Помощ за Tele2, тарифи, въпроси

Скоростта на химичните реакции. Химично равновесие

План:

1. Концепцията за скорост химическа реакция.

2. Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция.

3. Химично равновесие. Фактори, влияещи върху равновесието на изместване. Принцип на Льо Шателие.

Химичните реакции протичат с различна скорост. Реакциите протичат много бързо във водни разтвори. Например, ако разтворите на бариев хлорид и натриев сулфат се отцедят, веднага се утаява бяла утайка от бариев сулфат. Етиленът бързо, но не моментално обезцветява бромната вода. Ръждата бавно се образува върху железни предмети, плака се появява върху медни и бронзови продукти, а листата гният.

Науката изучава скоростта на химичната реакция, както и идентифицира нейната зависимост от условията на процеса - химична кинетика.

Ако реакциите протичат в хомогенна среда, например в разтвор или газова фаза, тогава взаимодействието на реагентите се извършва в целия обем. Такива реакции се наричат хомогенен.

Ако възникне реакция между вещества, разположени в различни агрегатни състояния(например между твърдо вещество и газ или течност) или между вещества, които не са способни да образуват хомогенна среда (например между две несмесващи се течности), тогава преминава само по повърхността на контакт на веществата. Такива реакции се наричат разнородни.

υ на хомогенна реакция се определя от промяната в количеството вещество на единица на единица обем:

υ =Δn / Δt ∙V

където Δ n е промяната в броя на моловете на едно от веществата (най-често първоначалното, но може да бъде и продукт на реакцията), (mol);

V – обем газ или разтвор (l)

Тъй като Δ n / V = ​​​​ΔC (промяна в концентрацията), тогава

υ =Δ C / Δt (mol/l∙ s)

υ на хетерогенна реакция се определя от промяната в количеството вещество за единица време на единица повърхност на контакт на веществата.

υ =Δn / Δt ∙ S

където Δ n – промяна в количеството на веществото (реагент или продукт), (mol);

Δt – интервал от време (s, min);

S – контактна повърхност на веществата (cm 2, m 2)

Защо скоростите на различните реакции не са еднакви?

За да започне химическа реакция, молекулите на реагиращите вещества трябва да се сблъскат. Но не всеки сблъсък води до химическа реакция. За да може сблъсъкът да доведе до химическа реакция, молекулите трябва да имат достатъчно висока енергия. Наричат ​​се частици, които могат да претърпят химическа реакция при сблъсък активен.Те имат излишна енергия спрямо средната енергия на повечето частици – енергия на активиране Д акт.В дадено вещество има много по-малко активни частици, отколкото със средна енергия, така че за да започнат много реакции, системата трябва да получи известна енергия (светлинна мигавица, нагряване, механичен удар).

Енергийна бариера (стойност Д акт) е различно за различните реакции, колкото по-ниско е, толкова по-лесно и по-бързо протича реакцията.

2. Фактори, влияещи върху υ(брой сблъсъци на частици и тяхната ефективност).

1) Естество на реагентите:техният състав, структура => енергия на активиране

▪ толкова по-малко Д акт, колкото по-голямо е υ;

Ако Д акт < 40 кДж/моль, то это значит, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к их взаимодействию, и скорость такой реакции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, т.к. в этих реакциях участвуют разноименнозаряженные частицы, и энергия активации в этих случаях ничтожно мала.

Ако Д акт> 120 kJ/mol, това означава, че само малка част от сблъсъци между взаимодействащи частици водят до реакция. Честотата на такива реакции е много ниска. Например ръждясване на желязо, или

протичането на реакцията на синтез на амоняк при обикновени температури е почти невъзможно да се забележи.

Ако Д актимат междинни стойности(40 – 120 kJ/mol), тогава скоростта на такива реакции ще бъде средна. Такива реакции включват взаимодействието на натрий с вода или етанол, обезцветяване на бромна вода с етилен и др.

2) температура: при t за всеки 10 0 C, υ 2-4 пъти (правило на van't Hoff).

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

При t, броят на активните частици (s Д акт) и техните активни сблъсъци.

Задача 1.Скоростта на определена реакция при 0 0 C е равна на 1 mol/l ∙ h, температурният коефициент на реакцията е 3. Каква ще бъде скоростта на тази реакция при 30 0 C?

