با سرعت یادگیری واکنش شیمیاییو شرایط مؤثر بر تغییر آن، یکی از حوزه های شیمی فیزیک درگیر است - سینتیک شیمیایی. او همچنین مکانیسم های این واکنش ها و اعتبار ترمودینامیکی آنها را در نظر می گیرد. این مطالعات نه تنها برای اهداف علمی، بلکه برای کنترل برهمکنش اجزا در راکتورها در تولید انواع مواد مهم هستند.

مفهوم سرعت در شیمی

مرسوم است که سرعت واکنش را تغییر معینی در غلظت ترکیبات وارد شده به واکنش (ΔС) در واحد زمان (Δt) می نامند. فرمول ریاضی سرعت یک واکنش شیمیایی به شرح زیر است:

ᴠ = ±∆C/∆t.

سرعت واکنش اگر در کل حجم اتفاق بیفتد (یعنی واکنش همگن باشد) بر حسب مول در لیتر بر ثانیه و اگر برهمکنش روی سطحی که فازها را از هم جدا می کند (یعنی واکنش انجام شود) به مول در متر مربع اندازه گیری می شود. ناهمگون). علامت "-" در فرمول به تغییر مقادیر غلظت واکنش دهنده های اولیه و علامت "+" به تغییر مقادیر غلظت محصولات همان واکنش اشاره دارد.

نمونه هایی از واکنش ها با سرعت های مختلف

فعل و انفعالات شیمیایی می تواند با سرعت های مختلف رخ دهد. بنابراین، سرعت رشد استالاکتیت ها، یعنی تشکیل کربنات کلسیم، تنها 0.5 میلی متر در هر 100 سال است. برخی از واکنش های بیوشیمیایی مانند فتوسنتز و سنتز پروتئین کند هستند. خوردگی فلزات با سرعت نسبتاً کمی انجام می شود.

سرعت متوسط ​​را می توان با واکنش هایی که از یک تا چند ساعت نیاز دارند مشخص کرد. به عنوان مثال پخت و پز است که با تجزیه و تبدیل ترکیبات موجود در محصولات همراه است. سنتز پلیمرهای منفرد نیاز به حرارت دادن مخلوط واکنش برای مدت معینی دارد.

نمونه ای از واکنش های شیمیایی که سرعت آن بسیار زیاد است، می تواند به عنوان واکنش های خنثی سازی، تعامل بی کربنات سدیم با محلول اسید استیک، همراه با آزادسازی عمل کند. دی اکسید کربن. همچنین می توان به برهمکنش نیترات باریم با سولفات سدیم اشاره کرد که در آن رسوب سولفات باریم نامحلول مشاهده می شود.

تعداد زیادی از واکنش ها می توانند با سرعت رعد و برق انجام شوند و با انفجار همراه هستند. یک مثال کلاسیک، برهمکنش پتاسیم با آب است.

عوامل موثر بر سرعت یک واکنش شیمیایی

شایان ذکر است که مواد یکسان می توانند با سرعت های متفاوتی با یکدیگر واکنش دهند. بنابراین، برای مثال، مخلوطی از اکسیژن گازی و هیدروژن ممکن است برای مدت زمان طولانی علائمی از برهمکنش نشان ندهد، با این حال، وقتی ظرف تکان می‌خورد یا ضربه می‌خورد، واکنش انفجاری می‌شود. بنابراین، سینتیک شیمیایی عوامل خاصی را شناسایی کرده است که توانایی تأثیرگذاری بر سرعت یک واکنش شیمیایی را دارند. این شامل:

• ماهیت مواد متقابل؛
• غلظت معرف ها؛
• تغییر دما؛
• وجود کاتالیزور؛
• تغییر فشار (برای مواد گازی)؛
• ناحیه تماس مواد (اگر در مورد واکنش های ناهمگن صحبت کنیم).

تأثیر ماهیت ماده

چنین تفاوت قابل توجهی در سرعت واکنش های شیمیایی با مقادیر مختلف انرژی فعال سازی (Ea) توضیح داده می شود. این به عنوان یک مقدار اضافی انرژی در مقایسه با مقدار متوسط ​​آن مورد نیاز یک مولکول در طول یک برخورد برای وقوع یک واکنش درک می شود. این در کیلوژول / مول اندازه گیری می شود و مقادیر معمولاً در محدوده 50-250 است.

به طور کلی پذیرفته شده است که اگر E a \u003d 150 kJ / mol برای هر واکنشی باشد، در n. y عملاً جریان ندارد. این انرژی صرف غلبه بر دافعه بین مولکول های مواد و تضعیف پیوندهای موجود در مواد اولیه می شود. به عبارت دیگر، انرژی فعال سازی قدرت را مشخص می کند پیوندهای شیمیاییدر مواد با مقدار انرژی فعال‌سازی، می‌توان از ابتدا سرعت یک واکنش شیمیایی را تخمین زد:

• E a< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
• 40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
• اگر بیش از 120 باشد، تنها بخش بسیار کوچکی از برخورد ذرات منجر به واکنش می شود و سرعت آن کم خواهد بود.

تاثیر تمرکز

وابستگی سرعت واکنش به غلظت با قانون عمل جرم (LMA) مشخص می شود که می گوید:

سرعت یک واکنش شیمیایی به طور مستقیم با محصول غلظت مواد واکنش دهنده متناسب است که مقادیر آنها در توان های مربوط به ضرایب استوکیومتری آنها گرفته می شود.

این قانون برای واکنش های اولیه یک مرحله ای یا هر مرحله ای از برهمکنش مواد که با مکانیسم پیچیده مشخص می شود مناسب است.

