A velocidade de uma reação química

A velocidade de uma reação química- mudança na quantidade de uma das substâncias reagentes por unidade de tempo em uma unidade de espaço de reação. É um conceito chave da cinética química. A velocidade de uma reação química é sempre positiva, portanto, se for determinada pela substância inicial (cuja concentração diminui durante a reação), o valor resultante é multiplicado por -1.

Por exemplo para uma reação:

a expressão para velocidade ficará assim:

Para reações elementares, o expoente no valor de concentração de cada substância é muitas vezes igual ao seu coeficiente estequiométrico; para reações complexas, essa regra não é observada. Além da concentração, os seguintes fatores influenciam a velocidade de uma reação química:

• a natureza dos reagentes,
• a presença de um catalisador
• temperatura (regra de van't Hoff),
• pressão,
• a área da superfície dos reagentes.

Se considerarmos a reação química mais simples A + B → C, notamos que instante a velocidade de uma reação química não é constante.

Literatura

• Kubasov A. A. Cinética química e catálise.
• Prigogine I., Defey R. Termodinâmica química. Novosibirsk: Nauka, 1966. 510 p.
• Yablonsky G.S., Bykov V.I., Gorban A.N., modelos cinéticos de reações catalíticas, Novosibirsk: Nauka (Siberian Branch), 1983.- 255 p.

Fundação Wikimedia. 2010.

Veja o que é a "Taxa de uma reação química" em outros dicionários:

Conceito básico de cinética química. Para reações homogêneas simples, a velocidade de uma reação química é medida pela mudança no número de mols da substância reagida (em um volume constante do sistema) ou pela mudança na concentração de qualquer uma das substâncias iniciais ... Grande Dicionário Enciclopédico

TAXA DE REAÇÃO QUÍMICA- o conceito básico de química. cinética, expressando a razão entre a quantidade da substância reagida (em moles) para o período de tempo durante o qual a interação ocorreu. Como as concentrações dos reagentes mudam durante a interação, a taxa geralmente é ... Grande Enciclopédia Politécnica

taxa de reação química- um valor que caracteriza a intensidade de uma reação química. A taxa de formação de um produto de reação é a quantidade deste produto como resultado de uma reação por unidade de tempo por unidade de volume (se a reação for homogênea) ou por ... ...

Conceito básico de cinética química. Para reações homogêneas simples, a velocidade de uma reação química é medida por uma mudança no número de mols da substância reagida (em um volume constante do sistema) ou por uma mudança na concentração de qualquer uma das substâncias iniciais ... dicionário enciclopédico

Um valor que caracteriza a intensidade de uma reação química (consulte Reações Químicas). A taxa de formação de um produto de reação é a quantidade deste produto resultante da reação por unidade de tempo em unidade de volume (se ... ...

Principal o conceito de química. cinética. Para reações homogêneas simples S. x. R. medida por uma mudança no número de mols de reagida em va (em um volume constante do sistema) ou por uma mudança na concentração de qualquer um dos produtos iniciais de reação ou in (se o volume do sistema ...

Para reações complexas que consistem em vários. estágios (reações simples ou elementares), o mecanismo é um conjunto de estágios, como resultado dos quais os iniciais em va são convertidos em produtos. Intermediário em você nessas reações podem atuar como moléculas, ... ... Ciência natural. dicionário enciclopédico

- (reação de substituição nucleofílica inglesa) reações de substituição nas quais o ataque é realizado por um reagente nucleófilo carregando um par de elétrons não compartilhado. O grupo de saída em reações de substituição nucleofílica é chamado de nucleófugo. Todos... Wikipédia

A transformação de uma substância em outra, diferente da original em composição química ou estrutura. O número total de átomos de cada elemento dado, bem como os próprios elementos químicos que compõem as substâncias, permanecem em R. x. inalterado; esse R.x... Grande Enciclopédia Soviética

velocidade de desenho- velocidade linear do movimento do metal na saída da matriz, m/s. Nas máquinas de trefilação modernas, a velocidade de trefilação atinge 50-80 m/s. No entanto, mesmo durante a trefilação, a velocidade, como regra, não excede 30–40 m/s. No… … Dicionário Enciclopédico de Metalurgia

Sistemas. Mas esse valor não reflete a real possibilidade da reação, sua Rapidez e mecanismo.

