Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist die Änderung der Konzentration der Reaktanten pro Zeiteinheit.

Der Reaktionsraum bezeichnet bei homogenen Reaktionen das Volumen des Reaktionsgefäßes und bei heterogenen Reaktionen die Oberfläche, auf der die Reaktion stattfindet. Die Konzentration der Reaktanten wird normalerweise in mol/l ausgedrückt - die Anzahl der Mole der Substanz in 1 Liter Lösung.

Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion hängt von der Art der Reaktanden, Konzentration, Temperatur, Druck, Kontaktfläche der Stoffe und ihrer Art, der Anwesenheit von Katalysatoren ab.

Eine Erhöhung der Konzentration von Stoffen, die eine chemische Wechselwirkung eingehen, führt zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Denn alle chemischen Reaktionen finden zwischen einer bestimmten Anzahl von reagierenden Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen) statt. Je mehr dieser Teilchen sich im Volumen des Reaktionsraums befinden, desto häufiger kollidieren sie und es kommt zu einer chemischen Wechselwirkung. Eine chemische Reaktion kann durch einen oder mehrere Elementarvorgänge (Stöße) ablaufen. Anhand der Reaktionsgleichung lässt sich ein Ausdruck für die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Reaktanden schreiben. Wenn nur ein Molekül an einem elementaren Vorgang (bei einer Zersetzungsreaktion) beteiligt ist, sieht die Abhängigkeit so aus:

v= k*[A]

Dies ist die Gleichung für eine monomolekulare Reaktion. Wenn zwei verschiedene Moleküle in einem elementaren Akt zusammenwirken, hat die Abhängigkeit die Form:

v= k*[A]*[B]

Die Reaktion wird als bimolekular bezeichnet. Beim Zusammenstoß von drei Molekülen gilt der Ausdruck:

v= k*[A]*[B]*[C]

Die Reaktion wird trimolekular genannt. Koeffizientenbezeichnungen:

v — schnelle Reaktion;

[A], [B], [C] sind die Konzentrationen der Reaktanten;

k ist der Proportionalitätskoeffizient; wird als Geschwindigkeitskonstante der Reaktion bezeichnet.

Wenn die Konzentrationen der Reaktanten gleich eins (1 mol/l) oder ihr Produkt gleich eins ist, dann v= k.. Die Geschwindigkeitskonstante hängt von der Art der Reaktanten und von der Temperatur ab. Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einfacher Reaktionen (d. h. Reaktionen, die durch einen Elementarvorgang ablaufen) von der Konzentration wird durch das Massenwirkungsgesetz beschrieben: Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist direkt proportional zum Produkt der Konzentration der Reaktanten, potenziert mit ihren stöchiometrischen Koeffizienten.

Analysieren wir zum Beispiel die Reaktion 2NO + O 2 = 2NO 2.

In ihr v= k* 2 *

Wenn die Gleichung einer chemischen Reaktion keinem elementaren Wechselwirkungsakt entspricht, sondern nur die Beziehung zwischen der Masse der reagierten und gebildeten Substanzen widerspiegelt, sind die Konzentrationsgrade nicht gleich den Koeffizienten vor die Formeln der entsprechenden Substanzen in der Reaktionsgleichung. Bei einer Reaktion, die in mehreren Stufen abläuft, wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Geschwindigkeit der langsamsten (begrenzenden) Stufe bestimmt.

Diese Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Reaktanten gilt für Gase und Reaktionen, die in Lösung stattfinden. Reaktionen mit Festkörpern gehorchen nicht dem Massenwirkungsgesetz, da die Wechselwirkung von Molekülen nur an der Grenzfläche stattfindet. Folglich hängt die Geschwindigkeit einer heterogenen Reaktion auch von der Größe und Art der Kontaktfläche der reagierenden Phasen ab. Je größer die Oberfläche, desto schneller läuft die Reaktion ab.

Der Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion

Der Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wird durch die Van't-Hoff-Regel bestimmt: mit einem Temperaturanstieg pro 10 ° C erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2-4-fache. Mathematisch wird diese Regel durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

v t2= v t1*g(t2-t1)/10

wo v t1 und v t2 — Reaktionsgeschwindigkeiten bei Temperaturen t2 und t1; g - Temperaturkoeffizient der Reaktion - eine Zahl, die angibt, wie oft sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei einem Temperaturanstieg pro 10 erhöht ° Eine so starke Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Temperatur erklärt sich dadurch, dass nicht bei jedem Zusammenstoß reagierender Moleküle die Bildung neuer Substanzen erfolgt. Es treten nur solche Moleküle in Wechselwirkung (aktive Moleküle), die genügend Energie haben, um die Bindungen in den ursprünglichen Teilchen aufzubrechen. Daher ist jede Reaktion durch eine Energiebarriere gekennzeichnet. Um es zu überwinden, braucht das Molekül Aktivierungsenergie - eine überschüssige Energie, die ein Molekül haben muss, damit seine Kollision mit einem anderen Molekül zur Bildung einer neuen Substanz führt. Mit steigender Temperatur steigt die Zahl der aktiven Moleküle rapide an, was nach der Van't-Hoff-Regel zu einem starken Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit führt. Die Aktivierungsenergie für jede spezifische Reaktion hängt von der Art der Reaktanten ab.

