Efekti i vëllimit në shpejtësinë e reagimit. Shpejtësia e një reaksioni kimik dhe faktorët që ndikojnë në të. Matja e shpejtësisë së një procesi

Ne vazhdimisht përballemi me ndërveprime të ndryshme kimike. Djegia e gazit natyror, ndryshkja e hekurit, thartimi i qumështit - këto nuk janë të gjitha proceset që studiohen në detaje në një kurs të kimisë në shkollë.

Disa reagime kërkojnë fraksione sekondash për të ndodhur, ndërsa disa ndërveprime kërkojnë ditë ose javë.

Le të përpiqemi të identifikojmë varësinë e shpejtësisë së reagimit nga temperatura, përqendrimi dhe faktorë të tjerë. Standardi i ri arsimor cakton një sasi minimale të kohës së mësimdhënies për këtë çështje. Testet e Provimit të Unifikuar të Shtetit përfshijnë detyra mbi varësinë e shkallës së reagimit nga temperatura, përqendrimi, madje ofrojnë probleme llogaritëse. Shumë nxënës të shkollave të mesme përjetojnë vështirësi të caktuara në gjetjen e përgjigjeve për këto pyetje, kështu që ne do ta analizojmë këtë temë në detaje.

Rëndësia e çështjes në shqyrtim

Informacioni për shpejtësinë e reagimit ka një rëndësi të rëndësishme praktike dhe shkencore. Për shembull, në prodhimin specifik të substancave dhe produkteve, produktiviteti i pajisjeve dhe kostoja e mallrave varen drejtpërdrejt nga kjo vlerë.

Klasifikimi i reaksioneve të vazhdueshme

Ekziston një lidhje e drejtpërdrejtë midis gjendjes së grumbullimit të përbërësve fillestarë dhe produkteve të formuara gjatë ndërveprimeve heterogjene.

Në kimi, një sistem zakonisht nënkupton një substancë ose një kombinim të tyre.

Një sistem që përbëhet nga një fazë (e njëjta gjendje grumbullimi) konsiderohet homogjen. Si shembull, mund të përmendim një përzierje gazesh dhe disa lëngjeve të ndryshme.

Një sistem heterogjen është një sistem në të cilin substancat reaguese janë në formën e gazeve dhe lëngjeve, të ngurta dhe gazeve.

Nuk ekziston vetëm një varësi e shkallës së reagimit nga temperatura, por edhe nga faza në të cilën përdoren përbërësit që hyjnë në ndërveprimin e analizuar.

Një përbërje homogjene karakterizohet nga procesi që ndodh në të gjithë vëllimin, gjë që përmirëson ndjeshëm cilësinë e tij.

Nëse substancat fillestare janë në gjendje të ndryshme fazore, atëherë ndërveprimi maksimal vërehet në ndërfaqen e fazës. Për shembull, kur një metal aktiv tretet në një acid, formimi i një produkti (kripë) vërehet vetëm në sipërfaqen e kontaktit të tyre.

Marrëdhënia matematikore midis shpejtësisë së procesit dhe faktorëve të ndryshëm

Si duket ekuacioni për varësinë e shpejtësisë së një reaksioni kimik nga temperatura? Për një proces homogjen, shpejtësia përcaktohet nga sasia e substancës që ndërvepron ose formohet gjatë reaksionit në vëllimin e sistemit për njësi të kohës.

Për një proces heterogjen, shpejtësia përcaktohet në terma të sasisë së substancës që reagon ose prodhohet në proces për njësi sipërfaqe në një periudhë minimale kohore.

Faktorët që ndikojnë në shpejtësinë e një reaksioni kimik

Natyra e substancave reaguese është një nga arsyet për shpejtësitë e ndryshme të proceseve. Për shembull, metalet alkali formojnë alkale me ujin në temperaturën e dhomës dhe procesi shoqërohet me çlirim intensiv të gazit të hidrogjenit. Metalet fisnike (ari, platini, argjendi) nuk janë të afta për procese të tilla as në temperaturën e dhomës dhe as kur nxehen.

Natyra e reaktantëve është një faktor që merret parasysh në industrinë kimike për të rritur rentabilitetin e prodhimit.

U zbulua një marrëdhënie midis përqendrimit të reagentëve dhe shpejtësisë së reaksionit kimik. Sa më i lartë të jetë, aq më shumë grimca do të përplasen, prandaj procesi do të vazhdojë më shpejt.

Ligji i veprimit të masës në formë matematikore përshkruan një marrëdhënie proporcionale të drejtpërdrejtë midis përqendrimit të substancave fillestare dhe shpejtësisë së procesit.

Ajo u formulua në mesin e shekullit të nëntëmbëdhjetë nga kimisti rus N. N. Beketov. Për secilin proces, përcaktohet një konstante reagimi, e cila nuk lidhet me temperaturën, përqendrimin ose natyrën e reaktantëve.

Për të përshpejtuar reagimin në të cilin përfshihet një substancë e ngurtë, duhet ta bluani atë në një gjendje pluhuri.

Në këtë rast, sipërfaqja rritet, gjë që ka një efekt pozitiv në shpejtësinë e procesit. Për karburantin dizel, përdoret një sistem i veçantë injektimi, për shkak të të cilit, kur bie në kontakt me ajrin, shkalla e djegies së përzierjes së hidrokarbureve rritet ndjeshëm.