Para uma representação completa de uma reação química, deve-se ter conhecimento de quais padrões temporais existem durante sua implementação, ou seja, taxa de reação química e seu mecanismo detalhado. A taxa e o mecanismo dos estudos de reação cinética química a ciência do processo químico.

Em termos de cinética química, as reações podem ser classificadas em simples e complexos.

reações simples- processos que ocorrem sem a formação de compostos intermediários. De acordo com o número de partículas que dela participam, elas são divididas em monomolecular, bimolecular, trimolecular. A colisão de mais de 3 partículas é improvável, então as reações trimoleculares são bastante raras e as de quatro moléculas são desconhecidas. Reações complexas- processos constituídos por várias reações elementares.

Qualquer processo prossegue com sua velocidade inerente, que pode ser determinada pelas mudanças que ocorrem ao longo de um determinado período de tempo. meio taxa de reação química expressa como uma mudança na quantidade de uma substância n substância consumida ou recebida por unidade de volume V por unidade de tempo t.

υ = ± dn/ dt· V

Se a substância for consumida, colocamos o sinal "-", se acumular - "+"

A volume constante:

υ = ± DC/ dt,

Unidade de taxa de reação mol/l s

Em geral, υ é um valor constante e não depende de qual substância participa da reação que estamos seguindo.

A dependência da concentração do reagente ou produto no tempo de reação é apresentada como curva cinética, que se parece com:

É mais conveniente calcular υ a partir de dados experimentais se as expressões acima forem transformadas na seguinte expressão:

A lei das massas ativas. Ordem e constante de velocidade da reação

Uma das palavras lei da ação de massa soa assim: A velocidade de uma reação química homogênea elementar é diretamente proporcional ao produto das concentrações dos reagentes.

Se o processo em estudo for representado como:

a A + b B = produtos

então a velocidade de uma reação química pode ser expressa equação cinética:

υ = k [A] a [B] b ou

υ = k C a A C b B

Aqui [ UMA] e [B] (C A eC B) - concentração de reagentes,

um eb são os coeficientes estequiométricos de uma reação simples,

ké a constante de velocidade da reação.

O significado químico da quantidade k- Esse reação de velocidade em concentrações únicas. Isto é, se as concentrações das substâncias A e B são iguais a 1, então υ = k.

Deve-se levar em conta que em processos químicos complexos os coeficientes um eb não coincidem com os estequiométricos.

A lei da ação das massas é cumprida sob várias condições:

• A reacção é activada termicamente, i.e. energia de movimento térmico.
• A concentração de reagentes é distribuída uniformemente.
• As propriedades e condições do ambiente não mudam durante o processo.
• As propriedades do ambiente não devem afetar k.

Para processos complexos lei da ação de massa não pode ser aplicado. Isso pode ser explicado pelo fato de que um processo complexo consiste em vários estágios elementares, e sua velocidade não será determinada pela velocidade total de todos os estágios, mas apenas por um dos estágios mais lentos, que é chamado de limitando.

Cada reação tem sua própria pedido. Determinar pedido privado (parcial) por reagente e pedido geral (completo). Por exemplo, na expressão para a velocidade de uma reação química para um processo

a A + b B = produtos

υ = k·[ UMA] uma·[ B] b

uma– ordem por reagente MAS

b — pedido por reagente NO

Ordem geral uma + b = n

Por processos simples a ordem de reação indica o número de partículas reagentes (coincide com coeficientes estequiométricos) e assume valores inteiros. Por processos complexos a ordem da reação não coincide com os coeficientes estequiométricos e pode ser qualquer um.

Vamos determinar os fatores que influenciam a velocidade de uma reação química υ.

1. A dependência da velocidade da reação com a concentração dos reagentes

   determinado pela lei da ação das massas: υ = k[ UMA] uma·[ B] b

Obviamente, com concentrações crescentes de reagentes, υ aumenta, porque o número de colisões entre as substâncias que participam do processo químico aumenta. Além disso, é importante considerar a ordem da reação: se n=1 para algum reagente, então sua taxa é diretamente proporcional à concentração dessa substância. Se para qualquer reagente n=2, dobrar sua concentração levará a um aumento na taxa de reação em 2 2 \u003d 4 vezes, e aumentar a concentração em 3 vezes acelerará a reação em 3 2 \u003d 9 vezes.

