Viteza unei reacții chimice

Viteza unei reacții chimice- modificarea cantităţii uneia dintre substanţele care reacţionează pe unitatea de timp într-o unitate de spaţiu de reacţie. Este un concept cheie al cineticii chimice. Viteza unei reacții chimice este întotdeauna pozitivă, prin urmare, dacă este determinată de substanța inițială (a cărei concentrație scade în timpul reacției), atunci valoarea rezultată este înmulțită cu −1.

De exemplu, pentru o reacție:

expresia pentru viteza va arata astfel:

Pentru reacțiile elementare, exponentul la valoarea concentrației fiecărei substanțe este adesea egal cu coeficientul său stoechiometric; pentru reacțiile complexe, această regulă nu este respectată. Pe lângă concentrație, următorii factori influențează viteza unei reacții chimice:

• natura reactanților,
• prezența unui catalizator
• temperatura (regula Van't Hoff),
• presiune,
• aria suprafeței reactanților.

Dacă luăm în considerare cea mai simplă reacție chimică A + B → C, atunci observăm că instant viteza unei reacții chimice nu este constantă.

Literatură

• Kubasov A. A. Cinetică chimică și cataliză.
• Prigogine I., Defey R. Termodinamică chimică. Novosibirsk: Nauka, 1966. 510 p.
• Yablonsky G. S., Bykov V. I., Gorban A. N., Kinetic models of catalitic reactions, Novosibirsk: Nauka (Siberian Branch), 1983.- 255 p.

Fundația Wikimedia. 2010 .

Vedeți care este „Viteza unei reacții chimice” în alte dicționare:

Concept de bază de cinetică chimică. Pentru reacțiile omogene simple, viteza unei reacții chimice se măsoară prin modificarea numărului de moli ai substanței reactionate (la un volum constant al sistemului) sau prin modificarea concentrației oricăreia dintre substanțele inițiale... Dicţionar enciclopedic mare

RATE DE REACȚIE CHIMĂ- conceptul de bază de chimie. cinetica, care exprimă raportul dintre cantitatea de substanță reacționată (în moli) și durata de timp în care a avut loc interacțiunea. Deoarece concentrațiile reactanților se modifică în timpul interacțiunii, viteza este de obicei... Marea Enciclopedie Politehnică

viteza de reactie chimica- o valoare care caracterizeaza intensitatea unei reactii chimice. Viteza de formare a unui produs de reacție este cantitatea acestui produs ca rezultat al unei reacții pe unitatea de timp pe unitatea de volum (dacă reacția este omogenă) sau pe ... ...

Concept de bază de cinetică chimică. Pentru reacțiile omogene simple, viteza unei reacții chimice se măsoară printr-o modificare a numărului de moli ai substanței reactionate (la un volum constant al sistemului) sau printr-o modificare a concentrației oricăreia dintre substanțele inițiale... Dicţionar enciclopedic

O valoare care caracterizează intensitatea unei reacții chimice (vezi Reacții chimice). Viteza de formare a unui produs de reacție este cantitatea din acest produs rezultată din reacția pe unitatea de timp în unitate de volum (dacă ... ...

Principal conceptul de chimie. cinetica. Pentru reacții omogene simple S. x. R. măsurată printr-o modificare a numărului de moli de moli reacționați în va (la un volum constant al sistemului) sau printr-o modificare a concentrației oricăruia dintre inițialii in sau produșii de reacție (dacă volumul sistemului ...