Theorie aktiver Kollisionen ermöglicht es, den Einfluss einiger Faktoren auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu erklären. Die wichtigsten Bestimmungen dieser Theorie:

• Reaktionen treten auf, wenn Teilchen von Reaktanten mit einer bestimmten Energie kollidieren.
• Je mehr Reagenzpartikel, je näher sie beieinander liegen, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie kollidieren und reagieren.
• Nur effektive Stöße führen zur Reaktion, d.h. solche, in denen „alte Bindungen“ zerstört oder geschwächt werden und sich dadurch „neue“ bilden können. Dazu müssen die Teilchen genügend Energie haben.
• Die minimale überschüssige Energie, die für eine effiziente Kollision von Reaktantenteilchen erforderlich ist, wird genannt Aktivierungsenergie Ea.
• Die Aktivität von Chemikalien manifestiert sich in der niedrigen Aktivierungsenergie von Reaktionen, an denen sie beteiligt sind. Je niedriger die Aktivierungsenergie, desto höher die Reaktionsgeschwindigkeit. Beispielsweise ist bei Reaktionen zwischen Kationen und Anionen die Aktivierungsenergie sehr niedrig, sodass solche Reaktionen fast augenblicklich ablaufen.

Einfluss des Katalysators

Eines der wirksamsten Mittel, um die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen zu beeinflussen, ist der Einsatz von Katalysatoren. Zu Katalysatoren - Dies sind Substanzen, die die Reaktionsgeschwindigkeit ändern und am Ende des Prozesses in Zusammensetzung und Masse unverändert bleiben. Mit anderen Worten, im Moment der Reaktion selbst nimmt der Katalysator aktiv am chemischen Prozess teil, aber am Ende der Reaktion ändern die Reaktanten ihre chemische Zusammensetzung, werden zu Produkten und der Katalysator wird in seiner ursprünglichen Form freigesetzt. Normalerweise besteht die Rolle eines Katalysators darin, die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, obwohl einige Katalysatoren den Prozess nicht beschleunigen, sondern verlangsamen. Das Phänomen der Beschleunigung chemischer Reaktionen aufgrund der Anwesenheit von Katalysatoren wird genannt Katalyse, und Verlangsamungen Hemmung.

Einige Substanzen haben keine katalytische Wirkung, aber ihre Zusätze erhöhen die katalytische Fähigkeit von Katalysatoren stark. Solche Substanzen werden genannt Promoter. Andere Stoffe (Katalysatorgifte) reduzieren oder blockieren sogar ganz die Wirkung von Katalysatoren, dieser Vorgang wird genannt Katalysatorvergiftung.

Es gibt zwei Arten von Katalyse: homogen und heterogen. Beim Homogene Katalyse Edukte, Produkte und Katalysator bilden eine Phase (Gas oder Flüssigkeit). In diesem Fall gibt es keine Grenzfläche zwischen dem Katalysator und den Reaktanten.

Besonderheit heterogene Katalyse liegt darin, dass sich die Katalysatoren (meist Feststoffe) in einem anderen Phasenzustand befinden als die Edukte und Reaktionsprodukte. Die Reaktion entwickelt sich normalerweise auf der Oberfläche eines Festkörpers.

Bei der homogenen Katalyse entstehen Zwischenprodukte zwischen Katalysator und Edukt durch eine Reaktion mit geringerer Aktivierungsenergie. In der heterogenen Katalyse wird die Geschwindigkeitssteigerung durch die Adsorption von Reaktanden an der Katalysatoroberfläche erklärt. Dadurch steigt ihre Konzentration und die Reaktionsgeschwindigkeit steigt.

Ein Sonderfall der Katalyse ist Autokatalyse. Seine Bedeutung liegt darin, dass der chemische Prozess durch eines der Reaktionsprodukte beschleunigt wird.

Untersuchte Grundkonzepte:

Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen

Molare Konzentration

Kinetik

Homogene und heterogene Reaktionen

Faktoren, die die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen beeinflussen

Katalysator, Inhibitor

Katalyse

Reversible und irreversible Reaktionen

Chemisches Gleichgewicht

Chemische Reaktionen sind Reaktionen, bei denen aus einem Stoff andere Stoffe gewonnen werden (aus den Ausgangsstoffen entstehen neue Stoffe). Einige chemische Reaktionen laufen in Sekundenbruchteilen ab (eine Explosion), während andere Minuten, Tage, Jahre, Jahrzehnte usw. dauern.

Zum Beispiel: Die Verbrennungsreaktion von Schießpulver erfolgt sofort mit Entzündung und Explosion, und die Reaktion der Verdunkelung von Silber oder des Rostens von Eisen (Korrosion) verläuft so langsam, dass es möglich ist, ihr Ergebnis erst nach langer Zeit zu verfolgen.

Um die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu charakterisieren, wird das Konzept der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion verwendet - υ.

Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist die Änderung der Konzentration eines der Reaktanten der Reaktion pro Zeiteinheit.

Die Formel zur Berechnung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion lautet:

υ =	von 2 auf 1	=	∆ s
t2 – t1	∆t

c 1 - molare Konzentration des Stoffes zum Anfangszeitpunkt t 1

c 2 - molare Konzentration des Stoffes zum Anfangszeitpunkt t 2

da die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch eine Änderung der molaren Konzentration der reagierenden Stoffe (Ausgangsstoffe) gekennzeichnet ist, gilt t 2 > t 1 und c 2 > c 1 (die Konzentration der Ausgangsstoffe nimmt mit fortschreitender Reaktion ab). ).

Molare Konzentration (en) ist die Stoffmenge pro Volumeneinheit. Die Maßeinheit der molaren Konzentration ist [mol/l].