اگر می خواهید سرعت یک واکنش شیمیایی را تعیین کنید که معادله آن را می توان به صورت شرطی نوشت:

aA+ bB = ϲС، سپس،

مطابق با فرمول قانون ذکر شده در بالا، سرعت را می توان با معادله پیدا کرد:

V=k [A] a [B] b، که در آن

a و b ضرایب استوکیومتری هستند،

[A] و [B] - غلظت ترکیبات اولیه،

k ثابت سرعت واکنش مورد نظر است.

منظور از ضریب سرعت یک واکنش شیمیایی این است که مقدار آن برابر با سرعت خواهد بود اگر غلظت ترکیبات برابر با واحد باشد. لازم به ذکر است که برای محاسبه صحیح طبق این فرمول، باید حالت کل معرف ها را در نظر گرفت. غلظت جامد واحد در نظر گرفته می شود و در معادله لحاظ نمی شود زیرا در طول واکنش ثابت می ماند. بنابراین، تنها غلظت مواد مایع و گاز مطابق با MDM در محاسبه لحاظ می شود. بنابراین، برای واکنش به دست آوردن دی اکسید سیلیکون از مواد ساده، که توسط معادله توضیح داده شده است

Si (تلویزیون) + Ο 2 (گرم) \u003d SiΟ 2 (تلویزیون)،

سرعت با فرمول تعیین می شود:

کار معمولی

اگر غلظت ترکیبات اولیه دو برابر شود، سرعت واکنش شیمیایی مونوکسید نیتروژن با اکسیژن چگونه تغییر می کند؟

راه حل: این فرآیند با معادله واکنش مطابقت دارد:

2NO + Ο 2 = 2NO 2 .

بیایید عبارات نرخ واکنش اولیه (ᴠ 1) و نهایی (ᴠ 2) را بنویسیم:

ᴠ 1 = k [NO] 2 [Ο 2 ] و

ᴠ 2 = k·(2·[NO]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[NO] 2 ·2[Ο 2 ].

ᴠ 1 / ᴠ 2 = (k 4 [NO] 2 2 [Ο 2 ]) / (k ・ [NO] 2 [Ο 2 ]).

ᴠ 2 / ᴠ 1 = 4 2/1 = 8.

پاسخ: 8 برابر افزایش یافته است.

اثر دما

وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما توسط دانشمند هلندی J. H. Van't Hoff به طور تجربی تعیین شد. او دریافت که سرعت بسیاری از واکنش ها با هر 10 درجه افزایش دما 2 تا 4 برابر افزایش می یابد. برای این قانون، یک عبارت ریاضی وجود دارد که به نظر می رسد:

ᴠ 2 = ᴠ 1 γ (Τ2-Τ1)/10، که در آن

ᴠ 1 و ᴠ 2 - سرعتهای مربوطه در دماهای Τ 1 و Τ 2.

γ - ضریب دمای، برابر با 2-4 است.

در عین حال، این قانون مکانیسم تأثیر دما بر مقدار سرعت یک واکنش خاص را توضیح نمی دهد و کل مجموعه قوانین را توصیف نمی کند. منطقی است که نتیجه گیری کنیم که با افزایش دما، حرکت آشفته ذرات افزایش می یابد و این باعث برانگیختن تعداد بیشتری از برخورد آنها می شود. با این حال، این به ویژه بر کارایی برخوردهای مولکولی تأثیر نمی گذارد، زیرا عمدتاً به انرژی فعال سازی بستگی دارد. همچنین تطابق مکانی آنها با یکدیگر نقش بسزایی در کارایی برخورد ذرات دارد.

وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما، با در نظر گرفتن ماهیت معرف ها، از معادله آرنیوس تبعیت می کند:

k \u003d A 0 e -Ea / RΤ، که در آن

A o یک ضریب است.

E a - انرژی فعال سازی.

نمونه ای از یک وظیفه در قانون van't Hoff

چگونه باید دما را تغییر داد تا سرعت یک واکنش شیمیایی که ضریب دمایی آن از نظر عددی برابر با 3 است، 27 برابر شود؟

راه حل. بیایید از فرمول استفاده کنیم

ᴠ 2 = ᴠ 1 γ (Τ2-Τ1)/10.

از شرط ᴠ 2 / ᴠ 1 = 27 و γ = 3. باید ΔΤ = Τ 2 -Τ 1 را پیدا کنید.

با تبدیل فرمول اصلی، دریافت می کنیم:

V 2 /V 1 \u003d γ ΔΤ / 10.

مقادیر را جایگزین می کنیم: 27=3 ΔΤ/10.

از اینجا مشخص می شود که ΔΤ/10 = 3 و ΔΤ = 30.

پاسخ: دما را باید 30 درجه افزایش داد.

تاثیر کاتالیزورها

در شیمی فیزیک، سرعت واکنش های شیمیایی نیز به طور فعال توسط بخشی به نام کاتالیز مطالعه می شود. او به این موضوع علاقه مند است که چگونه و چرا مقادیر نسبتاً کمی از مواد خاص به طور قابل توجهی میزان تعامل سایرین را افزایش می دهد. موادی که می توانند واکنش را تسریع کنند اما خودشان مصرف نمی شوند کاتالیزور نامیده می شوند.