Pentru reacții complexe formate din mai multe. etape (reacții simple, sau elementare), mecanismul este un ansamblu de etape, în urma cărora cele inițiale în va sunt transformate în produse. Intermediarul din tine în aceste reacții poate acționa ca molecule, ...... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

- (în engleză nucleophilic substitution reaction) reacții de substituție în care atacul este efectuat de un reactiv nucleofil care poartă o pereche de electroni neîmpărțită. Gruparea care pleacă în reacțiile de substituție nucleofilă se numește nucleofug. Toate... Wikipedia

Transformarea unei substanțe în alta, diferită de originalul ca compoziție sau structură chimică. Numărul total de atomi ai fiecărui element dat, precum și elementele chimice în sine care alcătuiesc substanțele, rămân în R. x. neschimbat; acest R. x... Marea Enciclopedie Sovietică

viteza de desen- viteza liniară a mișcării metalului la ieșirea din matriță, m/s. La mașinile de tragere moderne, viteza de tragere ajunge la 50-80 m/s. Cu toate acestea, chiar și în timpul tragerii sârmei, viteza, de regulă, nu depășește 30-40 m/s. La…… Dicţionar Enciclopedic de Metalurgie

Sisteme. Dar această valoare nu reflectă posibilitatea reală a reacției, ea vitezăși mecanism.

Pentru o reprezentare completă a unei reacții chimice, trebuie să cunoaștem ce tipare temporale există în timpul implementării acesteia, de exemplu. viteza de reactie chimicași mecanismul său detaliat. Viteza și mecanismul studiilor de reacție cinetica chimicăștiința proceselor chimice.

În ceea ce privește cinetica chimică, reacțiile pot fi clasificate în simplu și complex.

reacții simple- procese care au loc fără formarea de compuși intermediari. În funcție de numărul de particule care participă la el, ele sunt împărțite în monomolecular, bimolecular, trimolecular. Ciocnirea a mai mult de 3 particule este puțin probabilă, așa că reacțiile trimoleculare sunt destul de rare, iar cele cu patru moleculare sunt necunoscute. Reacții complexe- procese formate din mai multe reactii elementare.

Orice proces continuă cu viteza sa inerentă, care poate fi determinată de schimbările care au loc într-o anumită perioadă de timp. mijloc viteza de reactie chimica exprimată ca modificare a cantității de substanță n substanță consumată sau primită pe unitatea de volum V pe unitatea de timp t.

υ = ± dn/ dt· V

Dacă substanța este consumată, atunci punem semnul „-”, dacă se acumulează - „+”

La volum constant:

υ = ± DC/ dt,

Viteza de reacție unitate mol/l s

În general, υ este o valoare constantă și nu depinde de substanța pe care o urmăm în reacție.

Dependenţa concentraţiei reactivului sau produsului de timpul de reacţie este prezentată ca curba cinetica, care arată astfel:

Este mai convenabil să se calculeze υ din datele experimentale dacă expresiile de mai sus sunt convertite în următoarea expresie:

Legea maselor active. Ordinea și constanta de viteză a reacției

Una dintre cuvinte legea acțiunii în masă suna asa: Viteza unei reacții chimice omogene elementare este direct proporțională cu produsul concentrațiilor reactanților.

Dacă procesul studiat este reprezentat ca:

a A + b B = produse

atunci se poate exprima viteza unei reacții chimice ecuația cinetică:

υ = k [A] a [B] b sau

υ = k C a A C b B

Aici [ A] și [B] (C A șiC B) - concentrația de reactivi,

a sib sunt coeficienții stoichiometrici ai unei reacții simple,

k este constanta vitezei de reacție.

Semnificația chimică a cantității k- Acest viteza de reacție la concentrații unice. Adică, dacă concentrațiile substanțelor A și B sunt egale cu 1, atunci υ = k.

Trebuie avut în vedere că în procesele chimice complexe coeficienții a sib nu se potrivesc cu cele stoichiometrice.

Legea acțiunii în masă este îndeplinită în mai multe condiții:

• Reacția este activată termic, adică energie termică de mișcare.
• Concentrația de reactivi este distribuită uniform.
• Proprietățile și condițiile mediului nu se modifică în timpul procesului.
• Proprietățile mediului nu ar trebui să afecteze k.

Pentru procese complexe legea acțiunii în masă nu poate fi aplicat. Acest lucru se poate explica prin faptul că un proces complex constă din mai multe etape elementare, iar viteza lui nu va fi determinată de viteza totală a tuturor etapelor, ci doar de una dintre cele mai lente etape, care se numește limitare.