Reação de velocidadeé determinado pela mudança na concentração molar de um dos reagentes:

V \u003d ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) \u003d ± (DC / Dt)

Onde C 1 e C 2 são as concentrações molares das substâncias nos tempos t 1 e t 2, respectivamente (sinal (+) - se a velocidade é determinada pelo produto da reação, sinal (-) - pela substância original).

As reações ocorrem quando as moléculas dos reagentes colidem. Sua velocidade é determinada pelo número de colisões e pela probabilidade de levarem a uma transformação. O número de colisões é determinado pelas concentrações das substâncias reagentes, e a probabilidade de uma reação é determinada pela energia das moléculas que colidem.
Fatores que afetam a velocidade das reações químicas.
1. A natureza dos reagentes. Um papel importante é desempenhado pela natureza das ligações químicas e pela estrutura das moléculas dos reagentes. As reações prosseguem na direção da destruição de ligações menos fortes e da formação de substâncias com ligações mais fortes. Assim, altas energias são necessárias para quebrar ligações em moléculas de H 2 e N 2; tais moléculas não são muito reativas. Para quebrar ligações em moléculas altamente polares (HCl, H 2 O), é necessária menos energia e a taxa de reação é muito maior. As reações entre íons em soluções eletrolíticas ocorrem quase instantaneamente.
Exemplos
O flúor reage explosivamente com o hidrogênio à temperatura ambiente; o bromo reage com o hidrogênio lentamente, mesmo quando aquecido.
O óxido de cálcio reage vigorosamente com a água, liberando calor; óxido de cobre - não reage.

2. Concentração. Com um aumento na concentração (o número de partículas por unidade de volume), as colisões de moléculas reagentes ocorrem com mais frequência - a taxa de reação aumenta.
A lei das massas ativas (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
A velocidade de uma reação química é diretamente proporcional ao produto das concentrações dos reagentes.

AA + bB + . . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

A constante de velocidade de reação k depende da natureza dos reagentes, temperatura e catalisador, mas não depende das concentrações dos reagentes.
O significado físico da constante de velocidade é que ela é igual à velocidade da reação em concentrações unitárias dos reagentes.
Para reações heterogêneas, a concentração da fase sólida não está incluída na expressão da taxa de reação.

3. Temperatura. Para cada aumento de 10°C na temperatura, a taxa de reação aumenta por um fator de 2-4 (regra de Van't Hoff). Com um aumento na temperatura de t 1 para t 2, a mudança na velocidade da reação pode ser calculada pela fórmula:

(onde Vt 2 e Vt 1 são as taxas de reação nas temperaturas t 2 e t 1, respectivamente; g é o coeficiente de temperatura desta reação).
A regra de Van't Hoff é aplicável apenas em uma faixa estreita de temperatura. Mais precisa é a equação de Arrhenius:

• e-Ea/RT

Onde
A é uma constante dependendo da natureza dos reagentes;
R é a constante universal do gás;

Ea é a energia de ativação, ou seja, a energia que as moléculas em colisão devem ter para que a colisão resulte em uma transformação química.
Diagrama de energia de uma reação química.

A - reagentes, B - complexo ativado (estado de transição), C - produtos.
Quanto maior a energia de ativação Ea, mais a taxa de reação aumenta com o aumento da temperatura.

4. A superfície de contato dos reagentes. Para sistemas heterogêneos (quando as substâncias estão em diferentes estados de agregação), quanto maior a superfície de contato, mais rápida a reação ocorre. A superfície dos sólidos pode ser aumentada ao moê-los, e para substâncias solúveis, dissolvendo-os.

5. Catálise. As substâncias que participam das reações e aumentam sua velocidade, permanecendo inalteradas até o final da reação, são chamadas de catalisadores. O mecanismo de ação dos catalisadores está associado a uma diminuição da energia de ativação da reação devido à formação de compostos intermediários. No catálise homogênea os reagentes e o catalisador constituem uma fase (estão no mesmo estado de agregação), com catálise heterogênea- fases diferentes (estão em diferentes estados de agregação). Em alguns casos, o curso de processos químicos indesejáveis ​​pode ser drasticamente retardado pela adição de inibidores ao meio de reação (o fenômeno catálise negativa").

7.1. Reações homogêneas e heterogêneas

Substâncias químicas podem estar em diferentes estados de agregação, enquanto suas propriedades químicas em diferentes estados são as mesmas, mas a atividade é diferente (o que foi mostrado na última aula usando o exemplo do efeito térmico de uma reação química).

Considere várias combinações de estados agregados em que duas substâncias A e B podem estar.

