B)– concentrazioni molari dei reagenti A e B;

A– costante di velocità di questa reazione, pari a v, Se c(A)a=1 e c(B)b=1 e in base alla natura dei reagenti, alla temperatura, al catalizzatore e all'area di interfaccia per reazioni eterogenee.

L'espressione della velocità di reazione in funzione della concentrazione è chiamata equazione cinetica.

Nel caso di reazioni complesse, la legge dell'azione di massa si applica a ogni singola fase.

Per le reazioni eterogenee, l'equazione cinetica comprende solo le concentrazioni di sostanze gassose e disciolte; sì, per bruciare carbone

C (k) + O 2 (g) → CO 2 (g)

l'equazione della velocità ha la forma

v = K∙s(O2)

Qualche parola sulla molecolarità e sull'ordine cinetico della reazione.

Concetto "molecolarità della reazione" si applicano solo a reazioni semplici. La molecolarità di una reazione caratterizza il numero di particelle che partecipano a un'interazione elementare.

Esistono reazioni mono, bi e trimolecolari, alle quali partecipano rispettivamente una, due e tre particelle. La probabilità che tre particelle si scontrino simultaneamente è piccola. Il processo elementare di interazione di più di tre particelle è sconosciuto. Esempi di reazioni elementari:

N 2 O 5 → NO + NO + O 2 (monomolecolare)

H2 + I2 → 2HI (bimolecolare)

2NO + Cl 2 → 2NOCl (trimolecolare)

La molecolarità delle reazioni semplici coincide con l'ordine cinetico generale della reazione. L'ordine della reazione determina la natura della dipendenza della velocità dalla concentrazione.

L'ordine cinetico generale (totale) di una reazione è la somma degli esponenti alle concentrazioni dei reagenti nell'equazione della velocità di reazione, determinata sperimentalmente.

All’aumentare della temperatura, aumenta la velocità della maggior parte delle reazioni chimiche. La dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura è determinata approssimativamente dalla regola di Van't Hoff.

Per ogni aumento di 10 gradi della temperatura, la velocità della maggior parte delle reazioni aumenta di 2-4 volte.

dove e sono rispettivamente la velocità di reazione alle temperature t2 E t1 (t2 >t1);

γ è il coefficiente di temperatura della velocità di reazione, questo è un numero che mostra quante volte aumenta la velocità di una reazione chimica quando la temperatura aumenta di 10 0.

Utilizzando la regola di Van't Hoff è possibile stimare solo approssimativamente l'effetto della temperatura sulla velocità di reazione. Una descrizione più accurata della dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura è possibile nell'ambito della teoria dell'attivazione di Arrhenius.

Uno dei metodi per accelerare una reazione chimica è la catalisi, che viene effettuata utilizzando sostanze (catalizzatori).

Catalizzatori- si tratta di sostanze che modificano la velocità di una reazione chimica a causa della ripetuta partecipazione a interazioni chimiche intermedie con i reagenti di reazione, ma dopo ogni ciclo di interazione intermedia ripristinano la loro composizione chimica.

Il meccanismo d'azione del catalizzatore si riduce a una diminuzione dell'energia di attivazione della reazione, ad es. riducendo la differenza tra l'energia media delle molecole attive (complesso attivo) e l'energia media delle molecole delle sostanze di partenza. La velocità della reazione chimica aumenta.

La conoscenza della velocità delle reazioni chimiche è di grande importanza teorica e pratica. Ad esempio, nell'industria chimica, durante la produzione di una sostanza, le dimensioni e la produttività delle apparecchiature e la quantità del prodotto risultante dipendono dalla velocità di reazione.

Diverse reazioni chimiche hanno velocità diverse. Alcune reazioni avvengono in una frazione di secondo, mentre altre richiedono mesi o addirittura anni per essere completate. Studi sulla velocità delle reazioni chimiche cinetica chimica.

I concetti base con cui opera la cinetica chimica sono chimici sistema E fase:

• Sistema chimico- sostanza (un insieme di sostanze);
• Fase chimica- parte di un sistema separata da altre parti interfaccia.