Ngrohje

Varësia e shpejtësisë së një reaksioni kimik nga temperatura shpjegohet nga teoria kinetike molekulare. Kjo ju lejon të llogaritni numrin e përplasjeve midis molekulave të reagentit në kushte të caktuara. Nëse jeni të armatosur me një informacion të tillë, atëherë në kushte normale të gjitha proceset duhet të vazhdojnë menjëherë.

Por nëse marrim parasysh një shembull specifik të varësisë së shpejtësisë së reagimit nga temperatura, rezulton se për ndërveprim është e nevojshme që së pari të prishen lidhjet kimike midis atomeve në mënyrë që të formohen substanca të reja prej tyre. Kjo kërkon shpenzime të konsiderueshme të energjisë. Cila është varësia e shpejtësisë së reaksionit nga temperatura? Energjia e aktivizimit përcakton mundësinë e këputjes së molekulave; është pikërisht kjo energji që karakterizon realitetin e proceseve. Njësitë e tij janë kJ/mol.

Nëse energjia është e pamjaftueshme, përplasja do të jetë joefektive, kështu që nuk shoqërohet me formimin e një molekule të re.

Paraqitja grafike

Varësia e shpejtësisë së një reaksioni kimik nga temperatura mund të paraqitet grafikisht. Kur nxehet, numri i përplasjeve midis grimcave rritet, gjë që përshpejton ndërveprimin.

Si duket një grafik i shpejtësisë së reagimit kundrejt temperaturës? Energjia e molekulave shfaqet horizontalisht, dhe numri i grimcave me rezervë të lartë energjie tregohet vertikalisht. Një grafik është një kurbë me të cilën mund të gjykohet shpejtësia e një ndërveprimi të caktuar.

Sa më i madh të jetë ndryshimi i energjisë nga mesatarja, aq më larg është pika e kurbës nga maksimumi, dhe përqindja më e vogël e molekulave kanë një rezervë të tillë energjie.

Aspekte të rëndësishme

A është e mundur të shkruhet ekuacioni për varësinë e konstantës së shpejtësisë së reaksionit nga temperatura? Rritja e tij reflektohet në një rritje të shpejtësisë së procesit. Kjo varësi karakterizohet nga një vlerë e caktuar e quajtur koeficienti i temperaturës së shpejtësisë së procesit.

Për çdo ndërveprim, u zbulua varësia e konstantës së shpejtësisë së reagimit nga temperatura. Nëse rritet me 10 gradë, shpejtësia e procesit rritet me 2-4 herë.

Varësia e shpejtësisë së reaksioneve homogjene nga temperatura mund të paraqitet në formë matematikore.

Për shumicën e ndërveprimeve në temperaturën e dhomës, koeficienti është në intervalin nga 2 në 4. Për shembull, me një koeficient të temperaturës 2.9, një rritje në temperaturë prej 100 gradë e përshpejton procesin me pothuajse 50,000 herë.

Varësia e shpejtësisë së reaksionit nga temperatura mund të shpjegohet lehtësisht me energji të ndryshme aktivizimi. Ajo ka një vlerë minimale gjatë proceseve jonike, të cilat përcaktohen vetëm nga ndërveprimi i kationeve dhe anioneve. Eksperimentet e shumta tregojnë për shfaqjen e menjëhershme të reaksioneve të tilla.

Në një energji të lartë aktivizimi, vetëm një numër i vogël përplasjesh midis grimcave do të çojë në ndërveprim. Me një energji mesatare aktivizimi, reaktantët do të ndërveprojnë me një shpejtësi mesatare.

Detyrat mbi varësinë e shkallës së reagimit nga përqendrimi dhe temperatura konsiderohen vetëm në nivelin e lartë të arsimit dhe shpesh shkaktojnë vështirësi serioze për fëmijët.

Matja e shpejtësisë së një procesi

Ato procese që kërkojnë energji të konsiderueshme aktivizimi përfshijnë një këputje fillestare ose dobësim të lidhjeve midis atomeve në substancat fillestare. Në këtë rast, ato kalojnë në një gjendje të caktuar të ndërmjetme të quajtur kompleksi i aktivizuar. Është një gjendje e paqëndrueshme, mjaft shpejt dekompozohet në produkte të reaksionit, procesi shoqërohet me çlirimin e energjisë shtesë.

Në formën e tij më të thjeshtë, një kompleks i aktivizuar është një konfigurim i atomeve me lidhje të vjetra të dobësuara.

Frenuesit dhe katalizatorët

Le të analizojmë varësinë e shpejtësisë së reaksionit enzimatik nga temperatura e mjedisit. Substanca të tilla funksionojnë si përshpejtues të procesit.

Ata vetë nuk janë pjesëmarrës në ndërveprim; numri i tyre mbetet i pandryshuar pas përfundimit të procesit. Ndërsa katalizatorët ndihmojnë në rritjen e shkallës së reagimit, frenuesit, përkundrazi, ngadalësojnë këtë proces.

