Rýchlosť chemickej reakcie

Rýchlosť chemickej reakcie- zmena množstva jednej z reagujúcich látok za jednotku času v jednotke reakčného priestoru. Je to kľúčový pojem chemickej kinetiky. Rýchlosť chemickej reakcie je vždy kladná, preto ak je určená východiskovou látkou (ktorej koncentrácia počas reakcie klesá), výsledná hodnota sa vynásobí -1.

Napríklad pre reakciu:

výraz pre rýchlosť bude vyzerať takto:

Pri elementárnych reakciách sa exponent pri koncentračnej hodnote každej látky často rovná jej stechiometrickému koeficientu, pri zložitých reakciách sa toto pravidlo nedodržiava. Okrem koncentrácie ovplyvňujú rýchlosť chemickej reakcie tieto faktory:

• povaha reaktantov,
• prítomnosť katalyzátora
• teplota (van't Hoffovo pravidlo),
• tlak,
• povrchová plocha reaktantov.

Ak vezmeme do úvahy najjednoduchšiu chemickú reakciu A + B → C, potom si to všimneme okamžite rýchlosť chemickej reakcie nie je konštantná.

Literatúra

• Kubasov A. A. Chemická kinetika a katalýza.
• Prigogine I., Defey R. Chemická termodynamika. Novosibirsk: Nauka, 1966. 510 s.
• Yablonsky G. S., Bykov V. I., Gorban A. N., Kinetické modely katalytických reakcií, Novosibirsk: Nauka (Siberian Branch), 1983.- 255 s.

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „Rýchlosť chemickej reakcie“ v iných slovníkoch:

Základný pojem chemickej kinetiky. Pri jednoduchých homogénnych reakciách sa rýchlosť chemickej reakcie meria zmenou počtu mólov zreagovanej látky (pri konštantnom objeme systému) alebo zmenou koncentrácie niektorej z východiskových látok ... Veľký encyklopedický slovník

RÝCHLOSŤ CHEMICKEJ REAKCIE- základný pojem chem. kinetika, vyjadrujúca pomer množstva zreagovanej látky (v móloch) k dĺžke času, počas ktorého k interakcii došlo. Pretože sa koncentrácie reaktantov počas interakcie menia, rýchlosť je zvyčajne ... Veľká polytechnická encyklopédia

rýchlosť chemickej reakcie- hodnota, ktorá charakterizuje intenzitu chemickej reakcie. Rýchlosť tvorby reakčného produktu je množstvo tohto produktu ako výsledok reakcie za jednotku času na jednotku objemu (ak je reakcia homogénna) alebo za ... ...

Základný pojem chemickej kinetiky. Pri jednoduchých homogénnych reakciách sa rýchlosť chemickej reakcie meria zmenou počtu mólov zreagovanej látky (pri konštantnom objeme systému) alebo zmenou koncentrácie niektorej z východiskových látok ... encyklopedický slovník

Hodnota charakterizujúca intenzitu chemickej reakcie (pozri Chemické reakcie). Rýchlosť tvorby reakčného produktu je množstvo tohto produktu, ktoré je výsledkom reakcie za jednotku času v jednotke objemu (ak ... ...

Hlavná pojem chem. kinetika. Pre jednoduché homogénne reakcie S. x. R. merané zmenou počtu mólov zreagovaných in va (pri konštantnom objeme systému) alebo zmenou koncentrácie ktoréhokoľvek z počiatočných in alebo reakčných produktov (ak objem systému ...

Pre zložité reakcie pozostávajúce z niekoľkých. štádia (jednoduché, resp. elementárne reakcie), mechanizmus je súbor štádií, v dôsledku ktorých sa počiatočné vo va premieňajú na produkty. Medziprodukt vo vás v týchto reakciách môže pôsobiť ako molekuly, ... ... Prírodná veda. encyklopedický slovník

- (anglická nukleofilná substitučná reakcia) substitučné reakcie, pri ktorých je útok uskutočnený nukleofilným činidlom nesúcim nezdieľaný elektrónový pár. Odstupujúca skupina pri nukleofilných substitučných reakciách sa nazýva nukleofág. Všetko ... Wikipedia

Transformácia jednej látky na inú, odlišnú od originálu chemickým zložením alebo štruktúrou. Celkový počet atómov každého daného prvku, ako aj samotné chemické prvky, ktoré tvoria látky, zostávajú v R. x. nezmenené; toto R. x ... Veľká sovietska encyklopédia

rýchlosť kreslenia- lineárna rýchlosť pohybu kovu na výstupe z matrice, m/s. Na moderných preťahovacích strojoch dosahuje rýchlosť ťahania 50-80 m/s. Avšak ani pri ťahaní drôtu rýchlosť spravidla nepresahuje 30–40 m/s. V…… Encyklopedický slovník hutníctva

systémy. Ale táto hodnota neodráža skutočnú možnosť reakcie, jej rýchlosť a mechanizmus.