υ 2 = υ 1 ∙ γ Δt/10

υ 2 =1∙3 30-0/10 = 3 3 =27 mol/l∙h

3) Концентрация:колкото повече, толкова по-често възникват сблъсъци и υ. При постоянна температура за реакцията mA + nB = C съгласно закона за масовото действие:

υ = k ∙ C A m ∙ C B n

където k е константата на скоростта;

C – концентрация (mol/l)

Закон за масовото действие:

Скоростта на химичната реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, взети в степени, равни на техните коефициенти в уравнението на реакцията.

З.д.м. не отчита концентрацията на реагиращите вещества в твърдо състояние, т.к те реагират на повърхности и техните концентрации обикновено остават постоянни.

Задача 2.Реакцията протича по уравнението A + 2B → C. Колко пъти и как ще се промени скоростта на реакцията, когато концентрацията на вещество B се увеличи 3 пъти?

Решение:υ = k ∙ C A m ∙ C B n

υ = k ∙ C A ∙ C B 2

υ 1 = k ∙ a ∙ b 2

υ 2 = k ∙ a ∙ 3 в 2

υ 1 / υ 2 = a ∙ in 2 / a ∙ 9 in 2 = 1/9

Отговор: ще се увеличи 9 пъти

При газообразните вещества скоростта на реакцията зависи от налягането

как повече натиск, толкова по-висока е скоростта.

4) Катализатори– вещества, които променят механизма на реакция, намаляват Д акт => υ .

▪ Катализаторите остават непроменени след приключване на реакцията

▪ Ензимите са биологични катализатори, протеини по природа.

▪ Инхибитори – вещества, които ↓ υ

5) За хетерогенни реакции υ също зависи:

▪ върху състоянието на контактната повърхност на реагиращите вещества.

Сравнете: равни обеми разтвор на сярна киселина бяха изсипани в 2 епруветки и в същото време беше пуснат железен пирон в едната и железни стружки в другата твърдоводи до увеличаване на броя на неговите молекули, които могат да реагират едновременно. Следователно във втората епруветка скоростта на реакцията ще бъде по-голяма, отколкото в първата.

В живота се сблъскваме с различни химични реакции. Някои от тях, като ръждясването на желязото, могат да продължат няколко години. Други, като ферментирането на захар в алкохол, отнемат няколко седмици. Дървата в печката изгарят за няколко часа, а бензинът в двигателя изгаря за част от секундата.

За да намалят разходите за оборудване, химическите заводи увеличават скоростта на реакциите. И някои процеси, например разваляне на храни и корозия на метали, трябва да бъдат забавени.

Скорост на химическа реакцияможе да се изрази като промяна в количеството материя (n, модул) за единица време (t) - сравнете скоростта на движещо се тяло във физиката като промяна в координатите за единица време: υ = Δx/Δt. За да не зависи скоростта от обема на съда, в който протича реакцията, разделяме израза на обема на реагиращите вещества (v), т.е. получавамепромяна в количеството вещество за единица време на единица обем, или промяна на концентрацията на едно от веществата за единица време:

където c = n/v - концентрация на веществото,

Δ (да се чете „делта“) е общоприето обозначение за промяна в стойността.

Ако веществата имат различни коефициенти в уравнението, скоростта на реакцията за всяко от тях, изчислена по тази формула, ще бъде различна. Например 2 мола серен диоксид реагират напълно с 1 мол кислород за 10 секунди в 1 литър:

2SO2 + O2 = 2SO3

Скоростта на кислород ще бъде: υ = 1: (10 1) = 0,1 mol/l s

Скорост за серен диоксид: υ = 2: (10 1) = 0,2 mol/l s- това не е нужно да се учи наизуст и да се казва по време на изпита, примерът е даден, за да не се объркате, ако възникне този въпрос.

Скоростта на хетерогенните реакции (включващи твърди вещества) често се изразява на единица площ от контактни повърхности:

Реакциите се наричат ​​хетерогенни, когато реагентите са в различни фази:

• твърдо вещество с друго твърдо вещество, течност или газ,
• две несмесващи се течности
• течност с газ.

Между веществата в една фаза възникват хомогенни реакции:

• между добре смесени течности,
• газове,
• вещества в разтвори.

Условия, влияещи върху скоростта на химичните реакции

1) Скоростта на реакция зависи от природата на реагентите. Просто казано, различни веществареагират с различна скорост. Например, цинкът реагира бурно с солна киселина, а желязото е доста бавно.