ثابت شده است که کاتالیزورها مکانیسم برهمکنش شیمیایی خود را تغییر می دهند، به ظهور حالت های انتقالی جدید کمک می کنند، که با ارتفاع سد انرژی کمتر مشخص می شوند. به این معنی که آنها به کاهش انرژی فعال سازی و در نتیجه افزایش تعداد تأثیرات مؤثر ذرات کمک می کنند. یک کاتالیزور نمی تواند واکنشی ایجاد کند که از نظر انرژی غیرممکن است.

بنابراین پراکسید هیدروژن قادر است با تشکیل اکسیژن و آب تجزیه شود:

H 2 Ο 2 \u003d H 2 Ο + Ο 2.

اما این واکنش بسیار کند است و در کابینت های پزشکی ما برای مدت طولانی بدون تغییر وجود دارد. هنگام باز کردن فقط ویال های بسیار قدیمی پراکسید، می توانید یک ضربه کوچک ناشی از فشار اکسیژن بر روی دیواره رگ را مشاهده کنید. افزودن تنها چند دانه اکسید منیزیم باعث آزاد شدن فعال گاز می شود.

همان واکنش تجزیه پراکسید، اما تحت اثر کاتالاز، در طول درمان زخم رخ می دهد. مواد مختلفی در موجودات زنده وجود دارد که سرعت واکنش های بیوشیمیایی را افزایش می دهند. به آنها آنزیم می گویند.

مهارکننده ها اثر معکوس بر روند واکنش ها دارند. با این حال، این همیشه بد نیست. بازدارنده ها برای محافظت از محصولات فلزی در برابر خوردگی، برای افزایش ماندگاری مواد غذایی، به عنوان مثال، برای جلوگیری از اکسیداسیون چربی ها استفاده می شوند.

منطقه تماس با مواد

در صورتی که برهمکنش بین ترکیباتی با حالت‌های مختلف تجمعی یا بین موادی که قادر به تشکیل یک محیط همگن نیستند (مایعات غیرقابل اختلاط) رخ دهد، این عامل نیز به طور قابل توجهی بر سرعت یک واکنش شیمیایی تأثیر می‌گذارد. این به دلیل این واقعیت است که واکنش های ناهمگن مستقیماً در سطح مشترک بین فازهای مواد متقابل انجام می شود. بدیهی است که هر چه این مرز وسیعتر باشد، ذرات فرصت برخورد بیشتری دارند و واکنش سریعتر خواهد بود.

به عنوان مثال، در قالب تراشه های کوچک بسیار سریعتر از به شکل سیاهه می رود. برای همین منظور، بسیاری از مواد جامد قبل از افزودن به محلول، به صورت پودر ریز آسیاب می شوند. بنابراین، گچ پودر شده (کربنات کلسیم) با اسید کلریدریک سریعتر از یک قطعه از همان جرم عمل می کند. با این حال، این تکنیک علاوه بر افزایش مساحت، منجر به پارگی بی نظم شبکه کریستالی ماده نیز می شود، به این معنی که واکنش پذیری ذرات را افزایش می دهد.

از نظر ریاضی، سرعت یک واکنش شیمیایی ناهمگن به صورت تغییر در مقدار ماده (Δν) که در واحد زمان (Δt) در واحد سطح رخ می دهد، یافت می شود.

(S): V = Δν/(S Δt).

تاثیر فشار

تغییر فشار در سیستم تنها زمانی تأثیر دارد که گازها در واکنش شرکت کنند. افزایش فشار با افزایش مولکول های یک ماده در واحد حجم همراه است، یعنی غلظت آن به نسبت افزایش می یابد. برعکس، کاهش فشار منجر به کاهش معادل غلظت معرف می شود. در این مورد، فرمول مربوط به ZDM برای محاسبه سرعت یک واکنش شیمیایی مناسب است.

وظیفه. سرعت واکنش توصیف شده توسط معادله چگونه افزایش می یابد

2NO + Ο 2 = 2NO 2،

اگر حجم یک سیستم بسته به ضریب سه کاهش یابد (T=const)؟

راه حل. با کاهش حجم، فشار به نسبت افزایش می یابد. بیایید عبارات سرعت واکنش اولیه (V 1) و نهایی (V 2) را بنویسیم:

V 1 = k 2 [Ο 2 ] و

V 2 = k·(3·) 2 ·3·[Ο 2 ] = k·9[NO] 2 ·3[Ο 2].

برای اینکه بفهمید سرعت جدید چند برابر بیشتر از سرعت اولیه است، باید قسمت چپ و راست عبارات را تقسیم کنید:

V 1 /V 2 = (k 9 [NO] 2 3 [Ο 2 ]) / (k ? [NO] 2 [Ο 2 ]).

مقادیر غلظت و ثابت های سرعت کاهش می یابد و باقی می ماند:

V 2 / V 1 \u003d 9 3/1 \u003d 27.

پاسخ: سرعت 27 برابر افزایش یافته است.

به طور خلاصه، باید توجه داشت که میزان برهمکنش مواد، یا بهتر است بگوییم، تعداد و کیفیت برخورد ذرات آنها، تحت تأثیر عوامل بسیاری است. اول از همه، این انرژی فعال سازی و هندسه مولکول ها است که اصلاح آنها تقریبا غیرممکن است. در مورد شرایط باقیمانده، برای افزایش سرعت واکنش به شرح زیر است:

• افزایش دمای محیط واکنش؛
• افزایش غلظت ترکیبات اصلی؛
• اگر در مورد گازها صحبت می کنیم، فشار را در سیستم افزایش دهید یا حجم آن را کاهش دهید.
• مواد غیر مشابه را به یک حالت تجمع برسانید (مثلاً با حل شدن در آب) یا سطح تماس آنها را افزایش دهید.