Vengono chiamati sistemi costituiti da una fase omogeneo O omogeneo, ad esempio, miscele o soluzioni di gas. Vengono chiamate le reazioni che avvengono in sistemi omogenei reazioni omogenee, tali reazioni si verificano in tutto il volume della miscela.

Vengono chiamati sistemi costituiti da più fasi eterogeneo O eterogeneo, ad esempio, liquido + solido. Vengono chiamate le reazioni che avvengono in sistemi eterogenei reazioni eterogenee, tali reazioni si verificano solo all'interfaccia.

Velocità di reazione omogenea

La velocità di una reazione omogenea è la quantità di sostanza (ν) formata come risultato di una reazione per unità di tempo (t) per unità di volume del sistema (V):

• ν 1 - numero di moli di sostanza al tempo t 1;
• ν 2 - numero di moli di sostanza al tempo t 2 ;

Concentrazione in volume molare sostanza (C, mol/l) - il rapporto tra il numero di moli di una sostanza (ν) e l'intero volume della miscela di reazione (V): С=ν/V.

La velocità di una reazione omogenea è uguale alla variazione della concentrazione del reagente per unità di tempo.

Nel caso in cui si parli della concentrazione di uno dei prodotti della reazione, nell'espressione viene inserito il segno "più", se si parla della concentrazione di una delle sostanze originali, nell'espressione viene inserito il segno "meno". l'espressione.

Velocità di reazione eterogenea

Come accennato in precedenza, la principale differenza tra reazioni eterogenee e omogenee è che la reazione avviene al confine di fase.

La velocità di una reazione eterogenea (v het) è la quantità di sostanza (ν) formata per unità di tempo (t) per unità di superficie di interfaccia (S).

I principali fattori che influenzano la velocità delle reazioni:

• la natura delle sostanze reagenti;
• concentrazione;
• temperatura;
• catalizzatori;
• dimensioni delle particelle del reagente;
• pressione.

Gli ultimi due punti si riferiscono a reazioni eterogenee.

Natura dei reagenti

Una condizione necessaria per l'interazione chimica tra molecole di sostanze è la loro collisione tra loro nella parte "giusta" della molecola, chiamata zona ad alta reattività. È come nella boxe: se il colpo del pugile colpisce i guantoni dell’avversario, non ci sarà alcuna reazione; ma se il colpo va a segno sulla testa dell'avversario, la probabilità di un knockout (reazione) aumenta in modo significativo; e se la forza d'impatto (la forza delle collisioni delle molecole) è elevata, l'eliminazione (reazione) diventa inevitabile.

Sulla base di quanto sopra, possiamo concludere che quanto più complessa è la molecola, tanto più piccola è la sua regione altamente reattiva. Pertanto, quanto più grandi e complesse sono le molecole delle sostanze reagenti, tanto più lenta è la velocità di reazione.

Concentrazione dei reagenti

La velocità di reazione è direttamente proporzionale al numero di collisioni delle molecole. Maggiore è la concentrazione dei reagenti, maggiore è il numero delle collisioni, maggiore è la velocità della reazione chimica. Ad esempio, la combustione nell'ossigeno puro avviene molto più velocemente che nell'aria normale.

Tuttavia, va detto che nelle reazioni complesse che si verificano in più fasi; tale dipendenza non è rispettata. Ciò consente di determinare quale dei reagenti non è coinvolto nella fase più lenta della reazione, che determina la velocità di reazione stessa.

Viene espressa la dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione dei reagenti legge dell’azione di massa, scoperto nel 1867 dagli scienziati norvegesi Guldberg e Waage.

La velocità (v) della reazione condizionata descritta dall'equazione aA+bB=cC+dD, secondo la legge dell'azione di massa, verrà calcolato utilizzando una formula denominata equazione della reazione cinetica:

V=k·[A] a ·[B] b

• [A], [B] - concentrazioni di sostanze di partenza;
• k è la costante di velocità di reazione, pari alla velocità di questa reazione a concentrazioni di reagenti pari a 1 mol ciascuno.