2) Колкото по-висока е скоростта на реакцията, толкова по-бързо концентрациявещества. Цинкът ще реагира много по-дълго със силно разредена киселина.

3) Скоростта на реакция се увеличава значително с увеличаване температура. Например, за да гори горивото, то трябва да се запали, т.е. температурата трябва да се повиши. За много реакции повишаването на температурата с 10°C е придружено от 2- до 4-кратно увеличение на скоростта.

4) Скорост разнородниреакциите нарастват с увеличаване повърхности на реагиращи вещества. Твърдите вещества обикновено се смилат за тази цел. Например, за да реагират желязото и серните прахове при нагряване, желязото трябва да е под формата на фини стърготини.

Моля, имайте предвид, че в този случай формула (1) се подразбира! Формула (2) изразява скоростта на единица площ, следователно не може да зависи от площта.

5) Скоростта на реакцията зависи от наличието на катализатори или инхибитори.

Катализатори- вещества, които ускоряват химичните реакции, но не се изразходват сами. Пример за това е бързото разлагане на водороден пероксид с добавяне на катализатор - манганов (IV) оксид:

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

Мангановият (IV) оксид остава на дъното и може да се използва повторно.

инхибитори- вещества, които забавят реакцията. Например, инхибитори на корозията се добавят към система за отопление на водата, за да се удължи живота на тръбите и батериите. В автомобилите инхибиторите на корозията се добавят към спирачната и охлаждащата течност.

Още няколко примера.

Химични методи

Физически методи

Методи за измерване скоростта на реакцията

В горния пример скоростта на реакцията между калциев карбонат и киселина беше измерена чрез изследване на обема на освободения газ като функция на времето. Експериментални данни за скоростта на реакцията могат да бъдат получени чрез измерване на други величини.

Ако общото количество газообразни вещества се промени по време на реакция, тогава нейният ход може да се наблюдава чрез измерване на налягането на газа при постоянен обем. В случаите, когато един от изходните материали или един от реакционните продукти е оцветен, протичането на реакцията може да се наблюдава чрез наблюдение на промяната в цвета на разтвора. Друг оптичен метод е да се измери въртенето на равнината на поляризация на светлината (ако изходните материали и продуктите на реакцията имат различни мощности на въртене).

Някои реакции са придружени от промяна в броя на йоните в разтвора. В такива случаи скоростта на реакцията може да се изследва чрез измерване на електрическата проводимост на разтвора. Следващата глава ще разгледа някои други електрохимични техники, които могат да се използват за измерване на скоростта на реакцията.

Прогресът на реакцията може да се наблюдава чрез измерване на концентрацията на един от участниците в реакцията във времето, като се използват различни методи за химичен анализ. Реакцията се провежда в термостатиран съд. На определени интервали се взема проба от разтвора (или газа) от съда и се определя концентрацията на един от компонентите. За получаване на надеждни резултати е важно да не настъпи никаква реакция в пробата, взета за анализ. Това се постига чрез химическо свързване на един от реагентите, внезапно охлаждане или разреждане на разтвора.

Експерименталните изследвания показват, че скоростта на реакцията зависи от няколко фактора. Нека първо разгледаме влиянието на тези фактори на качествено ниво.

1.Естеството на реагиращите вещества.От лабораторната практика знаем, че неутрализацията на киселина с основа

H + + OH – ® H 2 O

взаимодействие на соли с образуването на слабо разтворимо съединение

Ag + + Cl – ® AgCl

и други реакции в електролитни разтвори протичат много бързо. Времето, необходимо за завършване на такива реакции, се измерва в милисекунди и дори микросекунди. Това е съвсем разбираемо, т.к същността на такива реакции е приближаването и комбинирането на заредени частици с заряди с противоположен знак.

За разлика от йонните реакции, взаимодействията между ковалентно свързаните молекули обикновено протичат много по-бавно. Наистина, по време на реакцията между такива частици трябва да се разрушат връзките в молекулите на изходните вещества. За целта сблъскващите се молекули трябва да имат определено количество енергия. Освен това, ако молекулите са достатъчно сложни, за да възникне реакция между тях, те трябва да са ориентирани по определен начин в пространството.

2. Концентрация на реагентите. Скоростта на химическата реакция, при равни други условия, зависи от броя на сблъсъците на реагиращите частици за единица време. Вероятността от сблъсъци зависи от броя на частиците в единица обем, т.е. върху концентрацията. Следователно скоростта на реакцията се увеличава с увеличаване на концентрацията.