Der Zweig der Chemie, der die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen untersucht, heißt chemische Kinetik. Wenn eine Person ihre Gesetze kennt, kann sie chemische Prozesse kontrollieren und ihnen eine bestimmte Geschwindigkeit geben.

Bei der Berechnung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist zu beachten, dass Reaktionen in homogene und heterogene unterteilt werden.

Homogene Reaktionen- Reaktionen, die in der gleichen Umgebung ablaufen (d. h. die Reaktanden befinden sich im gleichen Aggregatzustand; zum Beispiel: Gas + Gas, Flüssigkeit + Flüssigkeit).

heterogene Reaktionen- dies sind Reaktionen, die zwischen Stoffen in einem inhomogenen Medium ablaufen (es gibt eine Phasengrenzfläche, d. h. die reagierenden Stoffe befinden sich in einem anderen Aggregatzustand); zum Beispiel: Gas + Flüssigkeit, Flüssigkeit + Feststoff).

Die obige Formel zur Berechnung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion gilt nur für homogene Reaktionen. Wenn die Reaktion heterogen ist, dann kann sie nur an der Grenzfläche zwischen den Reaktanden stattfinden.

Für eine heterogene Reaktion wird die Geschwindigkeit nach folgender Formel berechnet:

∆ν - Änderung der Stoffmenge

S ist die Fläche der Schnittstelle

∆ t ist das Zeitintervall, in dem die Reaktion stattgefunden hat

Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen hängt von verschiedenen Faktoren ab: Art der Reaktanten, Stoffkonzentration, Temperatur, Katalysatoren oder Inhibitoren.

Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Art der Reaktionspartner.

Analysieren wir diese Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit Zum Beispiel: Wir geben in zwei Reagenzgläser, die die gleiche Menge Salzsäurelösung (HCl) enthalten, Metallkörner der gleichen Fläche: in das erste Reagenzglas ein Eisen (Fe) -Granulat und in das zweite - ein Magnesium (Mg)-Granulat. Als Ergebnis von Beobachtungen ist gemäß der Geschwindigkeit der Wasserstoffentwicklung (H 2) ersichtlich, dass Magnesium mit Salzsäure am stärksten reagiert als Eisen. Die Geschwindigkeit dieser chemischen Reaktion wird durch die Natur des Metalls beeinflusst (d. h. Magnesium ist ein reaktiveres Metall als Eisen und reagiert daher heftiger mit Säure).

Abhängigkeit der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen von der Konzentration der Reaktanten.

Je höher die Konzentration der reagierenden (Ausgangs-)Substanz ist, desto schneller läuft die Reaktion ab. Umgekehrt ist die Reaktion umso langsamer, je niedriger die Konzentration des Reaktanten ist.

Zum Beispiel: Wir gießen eine konzentrierte Salzsäurelösung (HCl) in ein Reagenzglas und eine verdünnte Salzsäurelösung in ein anderes. Wir geben in beide Reagenzgläser ein Körnchen Zink (Zn). Wir beobachten anhand der Geschwindigkeit der Wasserstoffentwicklung, dass die Reaktion im ersten Reagenzglas schneller abläuft, weil die Salzsäurekonzentration ist darin größer als im zweiten Reagenzglas.

Um die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu bestimmen, Wirkungsgesetz von (wirkenden) Massen : Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist direkt proportional zum Produkt der Konzentrationen der Reaktanten, genommen in Potenzen, die gleich ihren Koeffizienten sind.

Beispielsweise für eine nach dem Schema ablaufende Reaktion: nA + mB → D , Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wird durch die Formel bestimmt:

υ ch.r. = k C. (A) n C. (B) m , wo

υ x.r - chemische Reaktionsgeschwindigkeit

C(A)- SONDERN

LEBENSLAUF) - molare Konzentration eines Stoffes BEIM

n und m - ihre Koeffizienten

k- Geschwindigkeitskonstante der chemischen Reaktion (Referenzwert).

Das Massenwirkungsgesetz gilt nicht für Stoffe, die sich in einem festen Zustand befinden, weil ihre Konzentration ist konstant (aufgrund der Tatsache, dass sie nur auf der Oberfläche reagieren, die unverändert bleibt).

Zum Beispiel: für eine Reaktion 2 Cu + O 2 \u003d 2 CuO die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch die Formel bestimmt:

υ ch.r. \u003d k C (O 2)

PROBLEM: Die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion 2A + B = D ist 0,005. Berechnen Sie die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer molaren Konzentration von Substanz A \u003d 0,6 mol / l, Substanz B \u003d 0,8 mol / l.

Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Temperatur.

Diese Abhängigkeit wird ermittelt Van't-Hoff-Regel (1884): Bei einer Temperaturerhöhung pro 10 ° C erhöht sich die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion im Durchschnitt um das 2-4-fache.

Die Wechselwirkung von Wasserstoff (H 2) und Sauerstoff (O 2) tritt also bei Raumtemperatur fast nicht auf, daher ist die Geschwindigkeit dieser chemischen Reaktion so gering. Aber bei einer Temperatur von etwa 500 C verläuft diese Reaktion in 50 Minuten und bei einer Temperatur von etwa 700 C fast augenblicklich.

Die Formel zur Berechnung der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion nach der Van't-Hoff-Regel:

wobei: υ t 1 und υ t 2 die Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen bei t 2 und t 1 sind

γ ist der Temperaturkoeffizient, der angibt, wie oft sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung um 10 °C erhöht.

Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit:

2. Setzen Sie die Daten aus der Problemstellung in die Formel ein:

Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von speziellen Substanzen - Katalysatoren und Inhibitoren.