Uma fase é uma região de um sistema químico dentro da qual todas as propriedades do sistema são constantes (as mesmas) ou mudam continuamente de ponto a ponto. Fases separadas são cada um dos sólidos, além disso, existem fases de solução e gás.

Homogêneo é chamado sistema químico, em que todas as substâncias estão na mesma fase (em solução ou em gás). Se houver várias fases, então o sistema é chamado

heterogêneo.

Respectivamente reação química chamado homogêneo se os reagentes estiverem na mesma fase. Se os reagentes estão em fases diferentes, então reação química chamado heterogêneo.

É fácil entender que, como uma reação química requer o contato de reagentes, uma reação homogênea ocorre simultaneamente em todo o volume da solução ou recipiente de reação, enquanto uma reação heterogênea ocorre em um estreito limite entre as fases - na interface. Assim, puramente teoricamente, uma reação homogênea ocorre mais rapidamente do que uma heterogênea.

Assim, passamos ao conceito taxa de reação química.

A velocidade de uma reação química. A lei das massas ativas. equilíbrio químico.

7.2. A velocidade de uma reação química

O ramo da química que estuda as taxas e os mecanismos das reações químicas é um ramo da físico-química e é chamado de cinética química.

A velocidade de uma reação químicaé a variação na quantidade de uma substância por unidade de tempo por unidade de volume do sistema reagente (para uma reação homogênea) ou por unidade de área de superfície (para uma reação heterogênea).

A razão da mudança na quantidade de uma substância para o volume do sistema pode ser interpretada como uma mudança na concentração de uma dada substância.

Observe que, para os reagentes na expressão para a velocidade de uma reação química, um sinal de menos é colocado, pois a concentração dos reagentes diminui e a velocidade da reação química é, na verdade, um valor positivo.

Outras conclusões são baseadas em simples considerações físicas que consideram uma reação química como consequência da interação de várias partículas.

Elementar (ou simples) é uma reação química que ocorre em um estágio. Se houver vários estágios, essas reações são chamadas de reações complexas, compostas ou brutas.

Em 1867, para descrever a velocidade de uma reação química, foi proposto lei da ação de massa: a taxa de uma reação química elementar proporcional às concentrações de reagentes em potências de coeficientes estequiométricos.n A +m B P,

A, B - reagentes, P - produtos, n ,m - coeficientes.

W = k n m

O coeficiente k é chamado de constante de velocidade de uma reação química,

caracteriza a natureza das partículas que interagem e não depende da concentração de partículas.

A velocidade de uma reação química. A lei das massas ativas. equilíbrio químico. As quantidades n e m são chamadas ordem de reação por substância A e B, respectivamente, e

sua soma (n + m) - ordem de reação.

Para reações elementares, a ordem de reação pode ser 1, 2 e 3.

Reações elementares com ordem 1 são chamadas de monomoleculares, com ordem 2 - bimolecular, com ordem 3 - trimolecular de acordo com o número de moléculas envolvidas. Reações elementares superiores à terceira ordem são desconhecidas - cálculos mostram que o encontro simultâneo de quatro moléculas em um ponto é um evento incrível demais.

Como uma reação complexa consiste em uma certa sequência de reações elementares, sua velocidade pode ser expressa em termos das velocidades dos estágios individuais da reação. Portanto, para reações complexas, a ordem pode ser qualquer, inclusive fracionária ou zero (a ordem zero da reação indica que a reação ocorre a uma taxa constante e não depende da concentração das partículas reagentes W = k).

O mais lento dos estágios de um processo complexo é geralmente chamado de estágio limitante (estágio limitador de taxa).

Imagine que um grande número de moléculas foi para um cinema gratuito, mas há um inspetor na entrada que verifica a idade de cada molécula. Portanto, um fluxo de matéria entra pela porta do cinema e as moléculas entram no cinema uma de cada vez, ou seja, Tão lento.

Exemplos de reações elementares de primeira ordem são os processos de decaimento térmico ou radioativo, respectivamente, a constante de velocidade k caracteriza a probabilidade de quebra de uma ligação química, ou a probabilidade de decaimento por unidade de tempo.

Existem muitos exemplos de reações elementares de segunda ordem - esta é a maneira mais familiar de procedermos reações - a partícula A voou para a partícula B, algum tipo de transformação ocorreu e algo aconteceu lá (note que os produtos em teoria não afeta nada - toda a atenção é dada apenas às partículas reagentes).