3. Агрегатно състояние на веществата. В хомогенните системи скоростта на реакцията зависи от броя на сблъсъците на частиците обем на разтвора(или газ). В хетерогенните системи възниква химично взаимодействие на интерфейса. Увеличаването на повърхността на твърдото вещество, когато се раздробява, улеснява реагиращите частици да достигнат до частиците на твърдото вещество, което води до значително ускоряване на реакцията.

4. температураима значително влияние върху скоростта на различни химични и биологични процеси. С повишаване на температурата кинетичната енергия на частиците се увеличава и следователно делът на частиците, чиято енергия е достатъчна за химично взаимодействие, се увеличава.

5. Стеричен факторхарактеризира необходимостта от взаимна ориентация на реагиращите частици. Колкото по-сложни са молекулите, толкова по-малко вероятно е те да бъдат правилно ориентирани и толкова по-малко ефективни са сблъсъците.

6. Наличие на катализатори.Катализаторите са вещества, чието присъствие променя скоростта на химичната реакция.Въведени в реакционната система в малки количества и оставайки непроменени след реакцията, те са способни изключително много да променят скоростта на процеса.

Основните фактори, от които зависи скоростта на реакцията, ще бъдат разгледани по-подробно по-долу.

Скоростна реакциясе определя от промяна в моларната концентрация на един от реагентите:

V = ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) = ± (DC / Dt)

Където C 1 и C 2 са моларните концентрации на веществата в моменти t 1 и t 2, съответно (знак (+) - ако скоростта се определя от реакционния продукт, знак (-) - от изходното вещество).

Реакциите възникват, когато молекулите на реагиращите вещества се сблъскат. Скоростта му се определя от броя на сблъсъците и вероятността те да доведат до трансформация. Броят на сблъсъците се определя от концентрациите на реагиращите вещества, а вероятността от реакция се определя от енергията на сблъскващите се молекули.
Фактори, влияещи върху скоростта на химичните реакции.
1. Естеството на реагиращите вещества. Естеството на химичните връзки и структурата на молекулите на реагентите играят важна роля. Реакциите протичат в посока разрушаване на по-малко силни връзки и образуване на вещества с по-силни връзки. По този начин разкъсването на връзките в молекулите на Н2 и N2 изисква високи енергии; такива молекули са слабо реактивни. Разкъсването на връзки в силно полярни молекули (HCl, H 2 O) изисква по-малко енергия и скоростта на реакцията е много по-висока. Реакциите между йони в електролитни разтвори протичат почти мигновено.
Примери
Флуорът реагира експлозивно с водорода при стайна температура, бромът реагира с водорода бавно и при нагряване.
Калциевият оксид реагира енергично с вода, отделяйки топлина; меден оксид - не реагира.

2. Концентрация. С увеличаване на концентрацията (броя на частиците в единица обем) сблъсъци на молекули на реагиращи вещества се появяват по-често - скоростта на реакцията се увеличава.
Закон за масовото действие (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
Скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагентите.

AA + bB + . . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

Константата на скоростта на реакцията k зависи от природата на реагентите, температурата и катализатора, но не зависи от концентрациите на реагентите.
Физическото значение на константата на скоростта е, че тя е равна на скоростта на реакцията при единични концентрации на реагентите.
За хетерогенни реакции концентрацията на твърдата фаза не е включена в израза на скоростта на реакцията.

3. Температура. За всяко повишаване на температурата с 10°C скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти (правилото на Вант Хоф). Тъй като температурата се повишава от t 1 до t 2, промяната в скоростта на реакцията може да се изчисли по формулата:

(където Vt 2 и Vt 1 са скоростите на реакцията при температури t 2 и t 1, съответно; g е температурният коефициент на тази реакция).
Правилото на Вант Хоф е приложимо само в тесен температурен диапазон. По-точно е уравнението на Арениус:

• e -Ea/RT

Където
А е константа в зависимост от природата на реагентите;
R е универсалната газова константа;

Ea е енергията на активиране, т.е. енергията, която трябва да имат сблъскалите се молекули, за да може сблъсъкът да доведе до химическа трансформация.
Енергийна диаграма на химична реакция.

A - реактиви, B - активиран комплекс (преходно състояние), C - продукти.
Колкото по-висока е енергията на активиране Ea, толкова повече се увеличава скоростта на реакцията с повишаване на температурата.