Katalysator Eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, aber selbst nicht daran teilnimmt.

Inhibitor Eine Substanz, die eine chemische Reaktion verlangsamt, aber nicht daran teilnimmt.

Beispiel: In ein Reagenzglas mit einer Lösung von 3% Wasserstoffperoxid (H 2 O 2), die erhitzt wird, geben wir einen glimmenden Splitter hinzu - er leuchtet nicht auf, weil Die Reaktionsgeschwindigkeit der Zersetzung von Wasserstoffperoxid in Wasser (H 2 O) und Sauerstoff (O 2) ist sehr gering, und der resultierende Sauerstoff reicht nicht aus, um eine qualitative Reaktion zu Sauerstoff durchzuführen (Verbrennungserhaltung). Lassen Sie uns nun ein wenig schwarzes Pulver aus Mangan(IV)oxid (MnO 2) in das Reagenzglas geben und wir werden sehen, dass eine schnelle Entwicklung von Gasblasen (Sauerstoff) begonnen hat und die in das Reagenzglas eingeführte schwelende Fackel hell aufleuchtet. MnO 2 ist ein Katalysator für diese Reaktion, es beschleunigte die Reaktionsgeschwindigkeit, nahm aber selbst nicht daran teil (dies kann durch Wiegen des Katalysators vor und nach der Reaktion nachgewiesen werden - seine Masse ändert sich nicht).

Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Art der Reaktanten, der Konzentration der Reaktanten, der Temperatur und der Anwesenheit von Katalysatoren. Betrachten wir diese Faktoren.

1). Die Natur der Reaktanten. Kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen Stoffen mit ionischer Bindung, dann läuft die Reaktion schneller ab als zwischen Stoffen mit kovalenter Bindung.

2.) Reaktantenkonzentration. Damit eine chemische Reaktion stattfinden kann, müssen die Moleküle der Reaktanten kollidieren. Das heißt, die Moleküle müssen einander so nahe kommen, dass die Atome des einen Teilchens die Wirkung der elektrischen Felder des anderen erfahren. Nur in diesem Fall sind die Übergänge von Elektronen und die entsprechenden Umlagerungen von Atomen möglich, wodurch Moleküle neuer Substanzen gebildet werden. Somit ist die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen proportional zur Anzahl der Kollisionen, die zwischen Molekülen auftreten, und die Anzahl der Kollisionen wiederum ist proportional zur Konzentration der Reaktanten. Auf der Grundlage des experimentellen Materials formulierten die norwegischen Wissenschaftler Guldberg und Waage und unabhängig von ihnen der russische Wissenschaftler Beketov 1867 das Grundgesetz der chemischen Kinetik - Gesetz der Massenwirkung(ZDM): Bei konstanter Temperatur ist die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion direkt proportional zum Produkt der Konzentrationen der Reaktanten mit der Potenz ihrer stöchiometrischen Koeffizienten. Für den allgemeinen Fall:

Das Massenwirkungsgesetz hat die Form:

Das Massenwirkungsgesetz für eine gegebene Reaktion heißt die kinetische Hauptgleichung der Reaktion. In der grundlegenden kinetischen Gleichung ist k die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante, die von der Art der Reaktanten und der Temperatur abhängt.

Die meisten chemischen Reaktionen sind reversibel. Bei solchen Reaktionen reagieren deren anfallende Produkte miteinander zu den Ausgangsstoffen:

Vorwärtsreaktionsrate:

Rücklaufquote:

Zum Zeitpunkt des Gleichgewichts:

Von hier aus nimmt das Gesetz der wirkenden Massen im Gleichgewichtszustand die Form an:

,

wobei K die Gleichgewichtskonstante der Reaktion ist.

3) Der Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen nimmt in der Regel zu, wenn die Temperatur überschritten wird. Betrachten wir dies am Beispiel der Wechselwirkung von Wasserstoff mit Sauerstoff.

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

Bei 20 0 C ist die Reaktionsgeschwindigkeit fast null und es würde 54 Milliarden Jahre dauern, bis die Wechselwirkung 15 % überschreitet. Bei 500 0 C dauert es 50 Minuten, bis sich Wasser bildet, und bei 700 0 C läuft die Reaktion sofort ab.

Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur wird ausgedrückt Van't Hoffsche Regel: bei einer Temperaturerhöhung um das 10-fache erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2- bis 4-fache. Van't Hoffs Regel lautet:

4) Einfluss von Katalysatoren. Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen kann dadurch gesteuert werden Katalysatoren- Substanzen, die die Reaktionsgeschwindigkeit verändern und nach der Reaktion unverändert bleiben. Die Änderung der Geschwindigkeit einer Reaktion in Gegenwart eines Katalysators nennt man Katalyse. Unterscheiden positiv(Reaktionsgeschwindigkeit steigt) und Negativ(Reaktionsgeschwindigkeit sinkt) Katalyse. Manchmal wird der Katalysator während der Reaktion gebildet, solche Prozesse werden als autokatalytisch bezeichnet. Unterscheiden Sie zwischen homogener und heterogener Katalyse.

Beim homogen Bei der Katalyse befinden sich der Katalysator und die Reaktanten in der gleichen Phase. Zum Beispiel:

Beim heterogen In der Katalyse befinden sich der Katalysator und die Reaktanten in unterschiedlichen Phasen. Zum Beispiel:

Heterogene Katalyse ist mit enzymatischen Prozessen verbunden. Alle chemischen Prozesse, die in lebenden Organismen ablaufen, werden von Enzymen katalysiert, die Proteine ​​mit bestimmten spezialisierten Funktionen sind. In Lösungen, in denen enzymatische Prozesse ablaufen, gibt es aufgrund des Fehlens einer klar definierten Phasengrenzfläche kein typisches heterogenes Medium. Solche Prozesse werden als mikroheterogene Katalyse bezeichnet.