Pelo contrário, existem algumas reações elementares de terceira ordem, pois é muito raro que três partículas se encontrem ao mesmo tempo.

Como ilustração, considere o poder preditivo da cinética química.

A velocidade de uma reação química. A lei das massas ativas. equilíbrio químico.

Equação cinética de primeira ordem

(material adicional ilustrativo)

Consideremos uma reação homogênea de primeira ordem, cuja constante de velocidade é igual a k , a concentração inicial da substância A é igual a [A]0 .

Para fins de nosso curso, esta conclusão é apenas para fins informativos, a fim de demonstrar a você o uso do aparato matemático para calcular o curso de uma reação química. Portanto, um químico competente não pode deixar de conhecer matemática. Aprenda matemática!

A velocidade de uma reação química. A lei das massas ativas. equilíbrio químico. Um gráfico da concentração de reagentes e produtos versus tempo pode ser descrito qualitativamente como segue (usando o exemplo de uma reação irreversível de primeira ordem)

Fatores que afetam a velocidade da reação

1. Natureza dos reagentes

Por exemplo, a taxa de reação das seguintes substâncias: H2SO4, CH3COOH, H2S, CH3OH - com íon hidróxido irá variar dependendo da força da ligação H-O. Para avaliar a força dessa ligação, você pode usar o valor da carga relativa positiva no átomo de hidrogênio: quanto maior a carga, mais fácil será a reação.

2. Temperatura

A experiência de vida nos diz que a taxa de reação depende da temperatura e aumenta com o aumento da temperatura. Por exemplo, o processo de azedar o leite ocorre mais rapidamente à temperatura ambiente e não na geladeira.

Voltemo-nos para a expressão matemática da lei da ação das massas.

W = k n m

Como o lado esquerdo desta expressão (a taxa de reação) depende da temperatura, portanto, o lado direito da expressão também depende da temperatura. Ao mesmo tempo, a concentração, é claro, não depende da temperatura: por exemplo, o leite mantém seu teor de gordura de 2,5% tanto na geladeira quanto à temperatura ambiente. Então, como Sherlock Holmes costumava dizer, a solução restante é a correta, por mais estranha que possa parecer: a constante de velocidade depende da temperatura!

A velocidade de uma reação química. A lei das massas ativas. equilíbrio químico. A dependência da constante de velocidade de reação com a temperatura é expressa usando a equação de Arrhenius:

− Ea

k = k0 eRT,

em que

R = 8,314 J mol-1 K-1 - constante de gás universal,

E a é a energia de ativação da reação (veja abaixo), é condicionalmente considerada independente da temperatura;

k 0 é o fator pré-exponencial (isto é, o fator que está antes do expoente e), cujo valor também é quase independente da temperatura e é determinado, em primeiro lugar, pela ordem da reação.

Assim, o valor de k0 é aproximadamente 1013 s-1 para uma reação de primeira ordem e 10 -10 l mol-1 s-1 para uma reação de segunda ordem,

para uma reação de terceira ordem - 10 -33 l2 mol-2 s-1. Esses valores não precisam ser memorizados.

Os valores exatos de k0 para cada reação são determinados experimentalmente.

O conceito de energia de ativação fica claro na figura a seguir. De fato, a energia de ativação é a energia que a partícula reagente deve ter para que a reação ocorra.

Além disso, se aquecermos o sistema, a energia das partículas aumenta (gráfico pontilhado), enquanto o estado de transição (≠) permanece no mesmo nível. A diferença de energia entre o estado de transição e os reagentes (energia de ativação) é reduzida e a taxa de reação de acordo com a equação de Arrhenius aumenta.

A velocidade de uma reação química. A lei das massas ativas. equilíbrio químico. Além da equação de Arrhenius, existe a equação de van't Hoff, que

caracteriza a dependência da taxa de reação na temperatura por meio do coeficiente de temperatura γ:

O coeficiente de temperatura γ mostra quantas vezes a velocidade de uma reação química aumentará quando a temperatura mudar em 10o.

Equação de Van't Hoff:

T 2 - T 1

W (T 2 )= W (T 1 )× γ10

Normalmente, o coeficiente γ está na faixa de 2 a 4. Por esse motivo, os químicos costumam usar a aproximação de que um aumento de 20o na temperatura leva a um aumento na taxa de reação em uma ordem de grandeza (ou seja, 10 vezes).