Thelbi i kësaj qëndron në formimin e përbërjeve të ndërmjetme, si rezultat i të cilave vërehet një ndryshim në shpejtësinë e procesit.

konkluzioni

Ndërveprime të ndryshme kimike ndodhin çdo minutë në botë. Si të përcaktohet varësia e shpejtësisë së reagimit nga temperatura? Ekuacioni Arrhenius është një shpjegim matematikor i marrëdhënies midis konstantës së shpejtësisë dhe temperaturës. Ai jep një ide për ato vlera të energjisë së aktivizimit në të cilat është i mundur shkatërrimi ose dobësimi i lidhjeve midis atomeve në molekula dhe shpërndarja e grimcave në substanca të reja kimike.

Falë teorisë kinetike molekulare, është e mundur të parashikohet probabiliteti i ndërveprimeve midis komponentëve fillestarë dhe të llogaritet shpejtësia e procesit. Ndër ata faktorë që ndikojnë në shpejtësinë e reaksionit, me rëndësi të veçantë janë ndryshimet në temperaturë, përqendrimi në përqindje i substancave ndërvepruese, sipërfaqja e kontaktit, prania e një katalizatori (frenuesi), si dhe natyra e përbërësve ndërveprues.

Në jetë hasim reaksione të ndryshme kimike. Disa prej tyre, si ndryshkja e hekurit, mund të zgjasin për disa vjet. Të tjerat, të tilla si fermentimi i sheqerit në alkool, zgjasin disa javë. Druri i zjarrit në një sobë digjet në disa orë, dhe benzina në një motor digjet në një pjesë të sekondës.

Për të ulur kostot e pajisjeve, impiantet kimike rrisin shpejtësinë e reaksioneve. Dhe disa procese, për shembull, prishja e ushqimit dhe korrozioni i metaleve, duhet të ngadalësohen.

Shpejtësia e reaksionit kimik mund të shprehet si ndryshimi i sasisë së materies (n, modul) për njësi të kohës (t) - krahasoni shpejtësinë e një trupi në lëvizje në fizikë si ndryshim në koordinatat për njësi të kohës: υ = Δx/Δt. Në mënyrë që shpejtësia të mos varet nga vëllimi i enës në të cilën zhvillohet reaksioni, ne e ndajmë shprehjen me vëllimin e substancave reaguese (v), d.m.th. ndryshimi i sasisë së një substance për njësi të kohës për njësi vëllimi, ose ndryshimi i përqendrimit të njërës prej substancave për njësi të kohës:

ku c = n / v është përqendrimi i substancës,

Δ (lexo "delta") është një përcaktim i pranuar përgjithësisht për një ndryshim në vlerë.

Nëse substancat kanë koeficientë të ndryshëm në ekuacion, shpejtësia e reagimit për secilën prej tyre e llogaritur duke përdorur këtë formulë do të jetë e ndryshme. Për shembull, 2 mol dioksid squfuri reaguan plotësisht me 1 mol oksigjen në 10 sekonda në 1 litër:

2SO2 + O2 = 2SO3

Shkalla e oksigjenit do të jetë: υ = 1: (10 1) = 0,1 mol/l s

Shpejtësia e dioksidit të squfurit: υ = 2: (10 1) = 0,2 mol/l s- kjo nuk ka nevojë të mësohet përmendësh dhe të thuhet gjatë provimit, jepet shembulli për të mos u ngatërruar nëse lind kjo pyetje.

Shpejtësia e reaksioneve heterogjene (që përfshijnë trupat e ngurtë) shpesh shprehet për njësi të sipërfaqes së sipërfaqeve kontaktuese:

Reaksionet quhen heterogjene kur reaktantët janë në faza të ndryshme:

• një e ngurtë me një tjetër të ngurtë, të lëngët ose të gaztë,
• dy lëngje të papërziershme
• lëng me gaz.

Reaksionet homogjene ndodhin midis substancave në një fazë:

• ndërmjet lëngjeve të përziera mirë,
• gazrat,
• substancat në tretësirë.

Kushtet që ndikojnë në shpejtësinë e reaksioneve kimike

1) Shpejtësia e reagimit varet nga natyra e reaktantëve. E thënë thjesht, substanca të ndryshme reagojnë me shpejtësi të ndryshme. Për shembull, zinku reagon dhunshëm me acidin klorhidrik, ndërsa hekuri reagon mjaft ngadalë.

2) Sa më e lartë të jetë shpejtësia e reagimit, aq më shpejt përqendrimi substancave. Zinku do të reagojë shumë më gjatë me një acid shumë të holluar.

3) Shpejtësia e reagimit rritet ndjeshëm me rritjen temperatura. Për shembull, që karburanti të digjet, është e nevojshme ta ndizni atë, d.m.th., të rrisni temperaturën. Për shumë reaksione, një rritje prej 10°C në temperaturë shoqërohet me një rritje 2-4 herë në shpejtësi.

4) Shpejtësia heterogjene Reaksionet rriten me rritjen sipërfaqet e substancave reaguese. Lëndët e ngurta zakonisht bluhen për këtë qëllim. Për shembull, në mënyrë që pluhurat e hekurit dhe squfurit të reagojnë kur nxehen, hekuri duhet të jetë në formën e tallashit të imët.

Ju lutemi vini re se në këtë rast formula (1) nënkuptohet! Formula (2) shpreh shpejtësinë për njësi sipërfaqe, prandaj nuk mund të varet nga sipërfaqja.

5) Shpejtësia e reaksionit varet nga prania e katalizatorëve ose inhibitorëve.