Physikalische Chemie: Vorlesungsunterlagen Berezovchuk A V

2. Faktoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen

Für homogene, heterogene Reaktionen:

1) Konzentration der reagierenden Substanzen;

2) Temperatur;

3) Katalysator;

4) Inhibitor.

Nur für heterogen:

1) die Rate der Zufuhr von Reaktanten zur Grenzfläche;

2) Oberfläche.

Der Hauptfaktor - die Art der reagierenden Substanzen - die Art der Bindung zwischen den Atomen in den Molekülen der Reagenzien.

NO 2 - Stickoxid (IV) - Fuchsschwanz, CO - Kohlenmonoxid, Kohlenmonoxid.

Wenn sie mit Sauerstoff oxidiert werden, läuft die Reaktion im ersten Fall sofort ab, es lohnt sich, den Stopfen des Gefäßes zu öffnen, im zweiten Fall verlängert sich die Reaktion zeitlich.

Die Konzentration der Reaktanten wird unten diskutiert.

Blaue Opaleszenz zeigt den Moment der Ausfällung von Schwefel an, je höher die Konzentration, desto höher die Rate.

Reis. zehn

Je größer die Konzentration an Na 2 S 2 O 3 ist, desto kürzer dauert die Reaktion. Das Diagramm (Abb. 10) zeigt einen direkt proportionalen Zusammenhang. Die quantitative Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Reaktanten wird durch das MMA (Massenwirkungsgesetz) ausgedrückt, das besagt: Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist direkt proportional zum Produkt der Konzentrationen der Reaktanten.

So, Grundgesetz der Kinetik ist ein experimentell festgestelltes Gesetz: Die Reaktionsgeschwindigkeit ist proportional zur Konzentration der Reaktanten, Beispiel: (d.h. für die Reaktion)

Für diese Reaktion ist H 2 + J 2 = 2HJ – die Geschwindigkeit kann als Änderung der Konzentration einer der Substanzen ausgedrückt werden. Läuft die Reaktion von links nach rechts ab, so nimmt die Konzentration von H 2 und J 2 ab, die Konzentration von HJ nimmt im Verlauf der Reaktion zu. Für die momentane Reaktionsgeschwindigkeit können Sie den Ausdruck schreiben:

eckige Klammern geben die Konzentration an.

physikalische Bedeutung k– Moleküle sind in ständiger Bewegung, kollidieren, zerstreuen sich, treffen auf die Gefäßwände. Damit die chemische Reaktion der HJ-Bildung stattfinden kann, müssen die H 2 - und J 2 -Moleküle kollidieren. Die Anzahl solcher Kollisionen ist umso größer, je mehr H 2 - und J 2 -Moleküle im Volumen enthalten sind, d. H. Je größer die Werte von [Н 2 ] und sind. Aber die Moleküle bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, und die kinetische Gesamtenergie der beiden kollidierenden Moleküle wird unterschiedlich sein. Wenn die schnellsten H 2 - und J 2 -Moleküle kollidieren, kann ihre Energie so hoch sein, dass die Moleküle in Jod- und Wasserstoffatome zerfallen, die auseinander fliegen und dann mit anderen H 2 + J 2 -Molekülen wechselwirken ? 2H+2J, dann H+J 2 ? HJ + J. Wenn die Energie der kollidierenden Moleküle geringer, aber hoch genug ist, um die Bindungen H - H und J - J zu schwächen, findet die Reaktion zur Bildung von Jodwasserstoff statt:

Für die meisten kollidierenden Moleküle ist die Energie geringer als nötig, um die Bindungen in H 2 und J 2 zu schwächen. Solche Moleküle kollidieren "leise" und zerstreuen sich auch "leise" und bleiben, was sie waren, H 2 und J 2 . Somit führen nicht alle, sondern nur ein Teil der Stöße zu einer chemischen Reaktion. Der Proportionalitätskoeffizient (k) gibt die Anzahl der effektiven Stöße an, die bei Konzentrationen [H 2 ] = = 1 mol zur Reaktion führen. Wert k–konstante Geschwindigkeit. Wie kann die Geschwindigkeit konstant sein? Ja, die Geschwindigkeit der gleichförmigen geradlinigen Bewegung wird als konstante Vektorgröße bezeichnet, die dem Verhältnis der Bewegung des Körpers für einen beliebigen Zeitraum zum Wert dieses Intervalls entspricht. Aber die Moleküle bewegen sich zufällig, also wie kann die Geschwindigkeit konstant sein? Aber eine konstante Geschwindigkeit kann es nur bei einer konstanten Temperatur geben. Mit steigender Temperatur nimmt der Anteil schneller Moleküle zu, deren Stöße zu einer Reaktion führen, d. h. die Geschwindigkeitskonstante nimmt zu. Aber die Zunahme der Geschwindigkeitskonstante ist nicht unbegrenzt. Ab einer bestimmten Temperatur wird die Energie der Moleküle so groß, dass fast alle Stöße der Reaktanden wirksam werden. Wenn zwei schnelle Moleküle kollidieren, tritt eine Rückreaktion auf.