Fiecare reacție are propria sa Ordin. A determina ordin privat (parțial). prin reactiv și ordine generală (deplină).. De exemplu, în expresia pentru viteza unei reacții chimice pentru un proces

a A + b B = produse

υ = k·[ A] A·[ B] b

A– comanda după reactiv DAR

b — comandă după reactiv LA

Ordine generală A + b = n

Pentru procese simple ordinea de reacție indică numărul de particule care reacţionează (coincide cu coeficienţii stoichiometrici) și ia valori întregi. Pentru procese complexe ordinea reacției nu coincide cu coeficienții stoichiometrici și poate fi oricare.

Să determinăm factorii care influențează viteza unei reacții chimice υ.

1. Dependența vitezei de reacție de concentrația reactanților

   determinată de legea acțiunii în masă: υ = k[ A] A·[ B] b

Evident, odată cu creșterea concentrațiilor de reactanți, υ crește, deoarece numărul de ciocniri între substanțele care participă la procesul chimic crește. Mai mult, este important să se ia în considerare ordinea reacției: dacă n=1 pentru un anumit reactiv, atunci viteza sa este direct proporțională cu concentrația acestei substanțe. Dacă pentru orice reactiv n=2, apoi dublarea concentrației sale va duce la o creștere a vitezei de reacție de 2 2 \u003d de 4 ori, iar creșterea concentrației de 3 ori va accelera reacția de 3 2 \u003d de 9 ori.

Reacția rapidă este determinată de modificarea concentrației molare a unuia dintre reactanți:

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

Unde C 1 și C 2 sunt concentrațiile molare ale substanțelor în timpii t 1 și, respectiv, t 2 (semnul (+) - dacă viteza este determinată de produsul de reacție, semnul (-) - de substanța originală).

Reacțiile apar atunci când moleculele de reactanți se ciocnesc. Viteza sa este determinată de numărul de ciocniri și de probabilitatea ca acestea să ducă la o transformare. Numărul de ciocniri este determinat de concentrațiile substanțelor care reacţionează, iar probabilitatea unei reacții este determinată de energia moleculelor care se ciocnesc.
Factori care afectează viteza reacțiilor chimice.
1. Natura reactanților. Un rol important îl joacă natura legăturilor chimice și structura moleculelor reactivilor. Reacțiile se desfășoară în direcția distrugerii legăturilor mai puțin puternice și a formării de substanțe cu legături mai puternice. Astfel, sunt necesare energii mari pentru a rupe legăturile din moleculele de H2 și N2; astfel de molecule nu sunt foarte reactive. Pentru a rupe legăturile în moleculele foarte polare (HCl, H 2 O), este necesară mai puțină energie, iar viteza de reacție este mult mai mare. Reacțiile dintre ionii din soluțiile de electroliți au loc aproape instantaneu.
Exemple
Fluorul reacționează exploziv cu hidrogenul la temperatura camerei; bromul reacționează lent cu hidrogenul chiar și atunci când este încălzit.
Oxidul de calciu reactioneaza energic cu apa, eliberand caldura; oxid de cupru - nu reacționează.

2. Concentrarea. Odată cu creșterea concentrației (numărul de particule pe unitate de volum), ciocnirile moleculelor reactante apar mai des - viteza de reacție crește.
Legea maselor active (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
Viteza unei reacții chimice este direct proporțională cu produsul concentrațiilor reactanților.

AA + bB + . . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

Constanta vitezei de reacție k depinde de natura reactanților, temperatură și catalizator, dar nu depinde de concentrațiile reactanților.
Sensul fizic al constantei de viteză este că este egală cu viteza de reacție la concentrațiile unitare ale reactanților.
Pentru reacțiile eterogene, concentrația fazei solide nu este inclusă în exprimarea vitezei de reacție.