Katalizatorët- substanca që përshpejtojnë reaksionet kimike, por që nuk konsumohen. Një shembull është dekompozimi i shpejtë i peroksidit të hidrogjenit me shtimin e një katalizatori - oksid mangani (IV):

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

Oksidi i manganit (IV) mbetet në fund dhe mund të ripërdoret.

Frenuesit- substanca që ngadalësojnë reaksionin. Për shembull, frenuesit e korrozionit shtohen në një sistem ngrohjeje uji për të zgjatur jetën e tubave dhe baterive. Në makina, frenuesit e korrozionit shtohen në lëngun e frenave dhe ftohësit.

Disa shembuj të tjerë.

Konceptet kryesore të studiuara:

Shpejtësia e reaksioneve kimike

Përqendrimi molar

Kinetika

Reaksionet homogjene dhe heterogjene

Faktorët që ndikojnë në shpejtësinë e reaksioneve kimike

Katalizator, frenues

Kataliza

Reaksione të kthyeshme dhe të pakthyeshme

Ekuilibri kimik

Reaksionet kimike janë reaksione si rezultat i të cilave substanca të tjera fitohen nga një substancë (substancat e reja formohen nga substancat origjinale). Disa reaksione kimike ndodhin në një fraksion të sekondës (shpërthimi), ndërsa të tjerët zgjasin minuta, ditë, vite, dekada, etj.

Për shembull: reaksioni i djegies së barutit ndodh menjëherë me ndezjen dhe shpërthimin, dhe reagimi i errësimit të argjendit ose ndryshkjes së hekurit (korrozioni) ndodh aq ngadalë sa rezultati i tij mund të monitorohet vetëm pas një kohe të gjatë.

Për të karakterizuar shpejtësinë e një reaksioni kimik përdoret koncepti i shpejtësisë së reaksionit kimik - υ.

Shpejtësia e reaksionit kimikështë ndryshimi i përqendrimit të njërit prej reaktantëve të një reaksioni për njësi të kohës.

Formula për llogaritjen e shpejtësisë së një reaksioni kimik:

c 1 – përqendrimi molar i substancës në kohën fillestare t 1

c 2 – përqendrimi molar i substancës në kohën fillestare t 2

meqenëse shpejtësia e një reaksioni kimik karakterizohet nga një ndryshim në përqendrimin molar të reaktantëve (substancat fillestare), pastaj t 2 > t 1 dhe c 2 > c 1 (përqendrimi i substancave fillestare zvogëlohet me zhvillimin e reaksionit) .

Përqendrimi molar (s)– është sasia e substancës për njësi vëllimi. Njësia matëse për përqendrimin molar është [mol/l].

Dega e kimisë që studion shpejtësinë e reaksioneve kimike quhet kinetika kimike. Duke ditur ligjet e tij, një person mund të kontrollojë proceset kimike dhe t'i vendosë ato me një shpejtësi të caktuar.

Kur llogaritet shpejtësia e një reaksioni kimik, është e nevojshme të mbani mend se reaksionet ndahen në homogjene dhe heterogjene.

Reaksionet homogjene– reaksionet që ndodhin në të njëjtin mjedis (d.m.th., reaktantët janë në të njëjtën gjendje grumbullimi; për shembull: gaz + gaz, lëng + lëng).

Reaksionet heterogjene- këto janë reaksione që ndodhin midis substancave në një mjedis heterogjen (ekziston një ndërfaqe fazore, d.m.th. substancat reaguese janë në gjendje të ndryshme grumbullimi; për shembull: gaz + lëng, lëng + i ngurtë).

Formula e mësipërme për llogaritjen e shpejtësisë së një reaksioni kimik është e vlefshme vetëm për reaksionet homogjene. Nëse reaksioni është heterogjen, atëherë ai mund të ndodhë vetëm në sipërfaqen e reaktantëve.

Për një reaksion heterogjen, shpejtësia llogaritet duke përdorur formulën:

∆ν – ndryshimi i sasisë së substancës

S - zona e ndërfaqes

∆ t – periudha kohore gjatë së cilës ka ndodhur reaksioni

Shpejtësia e reaksioneve kimike varet nga faktorë të ndryshëm: natyra e reaktantëve, përqendrimi i substancave, temperatura, katalizatorët ose frenuesit.

Varësia e shpejtësisë së reaksionit nga natyra e substancave reaguese.

Le të analizojmë këtë varësi të shpejtësisë së reagimit duke përdorur një shembull: le të hedhim kokrrizat metalike me sipërfaqe të barabartë në dy epruveta që përmbajnë të njëjtën sasi tretësirë ​​të acidit klorhidrik (HCl): një kokrrizë hekuri (Fe) në epruvetën e parë dhe një kokrrizë magnezi (Mg) në të dytën. Si rezultat i vëzhgimeve, bazuar në shpejtësinë e çlirimit të hidrogjenit (H2), mund të vërehet se magnezi reagon me acidin klorhidrik me shpejtësinë më të lartë se hekuri.. Shpejtësia e këtij reaksioni kimik ndikohet nga natyra e metalit (d.m.th., magnezi është një metal më reaktiv se hekuri, dhe për këtë arsye reagon më fuqishëm me acidin).

Varësia e shpejtësisë së reaksioneve kimike nga përqendrimi i reaktantëve.