Es wird ein Moment kommen, in dem die Geschwindigkeiten der Bildung von 2HJ aus H 2 und J 2 und der Zersetzung gleich sind, aber dies ist bereits ein chemisches Gleichgewicht. Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Reaktanden kann anhand der traditionellen Reaktion der Wechselwirkung einer Natriumthiosulfatlösung mit einer Schwefelsäurelösung verfolgt werden.

Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 \u003d Na 2 SO 4 + H 2 S 2 O 3, (1)

H 2 S 2 O 3 \u003d S? + H 2 O + SO 2?. (2)

Reaktion (1) läuft fast augenblicklich ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit (2) hängt bei konstanter Temperatur von der Konzentration des Eduktes H 2 S 2 O 3 ab. Diese Reaktion haben wir beobachtet - in diesem Fall wird die Geschwindigkeit anhand der Zeit vom Beginn des Gießens von Lösungen bis zum Auftreten von Opaleszenz gemessen. Im Artikel L. M. Kuznetsova die Reaktion der Wechselwirkung von Natriumthiosulfat mit Salzsäure wird beschrieben. Sie schreibt, dass beim Ablassen der Lösungen Opaleszenz (Trübung) auftritt. Aber diese Aussage von L. M. Kuznetsova ist falsch, da Opaleszenz und Trübung verschiedene Dinge sind. Opaleszenz (von opal und lateinisch esccia- Suffix bedeutet schwache Wirkung) - Lichtstreuung durch trübe Medien aufgrund ihrer optischen Inhomogenität. Lichtstreuung- Abweichung der sich im Medium ausbreitenden Lichtstrahlen in alle Richtungen von der ursprünglichen Richtung. Kolloidale Partikel sind in der Lage, Licht zu streuen (Tyndall-Faraday-Effekt) – dies erklärt die Opaleszenz, leichte Trübung der kolloidalen Lösung. Bei der Durchführung dieses Experiments muss die blaue Opaleszenz und dann die Koagulation der kolloidalen Schwefelsuspension berücksichtigt werden. Die gleiche Dichte der Suspension wird durch das offensichtliche Verschwinden jeglicher Muster (z. B. eines Gitters am Boden des Bechers) festgestellt, das von oben durch die Lösungsschicht beobachtet wird. Die Zeit wird von einer Stoppuhr ab dem Moment des Ablassens gezählt.

Lösungen Na 2 S 2 O 3 x 5 H 2 O und H 2 SO 4.

Die erste wird durch Auflösen von 7,5 g Salz in 100 ml H 2 O hergestellt, was einer Konzentration von 0,3 M entspricht. Um eine Lösung von H 2 SO 4 der gleichen Konzentration herzustellen, müssen 1,8 ml H 2 SO 4 (k) gemessen werden. ? = = 1,84 g / cm 3 und lösen Sie es in 120 ml H 2 O auf. Gießen Sie die vorbereitete Lösung von Na 2 S 2 O 3 in drei Gläser: im ersten - 60 ml, im zweiten - 30 ml, im dritten - 10 ml. Geben Sie 30 ml destilliertes H 2 O in das zweite Glas und 50 ml in das dritte. Somit befinden sich in allen drei Gläsern 60 ml Flüssigkeit, aber im ersten ist die Salzkonzentration bedingt = 1, im zweiten - ½ und im dritten - 1/6. Nachdem die Lösungen hergestellt sind, gießen Sie 60 ml H 2 SO 4 -Lösung in das erste Glas mit einer Salzlösung und schalten Sie die Stoppuhr ein usw. In Anbetracht dessen, dass die Reaktionsgeschwindigkeit mit Verdünnung der Na 2 S 2 O 3 -Lösung abnimmt, ist es kann als umgekehrt proportionaler Wert zur Zeit bestimmt werden v= ein/? und erstelle ein Diagramm, indem du die Konzentration auf der Abszisse und die Reaktionsgeschwindigkeit auf der Ordinate aufträgst. Aus dieser Schlussfolgerung - die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Konzentration der Substanzen ab. Die erhaltenen Daten sind in Tabelle 3 aufgelistet. Dieses Experiment kann unter Verwendung von Büretten durchgeführt werden, aber dies erfordert vom Ausführenden viel Übung, da der Zeitplan manchmal falsch ist.

Tisch 3

Geschwindigkeit und Reaktionszeit

Das Guldberg-Waage-Gesetz wird bestätigt - Chemieprofessor Gulderg und der junge Wissenschaftler Waage).

Betrachten Sie den nächsten Faktor - Temperatur.

Mit steigender Temperatur nimmt die Geschwindigkeit der meisten chemischen Reaktionen zu. Diese Abhängigkeit wird durch die Van't-Hoff-Regel beschrieben: "Wenn die Temperatur um jeweils 10 °C steigt, erhöht sich die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen um das 2- bis 4-fache."

wo ? – Temperaturkoeffizient, der zeigt, wie oft die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung um 10 ° C zunimmt;

v 1 - Reaktionsgeschwindigkeit bei Temperatur t1;

v 2 - Reaktionsgeschwindigkeit bei Temperatur t2.

Beispielsweise läuft die Reaktion bei 50 °C in zwei Minuten ab, wie lange endet der Prozess bei 70 °C, wenn der Temperaturkoeffizient ? = 2?

t1 = 120 s = 2 min; t1 = 50 °С; t 2 = 70 Grad.