3. Temperatura. Pentru fiecare creștere cu 10°C a temperaturii, viteza de reacție crește cu un factor de 2-4 (regula lui Van't Hoff). Cu o creștere a temperaturii de la t 1 la t 2, modificarea vitezei de reacție poate fi calculată prin formula:

(unde Vt 2 și Vt 1 sunt vitezele de reacție la temperaturile t 2 și, respectiv, t 1; g este coeficientul de temperatură al acestei reacții).
Regula lui Van't Hoff este aplicabilă numai într-un interval restrâns de temperatură. Mai precisă este ecuația lui Arrhenius:

• e-Ea/RT

Unde
A este o constantă în funcție de natura reactanților;
R este constanta universală a gazului;

Ea este energia de activare, i.e. energia pe care trebuie să o aibă moleculele care se ciocnesc pentru ca ciocnirea să aibă ca rezultat o transformare chimică.
Diagrama energetică a unei reacții chimice.

A - reactivi, B - complex activat (stare de tranziție), C - produse.
Cu cât energia de activare Ea este mai mare, cu atât viteza de reacție crește odată cu creșterea temperaturii.

4. Suprafața de contact a reactanților. Pentru sistemele eterogene (atunci când substanțele sunt în diferite stări de agregare), cu cât suprafața de contact este mai mare, cu atât reacția are loc mai rapid. Suprafața solidelor poate fi mărită prin măcinarea acestora, iar pentru substanțele solubile prin dizolvarea acestora.

5. Cataliza. Substanțele care participă la reacții și cresc viteza acesteia, rămânând neschimbate până la sfârșitul reacției, se numesc catalizatori. Mecanismul de acțiune al catalizatorilor este asociat cu o scădere a energiei de activare a reacției datorită formării de compuși intermediari. La cataliză omogenă reactivii si catalizatorul constituie o singura faza (sunt in aceeasi stare de agregare), cu cataliză eterogenă- diferite faze (sunt în diferite stări de agregare). În unele cazuri, cursul proceselor chimice nedorite poate fi încetinit drastic prin adăugarea de inhibitori în mediul de reacție (fenomenul cataliză negativă").

7.1. Reacții omogene și eterogene

Substanțele chimice pot fi în diferite stări de agregare, în timp ce proprietățile lor chimice în diferite stări sunt aceleași, dar activitatea este diferită (ceea ce a fost arătat în ultima prelegere folosind exemplul efectului termic al unei reacții chimice).

Luați în considerare diferite combinații de stări agregate în care se pot afla două substanțe A și B.

O fază este o regiune a unui sistem chimic în care toate proprietățile sistemului sunt constante (aceleași) sau se modifică continuu de la un punct la altul. Faze separate sunt fiecare dintre solide, în plus, există faze de soluție și gaz.

Omogen se numește sistem chimic, în care toate substanțele sunt în aceeași fază (în soluție sau în gaz). Dacă există mai multe faze, atunci sistemul este apelat

eterogen.

Respectiv reactie chimica numite omogene dacă reactanţii sunt în aceeaşi fază. Dacă reactanții sunt în faze diferite, atunci reactie chimica numite eterogene.

Este ușor de înțeles că, deoarece o reacție chimică necesită contactul reactivilor, o reacție omogenă are loc simultan în întregul volum al unei soluții sau al unui vas de reacție, în timp ce o reacție eterogenă are loc la o limită îngustă între faze - la interfață. Astfel, pur teoretic, o reacție omogenă are loc mai repede decât una eterogenă.

Astfel, trecem la concept viteza de reactie chimica.

Viteza unei reacții chimice. Legea maselor active. echilibru chimic.

7.2. Viteza unei reacții chimice

Ramura chimiei care studiază vitezele și mecanismele reacțiilor chimice este o ramură a chimiei fizice și se numește cinetica chimică.

Viteza unei reacții chimice este modificarea cantității de substanță pe unitatea de timp pe unitatea de volum a sistemului de reacție (pentru o reacție omogenă) sau pe unitatea de suprafață (pentru o reacție eterogenă).