Sa më i lartë të jetë përqendrimi i substancës reaguese (nisëse), aq më shpejt zhvillohet reaksioni. Në të kundërt, sa më i ulët të jetë përqendrimi i reaktantit, aq më i ngadalshëm është reagimi.

Për shembull: derdhni një tretësirë ​​të koncentruar të acidit klorhidrik (HCl) në një epruvetë dhe një tretësirë ​​të holluar të acidit klorhidrik në tjetrën. Le të vendosim një kokrrizë zinku (Zn) në të dy epruvetat. Ne do të vëzhgojmë, nga shpejtësia e evolucionit të hidrogjenit, se reaksioni do të vazhdojë më shpejt në epruvetën e parë, sepse përqendrimi i acidit klorhidrik në të është më i madh se në epruvetën e dytë.

Për të përcaktuar varësinë e shpejtësisë së një reaksioni kimik, përdorni ligji i veprimit të masave (vepruese). : shpejtësia e një reaksioni kimik është drejtpërdrejt proporcionale me produktin e përqendrimeve të substancave reaguese, të marra në fuqi që janë të barabarta me koeficientët e tyre.

Për shembull, për një reagim që vazhdon sipas skemës: nA + mB → D, shpejtësia e një reaksioni kimik përcaktohet nga formula:

υ h.r. = k · C (A) n · C (B) m, Ku

υ x.r - shpejtësia e reaksionit kimik

C (A) - A

C (B) - përqendrimi molar i një lënde NË

n dhe m - koeficientët e tyre

k - Konstanta e shpejtësisë së një reaksioni kimik (vlera e referencës).

Ligji i veprimit masiv nuk zbatohet për substancat në gjendje të ngurtë, sepse përqendrimi i tyre është konstant (për faktin se ato reagojnë vetëm në sipërfaqe, e cila mbetet e pandryshuar).

Për shembull: për reagim 2 Cu + O 2 = 2 CuO Shpejtësia e reagimit përcaktohet nga formula:

υ h.r. = k C(O 2)

PROBLEMI: Konstanta e shpejtësisë për reaksionin 2A + B = D është 0,005. njehsoni shpejtësinë e reaksionit në përqendrimin molar të substancës A = 0,6 mol/l, substanca B = 0,8 mol/l.

Varësia e shpejtësisë së një reaksioni kimik nga temperatura.

Kjo varësi përcaktohet rregulli van't Hoff (1884): me çdo rritje prej 10°C në temperaturë, shpejtësia e një reaksioni kimik rritet mesatarisht 2-4 herë.

Kështu, bashkëveprimi i hidrogjenit (H 2) dhe oksigjenit (O 2) në temperaturën e dhomës pothuajse nuk ndodh, shkalla e këtij reaksioni kimik është aq i ulët. Por në një temperaturë prej 500 C o ky reaksion ndodh në 50 minuta, dhe në një temperaturë prej 700 C o ndodh pothuajse menjëherë.

Formula për llogaritjen e shpejtësisë së një reaksioni kimik sipas rregullit Van't Hoff:

ku: υ t 1 dhe υ t 2 - shpejtësia e reaksioneve kimike në t 2 dhe t 1

γ është koeficienti i temperaturës, i cili tregon se sa herë rritet shpejtësia e reaksionit me një rritje të temperaturës me 10 C o.

Ndryshimi i shpejtësisë së reagimit:

2. Zëvendësoni të dhënat nga deklarata e problemit në formulën:

Varësia e shpejtësisë së reagimit nga substanca të veçanta - katalizatorë dhe frenues.

Katalizator- një substancë që rrit shpejtësinë e një reaksioni kimik, por nuk merr pjesë vetë në të.

Frenues- një substancë që ngadalëson një reaksion kimik, por nuk merr pjesë vetë në të.

Shembull: në një provëz me një zgjidhje prej 3% peroksid hidrogjeni (H 2 O 2), e cila është ngrohur, shtoni një copëz që digjet - nuk do të ndizet, sepse shkalla e reagimit të dekompozimit të peroksidit të hidrogjenit në ujë (H 2 O) dhe oksigjen (O 2) është shumë e ulët, dhe oksigjeni që rezulton nuk është i mjaftueshëm për të kryer një reagim me cilësi të lartë ndaj oksigjenit (duke mbajtur djegie). Tani le të shtojmë pak pluhur të zi të oksidit të manganit (IV) (MnO 2) në epruvetën dhe të shohim që lëshimi i shpejtë i flluskave të gazit (oksigjenit) ka filluar dhe copëza e djegur e sjellë në epruvetë ndizet me shkëlqim. MnO 2 është katalizatori për këtë reaksion; ai përshpejtoi shpejtësinë e reaksionit, por nuk mori pjesë vetë në të (kjo mund të vërtetohet duke peshuar katalizatorin para dhe pas reaksionit - masa e tij nuk do të ndryshojë).

Qëllimi i punës: studimi i shpejtësisë së një reaksioni kimik dhe varësia e tij nga faktorë të ndryshëm: natyra e reaktantëve, përqendrimi, temperatura.

Reaksionet kimike ndodhin me shpejtësi të ndryshme. Shpejtësia e reaksionit kimik quhet ndryshimi i përqendrimit të një reaktanti për njësi të kohës. Është e barabartë me numrin e ngjarjeve të ndërveprimit për njësi të kohës për njësi vëllimi për një reaksion që ndodh në një sistem homogjen (për reaksionet homogjene), ose për njësi sipërfaqe ndërveprimi për reaksionet që ndodhin në një sistem heterogjen (për reaksionet heterogjene).