سرعت یک واکنش شیمیایی به ماهیت واکنش دهنده ها و شرایط واکنش بستگی دارد: غلظت c، دما /> t />، /> وجود کاتالیزور، و همچنین به برخی عوامل دیگر (به عنوان مثال، فشار برای واکنش های گاز). , سنگ زنی برای جامدات, از قرار گرفتن در معرض رادیواکتیو)./>

تاثیر غلظت واکنش دهنده ها/> برای اینکه مواد A و B برهم کنش شیمیایی داشته باشند، مولکول ها (ذرات) آنها باید با هم برخورد کنند. هرچه برخورد بیشتر باشد، واکنش سریعتر پیش می رود. تعداد برخوردها بیشتر باشد، غلظت واکنش دهنده ها بیشتر است. از این رو، بر اساس مواد آزمایشی گسترده، قانون اساسی سینتیک شیمیایی فرموله می شود که وابستگی سرعت واکنش را به غلظت واکنش دهنده ها ایجاد می کند:

سرعت یک واکنش شیمیایی با محصول غلظت واکنش دهنده ها متناسب است.

برای واکنش (/> I/>) این قانون با معادله /> بیان می شود

v/> = />kc A /> />c B /> , /> (1)/>

که در آن c A و c B غلظت مواد A و B، mol/l هستند. />k/> - />ضریب/> تناسب، ثابت سرعت واکنش نامیده می شود. قانون اساسی سینتیک شیمیایی اغلب به عنوان قانون توده های کنشگر. />

از معادله (1) به راحتی می توان آن را ایجاد کرد معنای فیزیکیثابت سرعت />k/>: از نظر عددی برابر است با سرعت واکنش زمانی که غلظت هر یک از واکنش دهنده ها 1 مول در لیتر باشد یا محصول آنها برابر با واحد باشد./>

ثابت سرعت واکنش />k/> />به ماهیت واکنش دهنده ها و دما بستگی دارد، اما به غلظت آنها بستگی ندارد./>

معادله (1) که سرعت واکنش را به غلظت واکنش دهنده ها مرتبط می کند نامیده می شود معادله جنبشی واکنش. اگر معادله جنبشی واکنش به طور تجربی تعیین شود، با کمک آن می توان سرعت را در غلظت های دیگر همان واکنش دهنده ها محاسبه کرد.

تاثیر دما/> ./>

وابستگی سرعت واکنش به دما تعیین می شود قانون وانت هاف:/>

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

از نظر ریاضی، این وابستگی با رابطه /> بیان می شود

v t />/> 2/> = />v t /> 1/> γ/> , />

که در آن />v t /> 1/> />، />v t /> 2/> - /> سرعت واکنش، به ترتیب، در اولیه (/> t/> 1/>) و نهایی (/> t/>) 2/>) دما، و />γ/> - /> ضریب دمایی سرعت واکنش، که نشان می دهد با افزایش دمای مواد واکنش دهنده به میزان 10 درجه، چند برابر سرعت واکنش افزایش می یابد./>

قانون van't Hoff تقریبی است و فقط برای ارزیابی تقریبی تأثیر دما بر سرعت واکنش قابل استفاده است. دما با افزایش ثابت سرعت بر سرعت یک واکنش شیمیایی تأثیر می گذارد.

برخی از واکنش های شیمیایی تقریباً بلافاصله رخ می دهند (انفجار مخلوط اکسیژن-هیدروژن، واکنش های تبادل یونی در یک محلول آبی)، دومی - به سرعت (احتراق مواد، تعامل روی با اسید)، و دیگران - به آرامی (زنگ زدن آهن، تجزیه بقایای آلی). واکنش های آهسته شناخته شده است که فرد به سادگی نمی تواند آنها را متوجه شود. به عنوان مثال، تبدیل گرانیت به ماسه و خاک رس طی هزاران سال صورت می گیرد.

به عبارت دیگر، واکنش‌های شیمیایی می‌توانند متفاوت پیش بروند سرعت.

اما چیست واکنش سرعت? تعریف دقیق این کمیت و از همه مهمتر بیان ریاضی آن چیست؟

سرعت یک واکنش تغییر در مقدار یک ماده در یک واحد زمان در یک واحد حجم است. از نظر ریاضی، این عبارت به صورت زیر نوشته می شود:

جایی که n 1 و n 2- مقدار ماده (mol) در زمان t 1 و t 2 به ترتیب در سیستمی با حجم V.

اینکه کدام علامت مثبت یا منفی (±) قبل از بیان سرعت قرار می گیرد بستگی به این دارد که آیا ما به تغییر در مقدار کدام ماده - یک محصول یا یک واکنش دهنده نگاه می کنیم.

بدیهی است که در جریان واکنش، مصرف معرف ها اتفاق می افتد، یعنی تعداد آنها کاهش می یابد، بنابراین، برای معرف ها، عبارت (n 2 - n 1) همیشه مقدار کمتر از صفر دارد. از آنجایی که سرعت نمی تواند یک مقدار منفی باشد، در این حالت باید قبل از عبارت علامت منفی قرار گیرد.

اگر به تغییر مقدار محصول نگاه می کنیم و نه معرف، علامت منفی قبل از عبارت محاسبه نرخ مورد نیاز نیست، زیرا عبارت (n 2 - n 1) در این مورد همیشه مثبت است. ، زیرا مقدار محصول در نتیجه واکنش فقط می تواند افزایش یابد.

