§15. Keemilise reaktsiooni kiirus. Eesmärk: teada saada, milline on keemilise reaktsiooni kiirus ja millistest teguritest see sõltub. Tunni käigus tutvume teooriaga. Mis on keemilise reaktsiooni kiirus milles

Kiirusreaktsioon määratakse elementaarsete interaktsiooniaktide arvu järgi, mis toimuvad ajaühikus ruumalaühikus (homogeensete reaktsioonide korral) või faasieralduspinna ühiku kohta (heterogeensete reaktsioonide korral). Reaktsioonikiirust iseloomustab tavaliselt reagentide kontsentratsiooni muutus ajas. Kontsentratsiooni lahuses väljendatakse mol/l, gaasides osarõhuga, aega sekundites. DС=С 2 -С 1 kontsentratsiooni muutus aja jooksul Dt=t 2 -t 1 määrab protsessi kiiruse.

Märk "-" koos reageerivate ainete kontsentratsiooni vähenemisega, märk "+" reaktsioonisaaduste kontsentratsiooni suurenemisega.

Reaktsioonikiirust saab hinnata süsteemi mis tahes omaduse, näiteks värvi, elektrijuhtivuse, spektri, rõhu, sademete, gaasi eraldumise jne muutumise kiiruse järgi.

Protsessi kiirus on võrdeline osakeste kokkupõrke tõenäosusega, mille määrab nende kontsentratsioon.

Selle mustri kehtestasid eksperimentaalselt aastatel 1864-67 K. Guldberg ja P. Waage, 1865. aastal N.I. Beketov, on keemilise kineetika põhiseadus ja seda nimetatakse tegutsevate masside seadus: konstantsel temperatuuril on homogeensete keemiliste reaktsioonide kiirus otseselt võrdeline reagentide kontsentratsioonide korrutisega, mis on tõstetud nende stöhhiomeetriliste koefitsientide astmeni.

Nii reaktsioonide jaoks

1) H2 + Cl2 \u003d 2HCl, ;

2) 2NO + O 2 \u003d 2NO 2, .

k - proportsionaalsuse koefitsient ehk kiiruskonstant, näitab, milline osa ainete kogukontsentratsioonist antud tingimustes reageerib, on määratud ainete olemusest ja temperatuuri muutumisest.

K väärtus on arvuliselt võrdne reaktsioonikiirusega, kui reagentide kontsentratsioonid on võrdsed ühikuga.

Kõik liigutused on katkematu ahel
vorm Ja tekivad üks
teine ​​teadaolevas järjekorras.
Lucretius

Mis on keemilise reaktsiooni mehhanism? Mis on reaktsiooni kineetiline võrrand ja mis on selle tähendus? Mis on katalüsaatori toimemehhanism? Mis on inhibiitorid?

Tund-loeng

KEEMILINE REAKTSIOON LIIKUMISE NÄITEKS. Pidage meeles, milline on keemilise reaktsiooni kiirus ja millistest teguritest see sõltub.

Keemilised reaktsioonid kulgevad erineva kiirusega. Nende kiiruste vahemik on äärmiselt lai - alates peaaegu hetkelistest reaktsioonidest (plahvatus, palju reaktsioone lahustes) kuni äärmiselt aeglasteni, mis võtavad aega sajandeid (näiteks pronksi oksüdeerumine õhus).

Graveerimine. Alkeemikud

19. sajandil leiti, et valdav enamus keemilistest reaktsioonidest on mitmeastmelised protsessid, st need ei toimu mitte reagendi osakeste otsesel samaaegsel kokkupõrkel produktide moodustumisega, vaid rea lihtsate (elementaar)protsesside kaudu. Tõepoolest, kui näiteks ammoniaagi oksüdatsioonireaktsioon kulgeks ühes etapis, siis ammoniaagi ja hapniku molekulide sidemete samaaegseks katkestamiseks nõuaks see tohutuid energiakulusid. Lisaks on kolme osakese kokkupõrke tõenäosus väga väike, neli - peaaegu võrdne nulliga. Seitsme osakese (neli ammoniaagi molekuli ja kolme hapnikumolekuli) samaaegne kokkupõrge on lihtsalt võimatu.