Shpejtësia mesatare e reagimit v mesatare. në intervalin kohor nga t 1 përpara t 2 përcaktohet nga relacioni:

Ku C 1 Dhe C 2– përqendrimi molar i çdo pjesëmarrësi të reaksionit në momentet kohore t 1 Dhe t 2 përkatësisht.

Shenja “–” para fraksionit i referohet përqendrimit të substancave fillestare, Δ ME < 0, знак “+” – к концентрации продуктов реакции, ΔME > 0.

Faktorët kryesorë që ndikojnë në shpejtësinë e një reaksioni kimik: natyra e reaktantëve, përqendrimi i tyre, presioni (nëse gazrat përfshihen në reaksion), temperatura, katalizatori, zona e ndërfaqes për reaksionet heterogjene.

Shumica e reaksioneve kimike janë procese komplekse që ndodhin në disa faza, d.m.th. që përbëhet nga disa procese elementare. Reaksionet elementare ose të thjeshta janë reaksione që ndodhin në një hap.

Për reaksionet elementare, varësia e shpejtësisë së reaksionit nga përqendrimi shprehet me ligjin e veprimit të masës.

Në temperaturë konstante, shpejtësia e një reaksioni kimik është drejtpërdrejt proporcionale me produktin e përqendrimeve të substancave reaguese, të marra në fuqi të barabartë me koeficientët stoikiometrikë.

Për reaksionin në formë të përgjithshme

a A + b B… → c C,

sipas ligjit të veprimit masiv v shprehur me raportin

v = К∙с(А) а ∙ с(В) b,

Ku c(A) Dhe s(B)– përqendrimet molare të reaktantëve A dhe B;

TE– konstanta e shpejtësisë së këtij reaksioni, e barabartë me v, Nëse c(A)a=1 dhe c(B)b=1, dhe në varësi të natyrës së reaktantëve, temperaturës, katalizatorit dhe zonës së ndërfaqes për reaksionet heterogjene.

Shprehja e shpejtësisë së reaksionit në funksion të përqendrimit quhet ekuacion kinetik.

Në rastin e reaksioneve komplekse, ligji i veprimit masiv zbatohet për çdo fazë individuale.

Për reaksionet heterogjene, ekuacioni kinetik përfshin vetëm përqendrimet e substancave të gazta dhe të tretura; po, për djegien e qymyrit

C (k) + O 2 (g) → CO 2 (g)

ekuacioni i shpejtësisë ka formën

v = K∙s(O 2)

Disa fjalë për molekularitetin dhe rendin kinetik të reaksionit.

Koncepti "molekulariteti i reaksionit" zbatohen vetëm për reaksionet e thjeshta. Molekulariteti i një reaksioni karakterizon numrin e grimcave që marrin pjesë në një ndërveprim elementar.

Ekzistojnë reaksione mono-, bi- dhe trimolekulare, në të cilat marrin pjesë përkatësisht një, dy dhe tre grimca. Probabiliteti që tre grimca të përplasen njëkohësisht është i vogël. Procesi elementar i ndërveprimit të më shumë se tre grimcave është i panjohur. Shembuj të reaksioneve elementare:

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

H 2 + I 2 → 2HI (bimolekulare)

2NO + Cl 2 → 2NOCl (trimolekulare)

Molekulariteti i reaksioneve të thjeshta përkon me rendin e përgjithshëm kinetik të reaksionit. Rendi i reaksionit përcakton natyrën e varësisë së shpejtësisë nga përqendrimi.

Rendi i përgjithshëm (gjithsej) kinetik i një reaksioni është shuma e eksponentëve në përqendrimet e reaktantëve në ekuacionin e shpejtësisë së reaksionit, e përcaktuar në mënyrë eksperimentale.

Me rritjen e temperaturës, shpejtësia e shumicës së reaksioneve kimike rritet. Varësia e shpejtësisë së reagimit nga temperatura përcaktohet afërsisht nga rregulli Van't Hoff.

Për çdo rritje me 10 gradë të temperaturës, shpejtësia e shumicës së reaksioneve rritet me 2-4 herë.

ku dhe janë shpejtësia e reagimit, përkatësisht, në temperatura t 2 Dhe t 1 (t 2 > t 1);

γ është koeficienti i temperaturës së shpejtësisë së reaksionit, ky është një numër që tregon se sa herë rritet shpejtësia e një reaksioni kimik kur temperatura rritet me 10 0.

Duke përdorur rregullin e Van't Hoff, është e mundur vetëm të vlerësohet përafërsisht efekti i temperaturës në shpejtësinë e reagimit. Një përshkrim më i saktë i varësisë së shpejtësisë së reaksionit të temperaturës është i realizueshëm brenda kornizës së teorisë së aktivizimit të Arrhenius.

Një nga metodat e përshpejtimit të një reaksioni kimik është katalizimi, i cili kryhet duke përdorur substanca (katalizatorë).

Katalizatorët- këto janë substanca që ndryshojnë shpejtësinë e një reaksioni kimik për shkak të pjesëmarrjes së përsëritur në ndërveprimet kimike të ndërmjetme me reagentët e reaksionit, por pas çdo cikli të ndërveprimit të ndërmjetëm ato rivendosin përbërjen e tyre kimike.