Pre úplnú reprezentáciu chemickej reakcie je potrebné poznať, aké časové vzorce existujú počas jej realizácie, t.j. rýchlosť chemickej reakcie a jeho detailný mechanizmus. Rýchlosť a mechanizmus reakčných štúdií chemická kinetika veda o chemickom procese.

Z hľadiska chemickej kinetiky možno reakcie klasifikovať na jednoduché a zložité.

jednoduché reakcie- procesy prebiehajúce bez tvorby medziproduktov. Podľa počtu častíc, ktoré sa na ňom podieľajú, sa delia na monomolekulárne, bimolekulárne, trimolekulárne. Zrážka viac ako 3 častíc je nepravdepodobná, takže trimolekulárne reakcie sú pomerne zriedkavé a štvormolekulové sú neznáme. Komplexné reakcie- procesy pozostávajúce z niekoľkých elementárnych reakcií.

Každý proces prebieha svojou vlastnou rýchlosťou, ktorá môže byť určená zmenami, ktoré nastanú počas určitého časového obdobia. stredná rýchlosť chemickej reakcie vyjadrené ako zmena množstva látky n spotrebovaná alebo prijatá látka za jednotku objemu V za jednotku času t.

υ = ± dn/ dt· V

Ak je látka spotrebovaná, dáme znamienko "-", ak sa hromadí - "+"

Pri konštantnej hlasitosti:

υ = ± DC/ dt,

Jednotka reakčnej rýchlosti mol/l s

Vo všeobecnosti je υ konštantná hodnota a nezávisí od toho, ktorú látku v reakcii sledujeme.

Závislosť koncentrácie činidla alebo produktu na reakčnom čase je prezentovaná ako kinetická krivka, ktorý vyzerá takto:

Je pohodlnejšie vypočítať υ z experimentálnych údajov, ak sa vyššie uvedené výrazy prevedú na nasledujúci výraz:

Zákon aktívnych más. Konštanta poriadku a rýchlosti reakcie

Jedna z formulácií zákon masovej akcie znie takto: Rýchlosť elementárnej homogénnej chemickej reakcie je priamo úmerná súčinu koncentrácií reaktantov.

Ak je študovaný proces reprezentovaný ako:

a A + b B = produkty

potom možno vyjadriť rýchlosť chemickej reakcie kinetická rovnica:

υ = k [A] a [B] b alebo

υ = k C a A C b B

Tu [ A] a [B] (C A aC B) - koncentrácia činidiel,

ab sú stechiometrické koeficienty jednoduchej reakcie,

k je konštanta reakčnej rýchlosti.

Chemický význam množstva k- Toto rýchlostná reakcia pri jednotlivých koncentráciách. To znamená, že ak sú koncentrácie látok A a B rovné 1, potom υ = k.

Malo by sa vziať do úvahy, že v zložitých chemických procesoch koeficienty ab nezhodujú so stechiometrickými.

Zákon hromadnej akcie je splnený za niekoľkých podmienok:

• Reakcia sa tepelne aktivuje, t.j. tepelná pohybová energia.
• Koncentrácia činidiel je rovnomerne rozdelená.
• Vlastnosti a podmienky prostredia sa počas procesu nemenia.
• Vlastnosti prostredia by nemali mať vplyv k.

Pre zložité procesy zákon masovej akcie nemožno použiť. Dá sa to vysvetliť tak, že zložitý proces pozostáva z niekoľkých elementárnych etáp a jeho rýchlosť nebude určovaná celkovou rýchlosťou všetkých etáp, ale len jedným z najpomalších etáp, tzv. obmedzujúce.

Každá reakcia má svoje vlastné objednať. určiť súkromná (čiastočná) objednávkačinidlom a všeobecný (úplný) poriadok. Napríklad vo výraze pre rýchlosť chemickej reakcie pre proces

a A + b B = produkty

υ = k·[ A] a·[ B] b

a– poradie podľa činidla ALE

b — objednať podľa činidla AT

Všeobecný poriadok a + b = n

Pre jednoduché procesy poradie reakcie udáva počet reagujúcich častíc (zhoduje sa so stechiometrickými koeficientmi) a nadobúda celočíselné hodnoty. Pre zložité procesy poradie reakcie sa nezhoduje so stechiometrickými koeficientmi a môže byť ľubovoľné.