Keemilise reaktsiooni iga elementaarne etapp on kas keemiline protsess (näiteks ühe molekuli lagunemine või kahe osakese kokkupõrge) või osakese üleminek ergastatud olekusse (või vastupidi, selle üleminek ergastatud olekust olekusse). maandatud või madala ergastuse olek).

Isegi näiliselt lihtne reaktsioon

edeneb etappidena, iga etapp kulgeb omas tempos.

1. etapp (kiire):

2. etapp (suhteliselt aeglane):

Pidage meeles, milliseid osakesi nimetatakse radikaalideks. Milliseid reaktsioone nimetatakse ahelreaktsioonideks ja mis on aktiveerimisenergia?

Üksteisele järgnevate (s.t järjestikku) või paralleelselt toimuvate keemilise reaktsiooni elementaarsete etappide kogumit nimetatakse mehhanism keemiline reaktsioon. Reaktsioonimehhanismid on erinevad.

Keemiku jaoks on väga oluline teada, millised tegurid määravad keemilise reaktsiooni kiiruse. Eriti oluline on reaktsioonikiiruse (või selle etappide) sõltuvus reagentide kontsentratsioonidest. Seda sõltuvust nimetatakse kineetiline võrrand. Hüpoteetilise reaktsiooni aA + bB = dD + eE korral on matemaatilisel avaldisel (kineetilisel võrrandil) vorm

kus V on keemilise reaktsiooni kiirus; c on aine kontsentratsioon, mol/l; a, b - eksponendid (need väärtused määratakse eksperimentaalselt). Nimetatakse kineetilises võrrandis proportsionaalsuse kordajat k kiiruskonstant keemiline reaktsioon. See on arvuliselt võrdne keemilise reaktsiooni kiirusega reagentide kontsentratsioonidel 1 mol/l.

Reaktsiooni elementaarsete etappide kiirus on võrdeline reageerivate osakeste kontsentratsioonide korrutisega, näiteks:

Üldreaktsiooni kiirus võib varieeruda, mõnikord väga keeruliselt, olenevalt reaktiivide kontsentratsioonist.

Seega ei ole ühtede ainete teisenemine teisteks ühekordne sündmus, vaid protsess, mis rullub lahti ajas ehk sellel on oma ajaline struktuur, mida väljendab reaktsioonimehhanism. Samal ajal ei võta reaktsioonimehhanism arvesse mitte ainult reaktsioonis osalevate ainete koostise muutusi, vaid ka aatomite positsioonide muutumist ruumis reaktsiooni kulgedes. Seetõttu saame rääkida reaktsiooni ruumilis-ajalisest struktuurist.

Keemilise kineetika, keemia valdkonna, mis uurib keemiliste reaktsioonide kiirusi ja mehhanisme, areng algas 19. sajandi teisel poolel. Sellele distsipliinile pandi alus 1880. aastatel. Hollandi füüsikaline keemik Jacob van't Hoff ja Rootsi teadlane Svante Arrhenius.

KATALÜÜS. Juba ammu on märgatud, et mõned ained on võimelised märkimisväärselt suurendama keemilise reaktsiooni kiirust, kuigi nad ise oma keemilist koostist ei muuda. Selliseid aineid nimetatakse katalüsaatorid. Näiteks laguneb vesinikperoksiid toatemperatuuril aeglaselt: 2H 2 0 2 \u003d 2H 2 0 + 0 2. Plaatina juuresolekul suureneb selle lagunemise kiirus rohkem kui 2000 korda ja katalaasi ensüüm (veres leiduv) suurendab reaktsiooni kiirust 90 miljardit korda!