K non dipende dalla concentrazione delle sostanze reagenti, ma dipende dalla loro natura e temperatura.

Utilizzando l'equazione cinetica di una reazione, è possibile determinare la velocità di variazione della reazione in base alla variazione della concentrazione dei reagenti.

Esempi di equazioni cinetiche:

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

Si noti che le equazioni cinetiche non includono le concentrazioni di solidi, ma solo quelle gassose e disciolte.

Temperatura del reagente

All’aumentare della temperatura, le molecole si muovono più velocemente, quindi aumenta il numero delle loro collisioni tra loro. Inoltre, aumenta l'energia cinetica delle molecole, il che aumenta l'efficienza delle collisioni, che alla fine determinano la velocità di reazione.

Secondo teoria dell'attivazione, solo le molecole con energia superiore a un certo valore medio possono prendere parte a una reazione chimica. Viene chiamata la quantità di eccesso dell'energia media delle molecole energie di attivazione. Questa energia è necessaria per indebolire i legami chimici nelle molecole delle sostanze di partenza. Vengono chiamate molecole che hanno l'energia in eccesso necessaria per consentire loro di reagire molecole attive. Maggiore è la temperatura, più molecole sono attive, maggiore è la velocità di reazione.

È caratterizzata la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura non la regola di Hoff:

Matematicamente, la regola di van't Hoff è espressa dalla seguente formula:

• γ è un coefficiente di temperatura che mostra un aumento della velocità di reazione con un aumento della temperatura di 10°C;
• v 1 - velocità di reazione alla temperatura t 1;
• v 2 - velocità di reazione alla temperatura t 2 ;

Catalizzatori

Catalizzatori- queste sono sostanze che influenzano la velocità di reazione, ma non si consumano.

Vengono chiamate le reazioni che si verificano con la partecipazione di catalizzatori reazioni catalitiche.

L'effetto principale di un catalizzatore è ridurre l'energia di attivazione della reazione, a seguito del quale aumenta il numero di collisioni efficaci di molecole.

I catalizzatori possono accelerare le reazioni milioni di volte!

Esistono due tipi di catalisi:

• catalisi omogenea (uniforme).- il catalizzatore e i reagenti formano una fase: gas o soluzione;
• catalisi eterogenea (eterogenea).- il catalizzatore è sotto forma di fase indipendente.

Il meccanismo delle reazioni catalitiche è molto complesso e completamente sconosciuto. Secondo un'ipotesi scientifica, nelle reazioni catalitiche, un catalizzatore e un reagente reagiscono per formare un composto intermedio, che reagisce molto più attivamente con un'altra sostanza di partenza per formare il prodotto finale della reazione, mentre il catalizzatore stesso viene rilasciato allo stato libero.

Di solito, per catalizzatori si intendono sostanze che accelerano una reazione, ma ci sono sostanze che rallentano il corso di una reazione: sono chiamate inibitori.

Si chiamano catalizzatori biologici enzimi. Gli enzimi sono proteine.

Dimensione delle particelle del reagente

Prendiamo un fiammifero e avviciniamolo a un pezzo di carbone. È improbabile che il carbone abbia il tempo di accendersi prima che la partita si spenga. Maciniamo il carbone e ripetiamo l'esperimento: la polvere di carbone non solo si accenderà, ma si accenderà molto rapidamente: si verificherà un'esplosione (il pericolo principale nelle miniere di carbone). Cosa sta succedendo?

Macinando il carbone, aumenteremo notevolmente la sua superficie. Maggiore è la superficie su cui le molecole si scontrano, maggiore è la velocità di reazione.

Pressione del reagente

La pressione dei reagenti gassosi è simile alla loro concentrazione: maggiore è la pressione, maggiore è la concentrazione, maggiore è la velocità di reazione, perché il numero di collisioni molecolari aumenta. Come la concentrazione, la pressione dei reagenti non “funziona” nelle reazioni complesse.