Bereits eine geringe Temperaturerhöhung bewirkt einen starken Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit von aktiven Molekülstößen. Nach der Aktivierungstheorie nehmen nur solche Moleküle an dem Vorgang teil, deren Energie um einen bestimmten Betrag größer ist als die mittlere Energie der Moleküle. Diese überschüssige Energie ist die Aktivierungsenergie. Seine physikalische Bedeutung ist die Energie, die für die aktive Kollision von Molekülen (Umlagerung von Orbitalen) erforderlich ist. Die Zahl der aktiven Teilchen und damit die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit der Temperatur nach einem Exponentialgesetz gemäß der Arrhenius-Gleichung, die die Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante von der Temperatur widerspiegelt

wo SONDERN - Arrhenius-Proportionalitätsfaktor;

k– Boltzmann-Konstante;

E A - Aktivierungsenergie;

R- Gaskonstante;

T- Temperatur.

Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine Reaktion beschleunigt, aber selbst nicht verbraucht wird.

Katalyse- das Phänomen einer Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit in Gegenwart eines Katalysators. Unterscheiden Sie zwischen homogener und heterogener Katalyse. Homogen- wenn die Edukte und der Katalysator im gleichen Aggregatzustand vorliegen. Heterogen– wenn sich die Reaktanden und der Katalysator in unterschiedlichen Aggregatzuständen befinden. Zur Katalyse siehe separat (weiter).

Inhibitor Eine Substanz, die die Geschwindigkeit einer Reaktion verlangsamt.

Der nächste Faktor ist die Oberfläche. Je größer die Oberfläche des Reaktionspartners, desto größer die Geschwindigkeit. Betrachten Sie beispielsweise den Einfluss des Dispersitätsgrades auf die Reaktionsgeschwindigkeit.

CaCO 3 - Marmor. Wir senken den Fliesenmarmor in Salzsäure HCl, warten fünf Minuten, er löst sich vollständig auf.

Marmorpulver - wir machen das gleiche Verfahren damit, es löst sich in dreißig Sekunden auf.

Die Gleichung für beide Prozesse ist dieselbe.

CaCO 3 (tv) + HCl (g) \u003d CaCl 2 (tv) + H 2 O (l) + CO 2 (g) ?.

Beim Hinzufügen von Marmorpulver ist die Zeit also kürzer als beim Hinzufügen von Fliesenmarmor mit der gleichen Masse.

Mit zunehmender Grenzfläche zwischen den Phasen nimmt die Rate heterogener Reaktionen zu.

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KETTENREAKTIONSPROBLEM 2.3. Das Funktionsprinzip von Atombomben oder einem Kraftwerk mit Uranspaltung ist recht einfach. Wenn ein Neutron eine Spaltung verursacht, die zur Freisetzung mehrerer neuer Neutronen führt, kann die Anzahl der Spaltungen extrem schnell werden

Aus dem Buch The New Mind of the King [Über Computer, Denken und die Gesetze der Physik] Autor Penrose Roger

REAKTIONSPRODUKTE UND DAS PROBLEM DER TRENNUNG 8.16. In der Hanford-Anlage ist der Plutonium-Produktionsprozess in zwei Hauptteile unterteilt: die eigentliche Produktion im Kessel und die Trennung von den Uranblöcken, in denen es gebildet wird. Kommen wir zum zweiten Teil des Prozesses.

Aus dem Buch Auf wen der Apfel fiel Autor Kesselman Vladimir Samuilovich

FAKTOREN, DIE DIE ISOTOPENTRENNUNG BEEINFLUSSEN 9.2. Per Definition unterscheiden sich die Isotope eines Elements in ihrer Masse, nicht aber in ihren chemischen Eigenschaften. Genauer gesagt, obwohl die Massen der Kerne von Isotopen und ihre Struktur unterschiedlich sind, sind die Ladungen der Kerne und damit der äußeren Elektronenhüllen gleich

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Durchführung einer Kettenreaktion der Spaltung von Kernen Nun stellte sich mit aller Macht die Frage einer Kettenreaktion der Spaltung und der Möglichkeit, zerstörerische Sprengenergie der Spaltung zu erhalten. Diese Frage war verhängnisvoll verwoben mit dem Weltkrieg, den Nazideutschland am 1. September entfesselt hatte

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Und Geschwindigkeit ist relativ! Aus dem Relativitätsprinzip der Bewegung folgt, dass es ebensowenig Sinn macht, von einer geradlinigen und gleichförmigen Bewegung eines Körpers mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu sprechen, ohne sozusagen anzugeben, in welchem ​​der ruhenden Laboratorien die Geschwindigkeit gemessen wird

Aus dem Buch des Autors

Schallgeschwindigkeit Haben Sie schon einmal aus der Ferne zugesehen, wie ein Holzfäller einen Baum fällt? Oder vielleicht haben Sie in der Ferne einem Zimmermann zugeschaut, der Nägel eingeschlagen hat? Vielleicht ist Ihnen hier eine sehr seltsame Sache aufgefallen: Der Schlag ist nicht zu hören, wenn die Axt auf einen Baum trifft oder

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KONTROLLIERTE THERMONUKLEARE REAKTIONEN Bei der Explosion von Wasserstoffbomben treten unkontrollierte thermonukleare Reaktionen auf. Sie führen zur Freisetzung enormer Mengen nuklearer Energie, begleitet von einer äußerst zerstörerischen Explosion. Jetzt ist es die Aufgabe der Wissenschaftler, Wege zu finden

Aus dem Buch des Autors

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In den Labyrinthen der Spaltung 1938 machten die deutschen Wissenschaftler Otto Hahn und Fritz Strassmann (1902–1980) eine erstaunliche Entdeckung. Sie fanden heraus, dass beim Beschuss von Uran mit Neutronen manchmal Kerne erzeugt wurden, die etwa doppelt so leicht waren wie der ursprüngliche Urankern. Weiter

DEFINITION

Chemische Kinetik- das Studium der Geschwindigkeiten und Mechanismen chemischer Reaktionen.