Katalüsaatorit keemilises protsessis ei kasutata. See sisaldub protsessi vaheetappides ja taastub päris lõpus. Seetõttu reaktsioonivõrrand ise seda ei hõlma.

Katalüsaatorite maailm on lai ja mitmekesine, nagu ka nende toimeviisid. Kuid üldiselt võib öelda, et katalüsaator, olles kaasatud reaktsioonimehhanismi, muudab seda ja suunab protsessi energeetiliselt soodsamat teed pidi. Samal ajal, mis on eriti oluline, võivad katalüsaatorid põhjustada selliseid protsesse märgatava kiirusega, mida ilma nendeta praktiliselt ei toimu.

Iga katalüsaator võib kiirendada ainult teatud tüüpi reaktsioone ja mõnel juhul ainult teatud reaktsioone. Seda katalüsaatorite omadust nimetatakse selektiivsuseks (selektiivsus). Katalüsaatorite toime selektiivsus võimaldab saada ainult teatud soovitud produkti teatud viisil: "suunata" ravimi toimet jne. Bioloogilised katalüsaatorid eristuvad kõrgeima selektiivsuse ja efektiivsuse poolest. ensüümid mis katalüüsivad elusorganismide biokeemilisi reaktsioone.

On aineid, mis aeglustavad või isegi peatavad keemilisi protsesse. Neid nimetatakse inhibiitorid. Kuid erinevalt katalüsaatoritest tarbitakse reaktsiooni käigus inhibiitoreid.

• Millistest teguritest sõltuvad keemiliste reaktsioonide kiirus?
• Kas mis tahes reaktsiooni kiirus võib olla võrdeline mis tahes aine kontsentratsiooni ruuduga? Kui jah, siis tooge näiteid.
• Pakkuge välja hüpotees, mis selgitab, miks erinevalt katalüsaatoritest tarbitakse reaktsiooni käigus inhibiitoreid.

Mõned keemilised reaktsioonid toimuvad peaaegu koheselt (hapniku-vesiniku segu plahvatus, ioonivahetusreaktsioonid vesilahuses), teised - kiiresti (ainete põlemine, tsingi koostoime happega) ja teised - aeglaselt (raua roostetamine, orgaaniliste jääkide lagunemine). Nii aeglased reaktsioonid on teada, et inimene lihtsalt ei oska neid märgata. Näiteks graniidi muutumine liivaks ja saviks toimub tuhandete aastate jooksul.

Teisisõnu, keemilised reaktsioonid võivad kulgeda erinevalt kiirust.

Aga mis on reaktsioonikiirus? Mis on selle suuruse täpne määratlus ja mis kõige tähtsam, selle matemaatiline avaldis?

Reaktsiooni kiirus on aine koguse muutumine ajaühikus ühes ruumalaühikus. Matemaatiliselt on see avaldis kirjutatud järgmiselt:

Kus n 1 Jan 2 - aine kogus (mol) ajahetkel t 1 ja t 2 vastavalt ruumalaga süsteemis V.

Milline pluss- või miinusmärk (±) jääb kiiruse avaldise ette, sõltub sellest, kas me vaatame, millise aine - produkti või reagendi - koguse muutumist.

Ilmselt toimub reaktsiooni käigus reagentide kulu, st nende arv väheneb, seetõttu on reaktiivide puhul avaldis (n 2 - n 1) alati nullist väiksem. Kuna kiirus ei saa olla negatiivne väärtus, siis sellisel juhul tuleb avaldise ette panna miinusmärk.

Kui vaatleme toote koguse muutust, mitte reaktiivi, siis ei ole kiiruse arvutamise avaldise ees miinusmärki vaja, kuna avaldis (n 2 - n 1) on sel juhul alati positiivne , sest toote kogus reaktsiooni tulemusena võib ainult suureneda.