Mekanizmi i veprimit të katalizatorit reduktohet në një ulje të energjisë së aktivizimit të reaksionit, d.m.th. duke reduktuar diferencën ndërmjet energjisë mesatare të molekulave aktive (kompleksi aktiv) dhe energjisë mesatare të molekulave të substancave fillestare. Shpejtësia e reaksionit kimik rritet.

Njohja e shpejtësive të reaksioneve kimike ka një rëndësi të madhe teorike dhe praktike. Për shembull, në industrinë kimike, gjatë prodhimit të një substance, madhësia dhe produktiviteti i pajisjes dhe sasia e produktit që rezulton varen nga shpejtësia e reagimit.

Reaksionet e ndryshme kimike kanë shpejtësi të ndryshme. Disa reagime ndodhin brenda një fraksioni të sekondës, ndërsa të tjerave u duhen muaj apo edhe vite për t'u përfunduar. Studimet e shpejtësisë së reaksioneve kimike kinetika kimike.

Konceptet bazë me të cilat vepron kinetika kimike janë kimike sistemi Dhe faza:

• Sistemi kimik- substancë (një grup substancash);
• Faza kimike- pjesë e një sistemi të ndarë nga pjesët e tjera ndërfaqe.

Sistemet që përbëhen nga një fazë quhen homogjene ose homogjene, për shembull, përzierjet ose solucionet e gazit. Reaksionet që ndodhin në sistemet homogjene quhen reaksione homogjene, reaksione të tilla ndodhin në të gjithë vëllimin e përzierjes.

Sistemet që përbëhen nga disa faza quhen heterogjene ose heterogjene, për shembull, i lëngët + i ngurtë. Reaksionet që ndodhin në sistemet heterogjene quhen reaksione heterogjene, reagime të tilla ndodhin vetëm në ndërfaqe.

Shpejtësia e reaksionit homogjen

Shpejtësia e një reaksioni homogjen është sasia e substancës (ν) e formuar si rezultat i një reaksioni për njësi të kohës (t) për njësi vëllimi të sistemit (V):

• ν 1 - numri i moleve të substancës në kohën t 1;
• ν 2 - numri i moleve të substancës në kohën t 2 ;

Përqendrimi mol-vëllimor substanca (C, mol / l) - raporti i numrit të moleve të një substance (ν) me të gjithë vëllimin e përzierjes së reaksionit (V): С=ν/V.

Shpejtësia e një reaksioni homogjen është e barabartë me ndryshimin në përqendrimin e reaktantit për njësi të kohës.

Në rast se po flasim për përqendrimin e një prej produkteve të reaksionit, në shprehje vendoset një shenjë "plus", nëse flasim për përqendrimin e një prej substancave origjinale, vendoset një shenjë "minus". shprehjen.

Shpejtësia e reaksionit heterogjen

Siç u përmend më lart, ndryshimi kryesor midis reaksioneve heterogjene dhe atyre homogjene është se reagimi ndodh në kufirin e fazës.

Shpejtësia e një reaksioni heterogjen (v het) është sasia e substancës (ν) e formuar për njësi të kohës (t) për njësi sipërfaqe të ndërfaqes (S).

Faktorët kryesorë që ndikojnë në shpejtësinë e reagimit:

• natyra e substancave reaguese;
• përqendrimi;
• temperatura;
• katalizatorë;
• madhësitë e grimcave të reagentit;
• presioni.

Dy pikat e fundit lidhen me reaksionet heterogjene.

Natyra e reaktantëve

Një kusht i domosdoshëm për ndërveprimin kimik midis molekulave të substancave është përplasja e tyre me njëra-tjetrën në pjesën "e djathtë" të molekulës, e quajtur zonë me reaktivitet të lartë. Është si në boks: nëse goditja e një boksieri godet dorezat e kundërshtarit, nuk do të ketë asnjë reagim; por nëse goditja bie në kokën e kundërshtarit, atëherë probabiliteti i një nokauti (reagimi) rritet ndjeshëm; dhe nëse forca e goditjes (forca e përplasjeve të molekulave) është e lartë, atëherë nokauti (reaksioni) bëhet i pashmangshëm.

Bazuar në sa më sipër, mund të konkludojmë se sa më komplekse të jetë molekula, aq më i vogël është rajoni i saj shumë reaktiv. Prandaj, sa më të mëdha dhe më komplekse të jenë molekulat e substancave që reagojnë, aq më i ngadalshëm është shpejtësia e reagimit.

Përqendrimi i reagentit

Shpejtësia e reaksionit është drejtpërdrejt proporcionale me numrin e përplasjeve të molekulave. Sa më i lartë të jetë përqendrimi i reagentëve, aq më shumë përplasje, aq më e lartë është shpejtësia e reaksionit kimik. Për shembull, djegia në oksigjen të pastër ndodh shumë më shpejt sesa në ajrin e zakonshëm.

Megjithatë, duhet thënë se në reaksionet komplekse që ndodhin në disa faza; një varësi e tillë nuk respektohet. Kjo ju lejon të përcaktoni se cili prej reagentëve nuk është i përfshirë në fazën më të ngadaltë të reaksionit, i cili përcakton vetë shpejtësinë e reagimit.