Die Untersuchung der Reaktionsgeschwindigkeiten, die Gewinnung von Daten über die Faktoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen, sowie die Untersuchung der Mechanismen chemischer Reaktionen wird experimentell durchgeführt.

DEFINITION

Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion- Änderung der Konzentration eines der Reaktanten oder Reaktionsprodukte pro Zeiteinheit bei konstantem Volumen des Systems.

Die Geschwindigkeit von homogenen und heterogenen Reaktionen wird unterschiedlich bestimmt.

Die Definition eines Maßes für die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion kann in mathematischer Form geschrieben werden. Seien Sie - die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion in einem homogenen System, n B - die Anzahl der Mole einer der aus der Reaktion resultierenden Substanzen, V - das Volumen des Systems, - Zeit. Dann im Limit:

Diese Gleichung kann vereinfacht werden - das Verhältnis von Stoffmenge zu Volumen ist die molare Konzentration des Stoffes n B / V \u003d c B, woraus dn B / V \u003d dc B und schließlich:

In der Praxis werden in bestimmten Zeitabständen die Konzentrationen einer oder mehrerer Substanzen gemessen. Die Konzentrationen der Ausgangsstoffe nehmen mit der Zeit ab, während die Konzentrationen der Produkte zunehmen (Abb. 1).

Reis. 1. Änderung der Konzentration von Ausgangsstoff (a) und Reaktionsprodukt (b) mit der Zeit

Faktoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen

Faktoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen, sind: die Art der Reaktanten, ihre Konzentrationen, Temperatur, das Vorhandensein von Katalysatoren im System, Druck und Volumen (in der Gasphase).

Der Einfluss der Konzentration auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist mit dem Grundgesetz der chemischen Kinetik verbunden - dem Massenwirkungsgesetz (LMA): Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist direkt proportional zum Produkt der Konzentrationen der Reaktanten, die auf die angehoben werden Potenz ihrer stöchiometrischen Koeffizienten. Das PDM berücksichtigt nicht die Konzentration von Stoffen in der Festphase in heterogenen Systemen.

Für die Reaktion mA + nB = pC + qD wird der mathematische Ausdruck des MAP geschrieben:

K × C A m × C B n

K × [A] m × [B] n ,

wobei k die Geschwindigkeitskonstante einer chemischen Reaktion ist, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion bei einer Konzentration von Reaktanten von 1 mol/l ist. Anders als die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion hängt k nicht von der Konzentration der Reaktanten ab. Je höher k, desto schneller läuft die Reaktion ab.

Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Temperatur wird durch die Van't-Hoff-Regel bestimmt. Van't-Hoff-Regel: Mit jeweils zehn Grad Temperaturerhöhung erhöht sich die Geschwindigkeit der meisten chemischen Reaktionen um etwa das 2- bis 4-fache. Mathematischer Ausdruck:

(T 2) \u003d (T 1) × (T2-T1) / 10,

wo ist der Van't-Hoff-Temperaturkoeffizient, der zeigt, wie oft die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung um 10 o C zunimmt.

Molekularität und Reaktionsordnung

Die Molekularität der Reaktion wird durch die minimale Anzahl von Molekülen bestimmt, die gleichzeitig interagieren (am Elementarakt teilnehmen). Unterscheiden:

- monomolekulare Reaktionen (Zersetzungsreaktionen können als Beispiel dienen)

N 2 O 5 \u003d 2NO 2 + 1 / 2O 2

K × C, -dC/dt = kC

Allerdings sind nicht alle Reaktionen, die dieser Gleichung gehorchen, monomolekular.

- bimolekular

CH 3 COOH + C 2 H 5 OH \u003d CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O

K × C 1 × C 2 , –dC/dt = k × C 1 × C 2

- trimolekular (sehr selten).

Die Molekularität einer Reaktion wird durch ihren wahren Mechanismus bestimmt. Es ist unmöglich, seine Molekularität durch Aufstellen der Reaktionsgleichung zu bestimmen.

Die Reihenfolge der Reaktion wird durch die Form der kinetischen Reaktionsgleichung bestimmt. Sie ist gleich der Summe der Exponenten der Konzentrationsgrade in dieser Gleichung. Zum Beispiel:

CaCO 3 \u003d CaO + CO 2

K × C 1 2 × C 2 – dritte Ordnung

Die Reihenfolge der Reaktion kann fraktioniert sein. In diesem Fall wird sie experimentell bestimmt. Wenn die Reaktion in einer Stufe abläuft, dann stimmen die Reihenfolge der Reaktion und ihre Molekularität überein, wenn in mehreren Stufen, dann wird die Reihenfolge durch die langsamste Stufe bestimmt und ist gleich der Molekularität dieser Reaktion.

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Die Übung	Die Reaktion verläuft gemäß der Gleichung 2A + B = 4C. Die Anfangskonzentration von Substanz A beträgt 0,15 mol/l und nach 20 Sekunden 0,12 mol/l. Berechnen Sie die durchschnittliche Reaktionsgeschwindigkeit.
Entscheidung	Schreiben wir die Formel zur Berechnung der durchschnittlichen Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion auf: ZUM THEMA PASSENDE ARTIKEL Rückkopplung Standortkarte Über die Website