Aine koguse suhe n mahuni, milles see ainekogus on, mida nimetatakse molaarseks kontsentratsiooniks KOOS:

Seega, kasutades molaarse kontsentratsiooni kontseptsiooni ja selle matemaatilist väljendust, saame reaktsioonikiiruse määramiseks kirjutada veel ühe viisi:

Reaktsioonikiirus on aine molaarse kontsentratsiooni muutus keemilise reaktsiooni tulemusena ühe ajaühiku jooksul:

Reaktsioonikiirust mõjutavad tegurid

Sageli on äärmiselt oluline teada, mis määrab konkreetse reaktsiooni kiiruse ja kuidas seda mõjutada. Näiteks naftatööstus võitleb sõna otseses mõttes iga täiendava poole protsendi toote eest ajaühikus. Arvestades tohutult töödeldud naftakoguseid, voolab ju isegi pool protsenti aastasest suureks rahaliseks kasumiks. Mõnel juhul on äärmiselt oluline aeglustada mis tahes reaktsiooni, eriti metallide korrosiooni.

Millest siis reaktsiooni kiirus sõltub? Kummalisel kombel sõltub see paljudest erinevatest parameetritest.

Selle probleemi mõistmiseks kujutame kõigepealt ette, mis juhtub näiteks keemilise reaktsiooni tulemusena:

A + B → C + D

Eespool kirjutatud võrrand peegeldab protsessi, mille käigus ainete A ja B molekulid üksteisega põrkuvad moodustavad ainete C ja D molekulid.

See tähendab, et reaktsiooni toimumiseks on kahtlemata vajalik vähemalt lähteainete molekulide kokkupõrge. Ilmselgelt, kui suurendame molekulide arvu ruumalaühiku kohta, suureneb kokkupõrgete arv samamoodi nagu teie kokkupõrgete sagedus rahvarohkes bussis reisijatega võrreldes pooltühja bussiga.

Teisisõnu, reaktsioonikiirus suureneb koos reagentide kontsentratsiooni suurenemisega.

Juhul, kui üks või mitu reagenti on gaasid, suureneb reaktsiooni kiirus rõhu tõustes, kuna gaasi rõhk on alati otseselt võrdeline selle koostisosade molekulide kontsentratsiooniga.

Osakeste kokkupõrge on aga reaktsiooni kulgemiseks vajalik, kuid mitte piisav tingimus. Fakt on see, et arvutuste kohaselt on reageerivate ainete molekulide kokkupõrgete arv nende mõistlikul kontsentratsioonil nii suur, et kõik reaktsioonid peavad toimuma hetkega. Praktikas seda aga ei juhtu. Mis viga?

Fakt on see, et mitte iga reaktiivmolekulide kokkupõrge ei pruugi olla tõhus. Paljud kokkupõrked on elastsed – molekulid põrkuvad üksteiselt nagu kuulid. Reaktsiooni toimumiseks peab molekulidel olema piisav kineetiline energia. Minimaalset energiat, mis reagentide molekulidel peab olema, et reaktsioon toimuks, nimetatakse aktiveerimisenergiaks ja seda tähistatakse kui E a. Suurest arvust molekulidest koosnevas süsteemis toimub molekulide energiajaotus, osa neist on madala energiaga, osa kõrge ja keskmise energiaga. Kõigist neist molekulidest on ainult väikese osa molekulidest energia suurem kui aktiveerimisenergia.

Nagu füüsika kursusest teada, on temperatuur tegelikult aine moodustavate osakeste kineetilise energia mõõt. See tähendab, et mida kiiremini liiguvad aine moodustavad osakesed, seda kõrgem on selle temperatuur. Seega ilmselgelt tõstame temperatuuri tõstes sisuliselt molekulide kineetilist energiat, mille tulemusena suureneb E a ületavate energiatega molekulide osakaal ning nende kokkupõrge viib keemilise reaktsioonini.

Fakti temperatuuri positiivsest mõjust reaktsioonikiirusele tuvastas empiiriliselt juba 19. sajandil Hollandi keemik Van't Hoff. Oma uurimistööle tuginedes sõnastas ta reegli, mis kannab siiani tema nime ja kõlab nii:

Mis tahes keemilise reaktsiooni kiirus suureneb 2-4 korda temperatuuri tõusuga 10 kraadi võrra.