نسبت مقدار ماده nبه حجمی که این مقدار ماده در آن است، غلظت مولی نامیده می شود با:

بنابراین، با استفاده از مفهوم غلظت مولی و بیان ریاضی آن، می‌توان روش دیگری برای تعیین سرعت واکنش نوشت:

سرعت واکنش تغییر در غلظت مولی یک ماده در نتیجه یک واکنش شیمیایی در یک واحد زمان است:

عوامل موثر بر سرعت واکنش

اغلب بسیار مهم است که بدانیم چه چیزی سرعت یک واکنش خاص را تعیین می کند و چگونه بر آن تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، صنعت پالایش نفت در به معنای واقعی کلمهضربان برای هر نیم درصد اضافی محصول در واحد زمان. به هر حال، با توجه به حجم عظیم نفت فرآوری شده، حتی نیم درصد آن به سود مالی سالانه زیادی سرازیر می شود. در برخی موارد، کاهش سرعت هر واکنش، به ویژه، خوردگی فلزات بسیار مهم است.

بنابراین سرعت یک واکنش به چه چیزی بستگی دارد؟ به طور عجیبی به پارامترهای مختلفی بستگی دارد.

برای درک این موضوع، اول از همه، بیایید تصور کنیم که در نتیجه یک واکنش شیمیایی چه اتفاقی می افتد، به عنوان مثال:

معادله نوشته شده در بالا روندی را منعکس می کند که در آن مولکول های مواد A و B در برخورد با یکدیگر، مولکول های مواد C و D را تشکیل می دهند.

یعنی بدون شک برای انجام واکنش حداقل برخورد مولکول های مواد اولیه ضروری است. بدیهی است که اگر تعداد مولکول ها را در واحد حجم افزایش دهیم، تعداد برخوردها به همان صورت افزایش می یابد که دفعات برخورد شما با مسافران در اتوبوس شلوغ نسبت به یک اتوبوس نیمه خالی افزایش می یابد.

به عبارت دیگر، سرعت واکنش با افزایش غلظت واکنش دهنده ها افزایش می یابد.

در صورتی که یک یا چند واکنش دهنده گاز باشند، سرعت واکنش با افزایش فشار افزایش می یابد، زیرا فشار گاز همیشه با غلظت مولکول های تشکیل دهنده آن نسبت مستقیم دارد.

با این حال، برخورد ذرات شرط لازم اما کافی برای ادامه واکنش است. واقعیت این است که بر اساس محاسبات، تعداد برخورد مولکول های مواد واکنش دهنده در غلظت معقول آنقدر زیاد است که همه واکنش ها باید در یک لحظه انجام شوند. اما در عمل این اتفاق نمی افتد. موضوع چیه؟

واقعیت این است که هر برخورد مولکول های واکنش دهنده لزوما موثر نخواهد بود. بسیاری از برخوردها خاصیت ارتجاعی دارند - مولکول ها مانند توپ از یکدیگر پرش می کنند. برای اینکه واکنش انجام شود، مولکول ها باید انرژی جنبشی کافی داشته باشند. حداقل انرژی که مولکول های واکنش دهنده ها باید داشته باشند تا واکنش انجام شود، انرژی فعال سازی نامیده می شود و به عنوان E a نشان داده می شود. در سیستمی متشکل از تعداد زیادی مولکول، توزیع انرژی مولکول ها وجود دارد، برخی از آنها دارای انرژی کم، برخی دارای انرژی بالا و متوسط ​​هستند. از بین تمام این مولکول ها، تنها بخش کوچکی از مولکول ها دارای انرژی بیشتر از انرژی فعال سازی هستند.

همانطور که از درس فیزیک مشخص است، دما در واقع معیاری از انرژی جنبشی ذرات تشکیل دهنده ماده است. یعنی هرچه ذرات تشکیل دهنده ماده سریعتر حرکت کنند دمای آن بیشتر می شود. بنابراین، بدیهی است که با افزایش دما، اساساً انرژی جنبشی مولکول ها را افزایش می دهیم، در نتیجه نسبت مولکول های با انرژی بیش از E a افزایش می یابد و برخورد آنها منجر به واکنش شیمیایی می شود.

واقعیت تأثیر مثبت دما بر سرعت واکنش به طور تجربی در اوایل قرن نوزدهم توسط شیمیدان هلندی Van't Hoff ثابت شد. او بر اساس تحقیقات خود قاعده ای را تدوین کرد که هنوز نام او را دارد و به نظر می رسد:

سرعت هر واکنش شیمیایی با افزایش دما به میزان 10 درجه 2-4 برابر افزایش می یابد.

نمایش ریاضی این قانوننوشته شده به صورت:

جایی که V 2و V 1سرعت در دمای t 2 و t 1 به ترتیب است و γ ضریب دمایی واکنش است که مقدار آن اغلب در محدوده 2 تا 4 قرار دارد.

اغلب می توان سرعت بسیاری از واکنش ها را با استفاده از آن افزایش داد کاتالیزورها.

کاتالیزورها موادی هستند که بدون مصرف شدن یک واکنش را سرعت می بخشند.

اما چگونه کاتالیزورها می توانند سرعت واکنش را افزایش دهند؟

انرژی فعال سازی E a را به یاد بیاورید. مولکول هایی با انرژی کمتر از انرژی فعال سازی در غیاب کاتالیزور نمی توانند با یکدیگر تعامل کنند. کاتالیزورها مسیری را که در طول آن واکنش ادامه می‌یابد تغییر می‌دهند، شبیه به اینکه چگونه یک راهنمای با تجربه مسیر سفر را نه مستقیماً از طریق کوه، بلکه با کمک مسیرهای کنارگذر هموار می‌کند، در نتیجه حتی آن ماهواره‌هایی که به اندازه کافی نداشتند انرژی برای بالا رفتن از کوه قادر خواهد بود به سمت دیگری حرکت کند.