Raportul dintre modificarea cantității unei substanțe și volumul sistemului poate fi interpretat ca o modificare a concentrației unei substanțe date.

Rețineți că pentru reactivi în expresia vitezei unei reacții chimice se pune semnul minus, deoarece concentrația reactivilor scade, iar viteza reacției chimice este de fapt o valoare pozitivă.

Concluziile ulterioare se bazează pe considerații fizice simple, care consideră o reacție chimică ca o consecință a interacțiunii mai multor particule.

Elementară (sau simplă) este o reacție chimică care are loc într-o singură etapă. Dacă există mai multe etape, atunci astfel de reacții se numesc reacții complexe, sau compuse sau brute.

În 1867, a fost propus pentru a descrie viteza unei reacții chimice legea acțiunii în masă: viteza unei reacții chimice elementare proporțională cu concentrațiile reactanților în puteri ale coeficienților stoichiometrici.n A +m B P,

A, B - reactivi, P - produse, n ,m - coeficienți.

W =k n m

Coeficientul k se numește constanta de viteză a unei reacții chimice,

caracterizează natura particulelor care interacționează și nu depinde de concentrația particulelor.

Viteza unei reacții chimice. Legea maselor active. echilibru chimic. Se numesc mărimile n și m ordinea reacției după substanță A și, respectiv, B și

suma lor (n + m) - ordine de reacție.

Pentru reacțiile elementare, ordinea de reacție poate fi 1, 2 și 3.

Reacțiile elementare de ordinul 1 se numesc monomoleculare, de ordinul 2 - bimoleculare, de ordinul 3 - trimoleculare în funcție de numărul de molecule implicate. Reacțiile elementare mai mari decât ordinul trei sunt necunoscute - calculele arată că întâlnirea simultană a patru molecule la un moment dat este un eveniment prea incredibil.

Deoarece o reacție complexă constă dintr-o anumită secvență de reacții elementare, viteza ei poate fi exprimată în termeni de viteze ale etapelor individuale ale reacției. Prin urmare, pentru reacțiile complexe, ordinea poate fi oricare, inclusiv fracționată sau zero (ordinea zero a reacției indică faptul că reacția are loc la o viteză constantă și nu depinde de concentrația particulelor care reacţionează W = k).

Cea mai lentă dintre etapele unui proces complex este de obicei numită etapă limită (etapa de limitare a vitezei).

Imaginați-vă că un număr mare de molecule au mers la un cinematograf gratuit, dar există un inspector la intrare care verifică vârsta fiecărei molecule. Prin urmare, un flux de materie intră pe ușa cinematografului, iar moleculele intră pe rând în cinematograf, adică. Atât de lent.

Exemple de reacții elementare de ordinul întâi sunt procesele de dezintegrare termică sau radioactivă, respectiv, constanta de viteză k caracterizează fie probabilitatea ruperii unei legături chimice, fie probabilitatea dezintegrarii pe unitatea de timp.

Există o mulțime de exemple de reacții elementare de ordinul doi - acesta este cel mai familiar mod prin care putem proceda la reacții - particula A a zburat în particula B, a avut loc un fel de transformare și s-a întâmplat ceva acolo (rețineți că produsele în teorie nu nu afectează nimic - toată atenția acordată doar particulelor care reacţionează).

Dimpotrivă, există destul de multe reacții elementare de ordinul trei, deoarece este destul de rar ca trei particule să se întâlnească în același timp.

Ca o ilustrare, luați în considerare puterea predictivă a cineticii chimice.

Viteza unei reacții chimice. Legea maselor active. echilibru chimic.

Ecuație cinetică de ordinul întâi

(material suplimentar ilustrativ)

Să considerăm o reacție omogenă de ordinul întâi, a cărei constantă de viteză este egală cu k , concentrația inițială a substanței A este egală cu [A]0 .