Shprehet varësia e shpejtësisë së reaksionit nga përqendrimi i reaktantëve ligji i veprimit masiv, e cila u zbulua në 1867 nga shkencëtarët norvegjezë Guldberg dhe Waage.

Shpejtësia (v) e reaksionit të kushtëzuar e përshkruar nga ekuacioni aA+bB=cC+dD, në përputhje me ligjin e veprimit të masës, do të llogaritet duke përdorur një formulë të quajtur ekuacioni i reaksionit kinetik:

V=k·[A] a ·[B] b

• [A], [B] - përqendrimet e substancave fillestare;
• k është konstanta e shpejtësisë së reaksionit, e barabartë me shpejtësinë e këtij reaksioni në përqendrime të reaktantëve të barabartë me 1 mol secili.

k nuk varet nga përqendrimi i substancave reaguese, por varet nga natyra dhe temperatura e tyre.

Duke përdorur ekuacionin kinetik të një reaksioni, mund të përcaktoni shkallën e ndryshimit të reaksionit në varësi të ndryshimit në përqendrimin e reaktantëve.

Shembuj të ekuacioneve kinetike:

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

Vini re se ekuacionet kinetike nuk përfshijnë përqendrimet e trupave të ngurtë, vetëm të gaztë dhe të tretur.

Temperatura e reagentit

Me rritjen e temperaturës, molekulat lëvizin më shpejt, kështu që numri i përplasjeve të tyre me njëra-tjetrën rritet. Përveç kësaj, energjia kinetike e molekulave rritet, gjë që rrit efikasitetin e përplasjeve, të cilat përfundimisht përcaktojnë shpejtësinë e reagimit.

Sipas teoria e aktivizimit, vetëm molekulat me energji që tejkalon një vlerë mesatare të caktuar mund të marrin pjesë në një reaksion kimik. Sasia e tepricës së energjisë mesatare të molekulave quhet energjitë e aktivizimit. Kjo energji është e nevojshme për të dobësuar lidhjet kimike në molekulat e substancave fillestare. Molekulat që kanë energjinë e tepërt të nevojshme për t'i lejuar ato të reagojnë quhen molekulat aktive. Sa më e lartë të jetë temperatura, aq më shumë molekula aktive, aq më e lartë është shpejtësia e reagimit.

Karakterizohet varësia e shpejtësisë së reaksionit nga temperatura rregulli i van't Hoff:

Matematikisht, rregulli i van't Hoff shprehet me formulën e mëposhtme:

• γ është një koeficient i temperaturës që tregon një rritje të shpejtësisë së reagimit me një rritje të temperaturës me 10°C;
• v1 - shpejtësia e reagimit në temperaturën t1;
• v2 - shpejtësia e reagimit në temperaturën t2;

Katalizatorët

Katalizatorët- këto janë substanca që ndikojnë në shpejtësinë e reaksionit, por që nuk konsumohen vetë.

Reaksionet që ndodhin me pjesëmarrjen e katalizatorëve quhen reaksionet katalitike.

Efekti kryesor i një katalizatori është të zvogëlojë energjinë e aktivizimit të reaksionit, si rezultat i së cilës rritet numri i përplasjeve efektive të molekulave.

Katalizatorët mund të përshpejtojnë reagimet miliona herë!

Ekzistojnë dy lloje të katalizës:

• kataliza homogjene (uniforme).- katalizatori dhe reagentët formojnë një fazë: gaz ose tretësirë;
• kataliza heterogjene (heterogjene).- katalizatori është në formën e një faze të pavarur.

Mekanizmi i reaksioneve katalitike është shumë kompleks dhe plotësisht i panjohur. Sipas një hipoteze shkencore, në reaksionet katalitike, një katalizator dhe një reagjent reagojnë për të formuar një përbërje të ndërmjetme, e cila reagon shumë më aktive me një substancë tjetër fillestare për të formuar produktin përfundimtar të reaksionit, ndërsa vetë katalizatori lirohet në gjendje të lirë.

Në mënyrë tipike, katalizatorët kuptohen si substanca që përshpejtojnë një reaksion, por ka substanca që ngadalësojnë rrjedhën e një reaksioni - ato quhen frenuesit.

Katalizatorët biologjikë quhen enzimat. Enzimat janë proteina.

Madhësia e grimcave të reagentit

Le të marrim një shkrepës dhe ta çojmë në një copë qymyr. Nuk ka gjasa që qymyri të ketë kohë të ndizet përpara se ndeshja të fiket. Le të bluajmë qymyrin dhe të përsërisim eksperimentin - pluhuri i qymyrit jo vetëm që do të ndizet, por do të ndizet shumë shpejt - do të ndodhë një shpërthim (rreziku kryesor në minierat e qymyrit). Çfarë po ndodh?

Duke bluar qymyrin, ne do të rrisim në mënyrë dramatike sipërfaqen e tij. Sa më e madhe të jetë sipërfaqja në të cilën përplasen molekulat, aq më e shpejtë është shpejtësia e reagimit.

Presioni i reagentit

Presioni i reagentëve të gaztë është i ngjashëm me përqendrimin e tyre - sa më i lartë të jetë presioni, aq më i lartë është përqendrimi - aq më i lartë është shpejtësia e reagimit, sepse rritet numri i përplasjeve molekulare. Ashtu si përqendrimi, presioni i reaktantëve nuk "funksionon" në reaksione komplekse.