4. Контактна повърхност на реагиращи вещества. За хетерогенни системи (когато веществата са в различни агрегатни състояния), колкото по-голяма е контактната повърхност, толкова по-бързо протича реакцията. Повърхността на твърдите вещества може да се увеличи чрез смилането им, а за разтворимите вещества чрез разтварянето им.

5. Катализа. Веществата, които участват в реакциите и увеличават скоростта им, оставайки непроменени в края на реакцията, се наричат ​​катализатори. Механизмът на действие на катализаторите е свързан с намаляване на енергията на активиране на реакцията поради образуването на междинни съединения. При хомогенна катализареагентите и катализаторът представляват една фаза (са в едно агрегатно състояние), с хетерогенна катализа- различни фази (в различно агрегатно състояние са). Забавете драстично развитието на нежеланото химически процесив някои случаи е възможно да се добавят инхибитори към реакционната среда (феноменът " отрицателна катализа").

Една от областите на физическата химия, химическата кинетика, изучава скоростта на химичната реакция и условията, които влияят върху нейната промяна. Той също така изследва механизмите на тези реакции и тяхната термодинамична валидност. Тези изследвания са важни не само за научни цели, но и за наблюдение на взаимодействието на компонентите в реакторите по време на производството на всякакви вещества.

Концепцията за скорост в химията

Скоростта на реакцията обикновено се нарича определена промяна в концентрациите на реагиралите съединения (ΔC) за единица време (Δt). Математическата формула за скоростта на химичната реакция е следната:

ᴠ = ±ΔC/Δt.

Скоростта на реакцията се измерва в mol/l∙s, ако протича в целия обем (т.е. реакцията е хомогенна) и в mol/m 2 ∙s, ако взаимодействието възниква на повърхността, разделяща фазите (т.е. реакцията е хетерогенна). Знакът „-“ във формулата се отнася за промените в концентрациите на първоначалните реагенти, а знакът „+“ се отнася до променящите се концентрации на продуктите от същата реакция.

Примери за реакции с различни скорости

Химичните взаимодействия могат да протичат с различна скорост. По този начин скоростта на растеж на сталактитите, тоест образуването на калциев карбонат, е само 0,5 mm на 100 години. Някои биохимични реакции протичат бавно, като фотосинтезата и протеиновия синтез. Корозията на металите протича с доста ниска скорост.

Средната скорост може да се използва за описание на реакции, които изискват един до няколко часа. Пример може да бъде готвенето, което включва разлагането и трансформацията на съединенията, съдържащи се в храните. Синтезът на отделни полимери изисква нагряване на реакционната смес за определено време.

Пример за химични реакции, чиято скорост е доста висока, са реакциите на неутрализация, взаимодействието на натриев бикарбонат с разтвор на оцетна киселина, придружено от освобождаване въглероден двуокис. Можете също така да споменете взаимодействието на бариев нитрат с натриев сулфат, при което се наблюдава освобождаване на утайка от неразтворим бариев сулфат.

Голям брой реакции могат да се появят със светкавична скорост и са придружени от експлозия. Класически пример е взаимодействието на калий с вода.

Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция

Струва си да се отбележи, че едни и същи вещества могат да реагират помежду си с различна скорост. Например, смес от газообразен кислород и водород може да бъде доста дълго времене показват признаци на взаимодействие, но когато контейнерът се разклати или удари, реакцията става експлозивна. Следователно химичната кинетика идентифицира определени фактори, които имат способността да влияят на скоростта на химичната реакция. Те включват:

• естеството на взаимодействащите вещества;
• концентрация на реагенти;
• промяна на температурата;
• наличие на катализатор;
• промяна на налягането (за газообразни вещества);
• зона на контакт между вещества (ако говорим за хетерогенни реакции).

Влияние на природата на веществото

Така значителна разликав скоростите на химичните реакции се обяснява различни значенияенергия на активиране (Ea). Разбира се като определено излишно количество енергия в сравнение със средната й стойност, необходима на молекула по време на сблъсък, за да настъпи реакция. Измерва се в kJ/mol и стойностите обикновено са в диапазона 50-250.