În scopul cursului nostru, această concluzie este doar în scop informativ, pentru a vă demonstra utilizarea aparatului matematic pentru calcularea cursului unei reacții chimice. Prin urmare, un chimist competent nu poate să nu cunoască matematica. Învață matematică!

Viteza unei reacții chimice. Legea maselor active. echilibru chimic. Un grafic al concentrației de reactanți și produși în funcție de timp poate fi descris calitativ după cum urmează (folosind exemplul unei reacții ireversibile de ordinul întâi)

Factorii care afectează viteza de reacție

1. Natura reactanților

De exemplu, viteza de reacție a următoarelor substanțe: H2 SO4, CH3 COOH, H2 S, CH3 OH - cu ion hidroxid va varia în funcție de puterea legăturii H-O. Pentru a evalua rezistența acestei legături, puteți utiliza valoarea sarcinii pozitive relative pe atomul de hidrogen: cu cât sarcina este mai mare, cu atât reacția va avea loc mai ușor.

2. Temperatura

Experiența de viață ne spune că viteza de reacție depinde de temperatură și crește odată cu creșterea temperaturii. De exemplu, procesul de acrire a laptelui are loc mai repede la temperatura camerei și nu în frigider.

Să ne întoarcem la expresia matematică a legii acțiunii în masă.

W =k n m

Deoarece partea stângă a acestei expresii (rata de reacție) depinde de temperatură, prin urmare, partea dreaptă a expresiei depinde și de temperatură. În același timp, concentrația, desigur, nu depinde de temperatură: de exemplu, laptele își păstrează conținutul de grăsime de 2,5% atât în ​​frigider, cât și la temperatura camerei. Apoi, după cum spunea Sherlock Holmes, soluția rămasă este cea potrivită, oricât de ciudat ar părea: constanta de viteză depinde de temperatură!

Viteza unei reacții chimice. Legea maselor active. echilibru chimic. Dependența constantei vitezei de reacție de temperatură este exprimată folosind ecuația Arrhenius:

− E a

k = k0 eRT ,

în care

R = 8,314 J mol-1 K-1 - constanta universală a gazului,

E a este energia de activare a reacției (vezi mai jos), este considerată condiționat independent de temperatură;

k 0 este factorul pre-exponențial (adică factorul care stă înaintea exponentului e ), a cărui valoare este, de asemenea, aproape independentă de temperatură și este determinată, în primul rând, de ordinea reacției.

Astfel, valoarea lui k0 este de aproximativ 1013 s-1 pentru o reacție de ordinul întâi și 10 -10 l mol-1 s-1 pentru o reacție de ordinul doi,

pentru o reacție de ordinul trei - 10 -33 l2 mol-2 s-1. Aceste valori nu trebuie memorate.

Valorile exacte ale lui k0 pentru fiecare reacție sunt determinate experimental.

Conceptul de energie de activare devine clar din figura următoare. De fapt, energia de activare este energia pe care trebuie să o aibă particula care reacţionează pentru ca reacţia să aibă loc.

Mai mult, dacă încălzim sistemul, atunci energia particulelor crește (grafic punctat), în timp ce starea de tranziție (≠) rămâne la același nivel. Diferența de energie dintre starea de tranziție și reactanți (energia de activare) este redusă, iar viteza de reacție conform ecuației Arrhenius crește.

Viteza unei reacții chimice. Legea maselor active. echilibru chimic. Pe lângă ecuația Arrhenius, există ecuația van't Hoff, care

caracterizează dependența vitezei de reacție de temperatură prin intermediul coeficientului de temperatură γ:

Coeficientul de temperatură γ arată de câte ori va crește viteza unei reacții chimice când temperatura se schimbă cu 10o.

Ecuația Van't Hoff:

T 2 − T 1

W (T2)= W (T1)× y10

De obicei, coeficientul γ este în intervalul de la 2 la 4. Din acest motiv, chimiștii folosesc adesea aproximarea că o creștere de 20o a temperaturii duce la o creștere a vitezei de reacție cu un ordin de mărime (adică, de 10 ori).