Určme faktory ovplyvňujúce rýchlosť chemickej reakcie υ.

1. Závislosť rýchlosti reakcie od koncentrácie reaktantov

   určený zákonom hromadnej akcie: υ = k[ A] a·[ B] b

Je zrejmé, že so zvyšujúcou sa koncentráciou reaktantov sa υ zvyšuje, pretože zvyšuje sa počet zrážok medzi látkami zúčastňujúcimi sa na chemickom procese. Okrem toho je dôležité zvážiť poradie reakcie: ak áno n=1 pre niektoré činidlo je jeho rýchlosť priamo úmerná koncentrácii tejto látky. Ak pre akékoľvek činidlo n=2 potom zdvojnásobenie jeho koncentrácie povedie k zvýšeniu reakčnej rýchlosti 2 2 \u003d 4-krát a zvýšenie koncentrácie 3-krát urýchli reakciu 3 2 \u003d 9-krát.

Rýchla reakcia je určená zmenou molárnej koncentrácie jedného z reaktantov:

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

Kde C 1 a C 2 sú molárne koncentrácie látok v časoch t 1 a t 2, v tomto poradí (znamienko (+) - ak je rýchlosť určená reakčným produktom, znamienko (-) - pôvodná látka).

Reakcie nastávajú, keď sa molekuly reaktantov zrazia. Jeho rýchlosť je určená počtom kolízií a pravdepodobnosťou, že povedú k premene. Počet zrážok je určený koncentráciami reagujúcich látok a pravdepodobnosť reakcie je určená energiou zrážaných molekúl.
Faktory ovplyvňujúce rýchlosť chemických reakcií.
1. Povaha reaktantov. Dôležitú úlohu zohráva povaha chemických väzieb a štruktúra molekúl činidiel. Reakcie prebiehajú v smere deštrukcie menej pevných väzieb a vzniku látok so silnejšími väzbami. Na prerušenie väzieb v molekulách H2 a N2 sú teda potrebné vysoké energie; takéto molekuly nie sú veľmi reaktívne. Na prerušenie väzieb vo vysoko polárnych molekulách (HCl, H 2 O) je potrebné menej energie a rýchlosť reakcie je oveľa vyššia. Reakcie medzi iónmi v roztokoch elektrolytov prebiehajú takmer okamžite.
Príklady
Fluór explozívne reaguje s vodíkom pri izbovej teplote, bróm reaguje s vodíkom pomaly, aj keď je zahrievaný.
Oxid vápenatý prudko reaguje s vodou a uvoľňuje teplo; oxid meďnatý - nereaguje.

2. Koncentrácia. S nárastom koncentrácie (počet častíc na jednotku objemu) dochádza častejšie k zrážkam molekúl reaktantov – zvyšuje sa rýchlosť reakcie.
Zákon aktívnych más (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
Rýchlosť chemickej reakcie je priamo úmerná súčinu koncentrácií reaktantov.

AA + bB + . . . ®. . .

• [A] a [B] b. . .

Reakčná rýchlostná konštanta k závisí od povahy reaktantov, teploty a katalyzátora, ale nezávisí od koncentrácií reaktantov.
Fyzikálny význam rýchlostnej konštanty je taký, že sa rovná rýchlosti reakcie pri jednotkových koncentráciách reaktantov.
Pri heterogénnych reakciách nie je koncentrácia tuhej fázy zahrnutá do vyjadrenia rýchlosti reakcie.

3. Teplota. Každým zvýšením teploty o 10 °C sa rýchlosť reakcie zvýši 2- až 4-násobne (Van't Hoffovo pravidlo). So zvýšením teploty z t 1 na t 2 možno zmenu rýchlosti reakcie vypočítať podľa vzorca:

(kde Vt2 a Vt1 sú reakčné rýchlosti pri teplotách t2, resp. ti; g je teplotný koeficient tejto reakcie).
Van't Hoffovo pravidlo platí len v úzkom teplotnom rozsahu. Presnejšia je Arrheniova rovnica:

• e-Ea/RT

kde
A je konštanta v závislosti od povahy reaktantov;
R je univerzálna plynová konštanta;

Ea je aktivačná energia, t.j. energiu, ktorú musia mať zrážané molekuly, aby zrážka vyústila do chemickej premeny.
Energetický diagram chemickej reakcie.

A - činidlá, B - aktivovaný komplex (prechodný stav), C - produkty.
Čím vyššia je aktivačná energia Ea, tým viac sa zvyšuje rýchlosť reakcie so zvyšujúcou sa teplotou.