علیرغم این واقعیت که کاتالیزور در طول واکنش مصرف نمی شود، با این وجود در آن نقش فعالی دارد و ترکیبات واسطه ای را با معرف ها تشکیل می دهد، اما در پایان واکنش به حالت اولیه خود باز می گردد.

علاوه بر عوامل فوق مؤثر بر سرعت واکنش، در صورت وجود رابط بین مواد واکنش دهنده (واکنش ناهمگن)، سرعت واکنش به سطح تماس واکنش دهنده ها نیز بستگی دارد. به عنوان مثال، یک گرانول آلومینیوم فلزی را تصور کنید که در یک لوله آزمایش حاوی محلول آبی اسید هیدروکلریک ریخته شده است. آلومینیوم یک فلز فعال است که می تواند با اسیدهای غیر اکسید کننده واکنش دهد. با اسید کلریدریک، معادله واکنش به شرح زیر است:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

آلومینیوم یک جامد است، به این معنی که فقط با اسید هیدروکلریک روی سطح خود واکنش نشان می دهد. بدیهی است که اگر ابتدا با غلتاندن گرانول آلومینیوم در فویل، سطح را افزایش دهیم، در نتیجه تعداد بیشتری از اتم‌های آلومینیوم را برای واکنش با اسید فراهم می‌کنیم. در نتیجه سرعت واکنش افزایش خواهد یافت. به طور مشابه، افزایش سطح یک جامد را می توان با آسیاب کردن آن به پودر به دست آورد.

همچنین، سرعت یک واکنش ناهمگن، که در آن یک جامد با یک گاز یا مایع واکنش می دهد، اغلب تحت تأثیر مثبت هم زدن قرار می گیرد، که به این دلیل است که در نتیجه هم زدن، مولکول های تجمع یافته محصولات واکنش از آن حذف می شوند. منطقه واکنش و بخش جدیدی از مولکول های معرف "برآورده می شود".

آخرین چیزی که باید به آن توجه کرد، تأثیر بسیار زیاد بر سرعت واکنش و ماهیت معرف‌ها است. به عنوان مثال، هرچه فلز قلیایی در جدول تناوبی کمتر باشد، سریعتر با آب واکنش می دهد، فلوئور در میان همه هالوژن ها سریعتر با گاز هیدروژن واکنش می دهد و غیره.

به طور خلاصه، سرعت واکنش به عوامل زیر بستگی دارد:

1) غلظت معرفها: هر چه بیشتر باشد، سرعت واکنش بیشتر است.

2) دما: با افزایش دما، سرعت هر واکنشی افزایش می یابد.

3) سطح تماس واکنش دهنده ها: هر چه سطح تماس واکنش دهنده ها بزرگتر باشد، سرعت واکنش بالاتر است.

4) هم زدن، اگر واکنش بین جامد و مایع یا گاز رخ دهد، هم زدن می تواند آن را تسریع کند.

سرعت یک واکنش شیمیایی با احتمال برخورد مولکولی تعیین می شود، یعنی. به غلظت واکنش دهنده ها بستگی دارد. دانشمند روسی N.N. Beketov (1865) و دانشمندان نروژی K. Guldberg و P. Vaage (1867) قانون عمل توده را استخراج کردند. قانون عمل جرم، قانون اساسی سینتیک شیمیایی است.

قانون اقدام جمعی: سرعت یک واکنش شیمیایی با حاصلضرب غلظت واکنش دهنده ها به توان ضرایب استوکیومتری آنها در دمای ثابت نسبت مستقیم دارد.

به عنوان مثال، برای واکنش 2H 2 (g) + O 2 (g) ⇄ 2H 2 O (n)، سرعت واکنش شیمیایی مستقیم ( v pr) به غلظت هیدروژن () و اکسیژن () بستگی دارد و با نسبت بیان می شود

v pr = ;

سرعت واکنش برگشتی ( v arr.) مطابق با قانون عمل جمعی را می توان به صورت زیر بیان کرد:

v arr =،

جایی که K pr. و K arr. ضرایب تناسب هستند، آنها همچنین ثابت سرعت واکنش هستند.

ثابت سرعت واکنش به غلظت بستگی ندارد، بلکه به ماهیت واکنش دهنده ها و دما بستگی دارد.

همانطور که از مثال بالا مشاهده می شود، برای سیستم های همگن، تمام غلظت های مواد برهم کنش در بیان ریاضی قانون عمل جرم گنجانده شده است.

برای سیستم های ناهمگن، برای مثال، برهمکنش یک فلز با اکسیژن 2Zn (t ) + О 2 (g) = 2ZnО (t) فقط غلظت اکسیژن به معادله قانون عمل جرم وارد می شود.

v pr = .

غلظت فلز در یک دمای معین عملاً ثابت می ماند و بنابراین می توان آن را به مقدار ثابت سرعت واکنش وارد کرد. اگر واکنش بین جامد و مایع عمدتاً در فاز مایع انجام شود، آنگاه فقط غلظت ماده ای که از ابتدای فرآیند در فاز مایع بوده است به بیان قانون عمل جرم وارد می شود. غلظت املاح در دمای معین ثابت می ماند و می توان آن را به یک مقدار ثابت وارد کرد. مثلا برای واکنش

واکنش مستقیم روی (t) + 2 HCl (l) \u003d ZnCl 2 (l) + H 2 (g) v pr = K Ave. · با 2 HCl، معکوس v arr = ارور کردن · .