Selle reegli matemaatiline esitus on kirjutatud järgmiselt:

Kus V 2 Ja V 1 on kiirus vastavalt temperatuuril t 2 ja t 1 ning γ on reaktsiooni temperatuurikoefitsient, mille väärtus jääb enamasti vahemikku 2 kuni 4.

Sageli saab paljude reaktsioonide kiirust suurendada kasutades katalüsaatorid.

Katalüsaatorid on ained, mis kiirendavad reaktsiooni ilma tarbimata.

Kuid kuidas suudavad katalüsaatorid reaktsiooni kiirust suurendada?

Tuletame meelde aktiveerimisenergiat E a . Molekulid, mille energia on väiksem kui aktiveerimisenergia, ei saa katalüsaatori puudumisel üksteisega suhelda. Katalüsaatorid muudavad reaktsiooni kulgemise teed, sarnaselt sellele, kuidas kogenud giid sillutab ekspeditsiooni marsruudi mitte otse läbi mäe, vaid möödasõiduradade abil, mille tulemusel isegi need satelliidid, millest ei piisanud. energiat mäkke ronida saab liikuda teisele tema küljele.

Hoolimata asjaolust, et katalüsaatorit reaktsiooni käigus ei kulutata, osaleb ta selles siiski aktiivselt, moodustades reagentidega vaheühendeid, kuid reaktsiooni lõpuks naaseb algsesse olekusse.

Lisaks ülaltoodud reaktsioonikiirust mõjutavatele teguritele, kui reageerivate ainete vahel on liides (heterogeenne reaktsioon), sõltub reaktsioonikiirus ka reagentide kokkupuutepinnast. Näiteks kujutage ette metallilise alumiiniumi graanulit, mis on tilgutatud vesinikkloriidhappe vesilahust sisaldavasse katseklaasi. Alumiinium on aktiivne metall, mis võib reageerida mitteoksüdeerivate hapetega. Vesinikkloriidhappega on reaktsioonivõrrand järgmine:

2Al + 6HCl → 2AlCl3 + 3H 2

Alumiinium on tahke aine, mis tähendab, et see reageerib ainult selle pinnal oleva vesinikkloriidhappega. Ilmselgelt, kui me suurendame pindala, rullides alumiiniumgraanuli esmalt fooliumiks, saame seeläbi happega reageerimiseks saada suurema arvu alumiiniumi aatomeid. Selle tulemusena suureneb reaktsioonikiirus. Samamoodi saab tahke aine pinda suurendada selle pulbriks jahvatamisel.

Samuti mõjutab segamine sageli positiivselt heterogeense reaktsiooni kiirust, milles tahke aine reageerib gaasilise või vedelikuga, mis on tingitud sellest, et segamise tulemusena eemaldatakse reaktsioonisaaduste akumuleeruvad molekulid. reaktsioonitsoon ja uus osa reaktiivi molekule "tootakse üles".

Viimane asi, mida tuleb märkida, on ka tohutu mõju reaktsiooni kiirusele ja reaktiivide olemusele. Näiteks, mida madalam on leelismetall perioodilisuse tabelis, seda kiiremini reageerib see veega, fluor reageerib kõigist halogeenidest kõige kiiremini gaasilise vesinikuga jne.

Kokkuvõttes sõltub reaktsiooni kiirus järgmistest teguritest:

1) reaktiivide kontsentratsioon: mida suurem, seda suurem on reaktsioonikiirus

2) temperatuur: temperatuuri tõustes suureneb mis tahes reaktsiooni kiirus

3) reagentide kokkupuutepindala: mida suurem on reagentide kontaktpind, seda suurem on reaktsioonikiirus

4) segamine, kui reaktsioon toimub tahke aine ja vedeliku või gaasi vahel, võib segamine seda kiirendada.