4. Kontaktná plocha reaktantov. V prípade heterogénnych systémov (keď sú látky v rôznych stavoch agregácie) platí, že čím väčšia je kontaktná plocha, tým rýchlejšie prebieha reakcia. Povrch pevných látok je možné zväčšiť ich mletím a v prípade rozpustných látok ich rozpustením.

5. Katalýza. Látky, ktoré sa zúčastňujú na reakciách a zvyšujú ich rýchlosť, pričom do konca reakcie zostávajú nezmenené, sa nazývajú katalyzátory. Mechanizmus účinku katalyzátorov je spojený s poklesom aktivačnej energie reakcie v dôsledku tvorby medziproduktov. o homogénna katalýzačinidlá a katalyzátor tvoria jednu fázu (sú v rovnakom stave agregácie), pričom heterogénna katalýza- rôzne fázy (sú v rôznych stavoch agregácie). V niektorých prípadoch možno priebeh nežiaducich chemických procesov drasticky spomaliť pridaním inhibítorov do reakčného média (fenomén negatívna katalýza").

7.1. Homogénne a heterogénne reakcie

Chemické látky môžu byť v rôznom stave agregácie, pričom ich chemické vlastnosti sú v rôznych skupenstvách rovnaké, ale aktivita je rôzna (čo sa ukázalo v minulej prednáške na príklade tepelného účinku chemickej reakcie).

Zvážte rôzne kombinácie agregovaných stavov, v ktorých môžu byť dve látky A a B.

Fáza je oblasť chemického systému, v rámci ktorej sú všetky vlastnosti systému konštantné (rovnaké) alebo sa plynule menia z bodu do bodu. Oddelené fázy sú každá z pevných látok, okrem toho existujú fázy roztoku a plynu.

Homogénny je tzv chemický systém, v ktorom sú všetky látky v rovnakej fáze (v roztoku alebo v plyne). Ak existuje niekoľko fáz, potom sa systém nazýva

heterogénne.

Respektíve chemická reakcia nazývaný homogénny, ak sú reaktanty v rovnakej fáze. Ak sú reaktanty v rôznych fázach, potom chemická reakcia nazývané heterogénne.

Je ľahké pochopiť, že keďže chemická reakcia vyžaduje kontakt činidiel, homogénna reakcia prebieha súčasne v celom objeme roztoku alebo reakčnej nádoby, zatiaľ čo heterogénna reakcia prebieha na úzkej hranici medzi fázami – na rozhraní. Čisto teoreticky teda k homogénnej reakcii dochádza rýchlejšie ako k heterogénnej.

Prejdeme teda ku konceptu rýchlosť chemickej reakcie.

Rýchlosť chemickej reakcie. Zákon aktívnych más. chemická bilancia.

7.2. Rýchlosť chemickej reakcie

Odvetvie chémie, ktoré študuje rýchlosti a mechanizmy chemických reakcií, je odvetvím fyzikálnej chémie a je tzv chemická kinetika.

Rýchlosť chemickej reakcie je zmena množstva látky za jednotku času na jednotku objemu reagujúceho systému (pri homogénnej reakcii) alebo na jednotku plochy povrchu (pri heterogénnej reakcii).

Pomer zmeny množstva látky k objemu systému možno interpretovať ako zmenu koncentrácie danej látky.

Všimnite si, že pre činidlá vo výraze pre rýchlosť chemickej reakcie sa uvádza znamienko mínus, pretože koncentrácia činidiel klesá a rýchlosť chemickej reakcie je v skutočnosti kladná hodnota.

Ďalšie závery sú založené na jednoduchých fyzikálnych úvahách, ktoré považujú chemickú reakciu za dôsledok interakcie niekoľkých častíc.

Elementárna (alebo jednoduchá) je chemická reakcia, ktorá prebieha v jednej fáze. Ak existuje niekoľko stupňov, potom sa takéto reakcie nazývajú komplexné, zložené alebo hrubé reakcie.

V roku 1867 bol navrhnutý na opis rýchlosti chemickej reakcie zákon masovej akcie: rýchlosť elementárnej chemickej reakcie úmerná koncentráciám reaktantov v mocninách stechiometrických koeficientov.n A +m B P,

A, B - činidlá, P - produkty, n ,m - koeficienty.

W = k n m

Koeficient k sa nazýva rýchlostná konštanta chemickej reakcie,

charakterizuje povahu interagujúcich častíc a nezávisí od koncentrácie častíc.