تعادل شیمیایی

بنابراین، واکنش های شیمیایی می تواند هم در جهت جلو و هم در جهت مخالف انجام شود. چنین واکنش هایی نامیده می شود برگشت پذیردر مواردی که ترکیب سیستم در طول زمان تغییر نمی کند، وضعیت چنین است سیستم شیمیاییتعادل شیمیایی نامیده می شود. در این حالت، واکنش‌های جهت‌گیری مخالف، سرعت یکسانی دارند. بنابراین، تعادل شیمیایی پویا (متحرک) است.

بنابراین، اگر سرعت واکنش های رو به جلو و معکوس برابر باشد ( v pr = v arr) تعادل شیمیایی رخ می دهد. مثلا برای واکنش

H 2 + Cl 2 ⇆ 2H Cl v pr = K Ave. · v arr = K arr . ×

در حالت تعادل v pr = v arr اگر قسمت های سمت چپ معادله با هم برابر باشند، قسمت های سمت راست نیز برابر هستند K pr × × = K arr= ک arr ×

از نظر کمی، تعادل شیمیایی با یک ثابت تعادل مشخص می شود ( K r.) بیان ثابت تعادل شیمیایی بیان قانون عمل جرم ها به طور همزمان برای واکنش های مستقیم و معکوس است. ثابت تعادل نسبت ثابت های سرعت یک واکنش در دمای معین است.

برای واکنش 2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O در تعادل. اگر هر قسمت از تساوی را بر حاصلضرب تقسیم کنیم ، سپس دریافت می کنیم

.

این نسبت ثابت تعادل نامیده می شود و نشان داده می شود K rثابت تعادل را می توان به عنوان نسبت ثابت های سرعت واکنش های رو به جلو و معکوس یا به عنوان نسبت حاصلضرب غلظت محصولات واکنش به توان ضرایب استوکیومتری آنها و حاصلضرب غلظت مواد شروع کننده تعریف کرد. به توان ضرایب استوکیومتری آنها .

ثابت تعادل به ماهیت مواد و دما بستگی دارد، اما به غلظت بستگی ندارد.

با این حال، وضعیت تعادل شیمیایی که هر سیستمی در آن قرار دارد تا زمانی که شرایط خارجی تغییر کند، ادامه می یابد. در این حالت، واکنش های رو به جلو و معکوس به یک شکل تغییر نمی کند و سیستم دیگر در حالت تعادل نخواهد بود، تغییر در تعادل شیمیایی رخ می دهد. الگوهایی که هنگام تغییر تعادل شیمیایی مشاهده می شوند، به طور کیفی توسط اصل لو شاتلیه (1884) توصیف می شوند.

اصل لو شاتلیه:با هر گونه تاثیر خارجی بر سیستمی که در حالت تعادل شیمیایی است، فرآیندهایی در آن رخ می دهد که منجر به کاهش این تاثیر می شود.

بنابراین، با افزایش غلظت یکی از مواد تشکیل دهنده سیستم، تمایل به افزایش مصرف این ماده خاص وجود دارد و تعادل به سمت کاهش غلظت کاهش می یابد. به عنوان مثال، با افزایش غلظت اکسیژن یا هیدروژن، تعادل واکنش 2H 2 (g) + O 2 (g) ⇆ 2H 2 O (n) به سمت تشکیل آب تغییر می کند.

تغییر فشار باعث تغییر حجم در طی یک واکنش شیمیایی می شود. در نتیجه، با افزایش فشار، تعادل در جهت انجام واکنش با کاهش تعداد مولکول‌ها تغییر می‌کند و برعکس، کاهش فشار باعث تغییر در تعادل در جهت واکنش با افزایش می‌شود. در تعداد مولکول ها به عنوان مثال، در واکنش 2H 2 + O 2 ⇄ 2H 2 O، افزایش فشار منجر به تغییر تعادل به سمت تشکیل آب می شود.

با افزایش دما، واکنش های رو به جلو و معکوس تسریع می شود، اما واکنش های گرماگیر به میزان بیشتری تسریع می شود، بنابراین تعادل در جهت فرآیند گرماگیر تغییر می کند. به عنوان مثال، واکنش 2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O در جهت جلو با آزاد شدن گرما ادامه می یابد (D اچ < О, س> O)، و در جهت مخالف - با جذب گرما (D اچ> اوه س <О). При увеличении температуры равновесие может сместиться в сторону образования водорода и кислорода при разложении воды, т.е. в сторону эндотермической реакции.

معرف ها و تجهیزات

در کار از:

§ 0.2 M; 0.3 M; 0.5 M; محلول 1.0 مولار تیوسولفات سدیم (Na 2 S 2 O 3 ).

§ محلول حاوی 1 wt.h. اسید سولفوریک (H 2 SO 4 ): 200 wt.h. H 2 O;

§ 0.005M; محلول 1.0 مولار کلرید آهن (FeCl 3)؛

§ 0.005M; محلول 1.0 مولار تیوسیانات آمونیوم (NH 4 CNS)؛

§ آمونیوم یا کلرید سدیم (کریستالی)؛

§ رنگ سنج فوتوالکتریک نوع KFK-3.