Общоприето е, че ако E a = 150 kJ/mol за всяка реакция, тогава при n. u. практически не тече. Тази енергия се изразходва за преодоляване на отблъскването между молекулите на веществата и за отслабване на връзките в изходните вещества. С други думи, енергията на активиране характеризира силата на химичните връзки във веществата. Въз основа на стойността на енергията на активиране можете предварително да оцените скоростта на химичната реакция:

• E а< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
• 40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
• E a >120, само много малка част от сблъсъците на частици ще доведат до реакция и нейната скорост ще бъде ниска.

Ефект на концентрацията

Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията се характеризира най-точно от закона за масовото действие (LMA), който гласи:

Скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, чиито стойности се вземат в степени, съответстващи на техните стехиометрични коефициенти.

Този закон е подходящ за елементарни едноетапни реакции или всеки етап от взаимодействието на вещества, характеризиращ се със сложен механизъм.

Ако трябва да определите скоростта на химическа реакция, чието уравнение може условно да бъде написано като:

αA+ bB = ϲС, тогава

в съответствие с горната формулировка на закона скоростта може да се намери с помощта на уравнението:

V=k·[A] a ·[B] b , където

a и b са стехиометрични коефициенти,

[A] и [B] са концентрациите на изходните съединения,

k е константата на скоростта на разглежданата реакция.

Значението на коефициента на скоростта на химичната реакция е, че неговата стойност ще бъде равна на скоростта, ако концентрациите на съединенията са равни на единици. Трябва да се отбележи, че за правилното изчисление с помощта на тази формула си струва да се вземе предвид състоянието на агрегиране на реагентите. Концентрацията на твърдото вещество се приема за единица и не се включва в уравнението, тъй като остава постоянна по време на реакцията. Така в изчисленията съгласно ZDM се включват само концентрациите на течни и газообразни вещества. По този начин, за реакцията на производство на силициев диоксид от прости вещества, описана с уравнението

Si (tv) + Ο 2(g) = SiO 2(tv) ,

скоростта се определя по формулата:

Типична задача

Как би се променила скоростта на химичната реакция на азотния оксид с кислорода, ако концентрациите на изходните съединения се удвоят?

Решение: Този процес съответства на уравнението на реакцията:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2.

Нека запишем изразите за началната (ᴠ 1) и крайната (ᴠ 2) скорости на реакция:

ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[O 2 ] и

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

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

ᴠ 2 /ᴠ 1 = 4 2/1 = 8.

Отговор: увеличен 8 пъти.

Ефект на температурата

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата е определена експериментално от холандския учен J. H. Van't Hoff. Той установява, че скоростта на много реакции се увеличава 2-4 пъти с всяко повишаване на температурата с 10 градуса. Има математически израз за това правило, който изглежда така:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10, където

ᴠ 1 и ᴠ 2 - съответните скорости при температури Τ 1 и Τ 2;

γ - температурен коефициент, равен на 2-4.

В същото време това правило не обяснява механизма на влиянието на температурата върху скоростта на определена реакция и не описва целия набор от модели. Логично е да се заключи, че с повишаване на температурата хаотичното движение на частиците се засилва и това провокира по-голям брой сблъсъци. Това обаче не засяга особено ефективността на молекулярните сблъсъци, тъй като зависи главно от енергията на активиране. Също така, тяхното пространствено съответствие помежду си играе важна роля за ефективността на сблъсъците на частици.

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата, като се вземе предвид естеството на реагентите, се подчинява на уравнението на Арениус:

k = A 0 e -Ea/RΤ, където

A o е множител;

E a - енергия на активиране.

Пример за проблем, използващ закона на van't Hoff

Как трябва да се промени температурата, така че скоростта на химична реакция, чийто температурен коефициент е числено равен на 3, да се увеличи 27 пъти?

Решение. Нека използваме формулата

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10.

От условието ᴠ 2 /ᴠ 1 = 27 и γ = 3. Трябва да намерите ΔΤ = Τ 2 -Τ 1.

Трансформирайки оригиналната формула, получаваме:

V 2 /V 1 =γ ΔT/10.

Заменяме стойностите: 27 = 3 ΔΤ/10.

От това става ясно, че ΔΤ/10 = 3 и ΔΤ = 30.

Отговор: температурата трябва да се увеличи с 30 градуса.

Ефект на катализаторите

Във физическата химия скоростта на химичните реакции също се изучава активно от раздел, наречен катализа. Той се интересува от това как и защо относително малки количества от определени вещества значително увеличават скоростта на взаимодействие на други. Веществата, които могат да ускорят реакцията, но не се изразходват сами в нея, се наричат ​​катализатори.