بخش تجربی

سیستم های. اما این مقدار امکان واقعی واکنش را منعکس نمی کند سرعتو مکانیزم

برای نمایش کامل یک واکنش شیمیایی، باید از الگوهای زمانی در طول اجرای آن آگاهی داشت، به عنوان مثال. سرعت واکنش شیمیاییو مکانیسم دقیق آن سرعت و مکانیسم مطالعات واکنش سینتیک شیمیاییعلم فرآیندهای شیمیایی

از نظر سینتیک شیمیایی، واکنش ها را می توان طبقه بندی کرد به ساده و پیچیده.

واکنش های ساده- فرآیندهایی که بدون تشکیل ترکیبات واسطه رخ می دهند. با توجه به تعداد ذرات شرکت کننده در آن، آنها را به تقسیم می کنند تک مولکولی، دو مولکولی، سه مولکولی.برخورد بیش از 3 ذره بعید است، بنابراین واکنش های سه مولکولی بسیار نادر هستند و واکنش های چهار مولکولی ناشناخته هستند. واکنش های پیچیده- فرآیندهای متشکل از چندین واکنش اولیه.

هر فرآیندی با سرعت ذاتی خود پیش می رود، که می تواند با تغییراتی که در یک دوره زمانی خاص رخ می دهد، تعیین شود. وسط سرعت واکنش شیمیاییبه صورت تغییر در مقدار یک ماده بیان می شود nماده مصرف شده یا دریافت شده در واحد حجم V در واحد زمان t.

υ = ± dn/ dt· V

اگر ماده مصرف شود، علامت "-" را قرار می دهیم، اگر تجمع پیدا کند - "+"

در حجم ثابت:

υ = ± دی سی/ dt,

واحد سرعت واکنش mol/l s

به طور کلی، υ یک مقدار ثابت است و به این بستگی ندارد که کدام ماده را در واکنش دنبال می کنیم.

وابستگی غلظت معرف یا محصول به زمان واکنش به صورت ارائه شده است منحنی جنبشی، که به نظر می رسد:

اگر عبارات فوق به عبارت زیر تبدیل شوند، محاسبه υ از داده های تجربی راحت تر است:

قانون توده های فعال ثابت ترتیب و سرعت واکنش

یکی از جمله بندی قانون عمل توده ایبه نظر می رسد این است: سرعت یک واکنش شیمیایی همگن اولیه با محصول غلظت واکنش دهنده ها نسبت مستقیم دارد.

اگر فرآیند مورد مطالعه به صورت زیر نمایش داده شود:

a A + b B = محصولات

سپس سرعت یک واکنش شیمیایی را می توان بیان کرد معادله جنبشی:

υ = k [A] a [B] bیا

υ = k C a A C b B

اینجا [ آ] و [ب] (C A وC B) - غلظت معرف ها،

یک وبضرایب استوکیومتری یک واکنش ساده هستند،

کسرعت واکنش ثابت است.

معنای شیمیایی کمیت ک- این واکنش سرعتدر غلظت های منفرد یعنی اگر غلظت مواد A و B برابر با 1 باشد، آنگاه υ = ک.

باید در نظر داشت که در فرآیندهای شیمیایی پیچیده ضرایب یک وببا استوکیومتری مطابقت ندارد.

قانون کنش جمعی تحت چند شرط تحقق می یابد:

• واکنش از نظر حرارتی فعال می شود، یعنی. انرژی حرکت حرارتی
• غلظت معرف ها به طور مساوی توزیع شده است.
• خواص و شرایط محیط در طول فرآیند تغییر نمی کند.
• خواص محیطی نباید تاثیر بگذارد ک.

برای فرآیندهای پیچیده قانون عمل توده ای قابل اعمال نیست. این را می توان با این واقعیت توضیح داد که یک فرآیند پیچیده از چندین مرحله ابتدایی تشکیل شده است و سرعت آن نه با سرعت کل همه مراحل، بلکه توسط یکی از کندترین مراحل تعیین می شود که به نام محدود کردن.

هر واکنشی خاص خود را دارد سفارش. تعیین کنید سفارش خصوصی (جزئی).توسط معرف و سفارش کلی (کامل).. به عنوان مثال، در بیان سرعت یک واکنش شیمیایی برای یک فرآیند

a A + b B = محصولات

υ = ک·[ آ] آ·[ ب] ب

آ– سفارش بر اساس معرف آ

ب — سفارش بر اساس معرف که در

دستور عمومی آ + ب = n

برای فرآیندهای سادهترتیب واکنش تعداد ذرات واکنش دهنده را نشان می دهد (مطابق با ضرایب استوکیومتری) و مقادیر صحیح را می گیرد. برای فرآیندهای پیچیدهترتیب واکنش با ضرایب استوکیومتری منطبق نیست و می تواند هر کدام باشد.

اجازه دهید عوامل موثر بر سرعت یک واکنش شیمیایی υ را تعیین کنیم.

1. وابستگی سرعت واکنش به غلظت واکنش دهنده ها

   توسط قانون عمل جمعی تعیین می شود: υ = ک[ آ] آ·[ ب] ب

بدیهی است که با افزایش غلظت واکنش دهنده ها، υ افزایش می یابد، زیرا تعداد برخورد بین مواد شرکت کننده در فرآیند شیمیایی افزایش می یابد. علاوه بر این، مهم است که ترتیب واکنش را در نظر بگیرید: اگر آن را n=1برای برخی از معرف ها، سرعت آن با غلظت این ماده رابطه مستقیم دارد. اگر برای هر معرف n=2، سپس دو برابر شدن غلظت آن منجر به افزایش سرعت واکنش 2 2 \u003d 4 برابر می شود و افزایش غلظت به میزان 3 برابر سرعت واکنش را 3 2 \u003d 9 برابر می کند.