Доказано е, че катализаторите променят механизма на самото химично взаимодействие и допринасят за появата на нови преходни състояния, които се характеризират с по-ниска височина на енергийната бариера. Тоест, те помагат за намаляване на енергията на активиране и следователно увеличават броя на ефективните удари на частици. Катализаторът не може да предизвика реакция, която е енергийно невъзможна.

По този начин водородният пероксид може да се разложи, за да образува кислород и вода:

Н 2 О 2 = Н 2 О + О 2 .

Но тази реакция е много бавна и в нашите аптечки тя съществува непроменена доста дълго време. Когато отваряте само много стари бутилки с пероксид, може да забележите лек пукащ звук, причинен от налягането на кислорода върху стените на съда. Добавянето само на няколко зрънца магнезиев оксид ще провокира активно отделяне на газ.

Същата реакция на разлагане на пероксида, но под въздействието на каталаза, възниква при лечение на рани. Живите организми съдържат много различни вещества, които увеличават скоростта на биохимичните реакции. Те обикновено се наричат ​​ензими.

Инхибиторите имат обратен ефект върху хода на реакциите. Това обаче не винаги е лошо. Инхибиторите се използват за защита на метални продукти от корозия, за удължаване на срока на годност на храните, например за предотвратяване на окисляването на мазнините.

Контактна зона с веществото

В случай, че взаимодействието възниква между съединения, които имат различни агрегатни състояния, или между вещества, които не са способни да образуват хомогенна среда (несмесващи се течности), тогава този фактор също значително влияе върху скоростта на химичната реакция. Това се дължи на факта, че хетерогенните реакции протичат директно на границата между фазите на взаимодействащите вещества. Очевидно, колкото по-широка е тази граница, толкова повече частици имат възможност да се сблъскат и толкова по-бърза е реакцията.

Например, той върви много по-бързо под формата на малки чипове, отколкото под формата на труп. За същата цел много твърди вещества се смилат на фин прах, преди да се добавят към разтвора. Така креда на прах (калциев карбонат) действа по-бързо със солна киселина, отколкото парче от същата маса. Но освен увеличаване на площта, тази техника води и до хаотично разкъсване на кристалната решетка на веществото и следователно повишава реактивността на частиците.

Математически, скоростта на хетерогенна химическа реакция се намира като промяната в количеството вещество (Δν), възникващо за единица време (Δt) на единица повърхност

(S): V = Δν/(S·Δt).

Ефект на натиска

Промяната в налягането в системата има ефект само когато в реакцията участват газове. Увеличаването на налягането се придружава от увеличаване на молекулите на веществото на единица обем, т.е. концентрацията му се увеличава пропорционално. Обратно, намаляването на налягането води до еквивалентно намаляване на концентрацията на реагента. В този случай формулата, съответстваща на ZDM, е подходяща за изчисляване на скоростта на химична реакция.

Задача. Как ще се увеличи скоростта на реакцията, описана от уравнението?

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2,

ако обемът на затворена система се намали три пъти (T=const)?

Решение. Когато обемът намалява, налягането се увеличава пропорционално. Нека запишем изразите за началната (V 1) и крайната (V 2) скорости на реакция:

V 1 = k 2 [Ο 2 ] и

V 2 = k·(3·) 2 ·3·[Ο 2 ] = k·9[ΝΟ] 2 ·3[O 2 ].

За да намерите колко пъти новата скорост е по-голяма от първоначалната, трябва да разделите лявата и дясната страна на изразите:

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

Стойностите на концентрацията и константите на скоростта се намаляват и това, което остава, е:

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

Отговор: скоростта се е увеличила 27 пъти.

Обобщавайки, трябва да се отбележи, че скоростта на взаимодействие на веществата, или по-точно, количеството и качеството на сблъсъци на техните частици, се влияе от много фактори. На първо място, това са енергията на активиране и геометрията на молекулите, които е почти невъзможно да се коригират. Що се отнася до останалите условия, за да се увеличи скоростта на реакцията, трябва:

• повишаване на температурата на реакционната среда;
• повишаване на концентрациите на изходните съединения;
• увеличаване на налягането в системата или намаляване на нейния обем, ако говорим за газове;
• доведете различни вещества до едно и също агрегатно състояние (например, като ги разтваряте във вода) или увеличете площта на техния контакт.