Rýchlosť chemickej reakcie. Zákon aktívnych más. chemická bilancia. Veličiny n a m sa nazývajú poradie reakcie podľa látky A a B, resp

ich súčet (n + m) - poradie reakcie.

Pre elementárne reakcie môže byť poradie reakcií 1, 2 a 3.

Elementárne reakcie s rádom 1 sa nazývajú monomolekulové, s rádom 2 - bimolekulárne, s rádom 3 - trimolekulárne podľa počtu zapojených molekúl. Elementárne reakcie vyššie ako tretieho rádu nie sú známe - výpočty ukazujú, že súčasné stretnutie štyroch molekúl v jednom bode je príliš neuveriteľná udalosť.

Keďže komplexná reakcia pozostáva z určitého sledu elementárnych reakcií, jej rýchlosť možno vyjadriť v rýchlostiach jednotlivých stupňov reakcie. Preto pri zložitých reakciách môže byť poradie ľubovoľné, vrátane zlomkového alebo nulového (nulové poradie reakcie naznačuje, že reakcia prebieha konštantnou rýchlosťou a nezávisí od koncentrácie reagujúcich častíc W = k).

Najpomalší z etáp komplexného procesu sa zvyčajne nazýva obmedzujúci stupeň (stupeň obmedzujúci rýchlosť).

Predstavte si, že do bezplatného kina išlo veľké množstvo molekúl, no pri vchode je inšpektor, ktorý kontroluje vek každej molekuly. Preto sa do dverí kina dostáva prúd hmoty a molekuly do kina po jednej, t.j. Tak pomaly.

Príkladmi elementárnych reakcií prvého rádu sú procesy tepelného alebo rádioaktívneho rozpadu, rýchlostná konštanta k charakterizuje buď pravdepodobnosť porušenia chemickej väzby, alebo pravdepodobnosť rozpadu za jednotku času.

Existuje veľa príkladov elementárnych reakcií druhého rádu - toto je pre nás najznámejší spôsob, ako postupovať pri reakciách - častica A vletela do častice B, prebehla nejaká transformácia a tam sa niečo stalo (všimnite si, že produkty teoreticky áno nič neovplyvňujú – všetka pozornosť sa venuje len reagujúcim časticiam).

Naopak, existuje pomerne veľa elementárnych reakcií tretieho rádu, pretože je dosť zriedkavé, aby sa tri častice stretli súčasne.

Ako ilustráciu zvážte predikčnú silu chemickej kinetiky.

Rýchlosť chemickej reakcie. Zákon aktívnych más. chemická bilancia.

Kinetická rovnica prvého rádu

(ilustračný doplnkový materiál)

Uvažujme homogénnu reakciu prvého rádu, ktorej rýchlostná konštanta sa rovná k, počiatočná koncentrácia látky A sa rovná [A]0 .

Pre účely nášho kurzu je tento záver len informatívny, aby sme vám demonštrovali využitie matematického aparátu na výpočet priebehu chemickej reakcie. Preto kompetentný chemik nemôže neovládať matematiku. Naučte sa matematiku!

Rýchlosť chemickej reakcie. Zákon aktívnych más. chemická bilancia. Graf koncentrácie reaktantov a produktov v závislosti od času možno kvalitatívne znázorniť nasledovne (na príklade ireverzibilnej reakcie prvého rádu)

Faktory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť reakcie

1. Charakter reaktantov

Napríklad rýchlosť reakcie nasledujúcich látok: H2SO4, CH3COOH, H2S, CH3OH - s hydroxidovým iónom sa bude meniť v závislosti od sily väzby H-O. Na posúdenie sily tejto väzby môžete použiť hodnotu relatívneho kladného náboja na atóme vodíka: čím väčší náboj, tým ľahšie bude reakcia prebiehať.

2. Teplota

Životná skúsenosť nám hovorí, že rýchlosť reakcie závisí od teploty a zvyšuje sa so zvyšujúcou sa teplotou. Napríklad proces kyslého mlieka prebieha rýchlejšie pri izbovej teplote a nie v chladničke.

Prejdime k matematickému vyjadreniu zákona o hromadnej akcii.

W = k n m

Keďže ľavá strana tohto výrazu (rýchlosť reakcie) závisí od teploty, pravá strana výrazu tiež závisí od teploty. Koncentrácia, samozrejme, nezávisí od teploty: napríklad mlieko si zachová obsah tuku 2,5 % v chladničke aj pri izbovej teplote. Potom, ako hovorieval Sherlock Holmes, zostávajúce riešenie je správne, bez ohľadu na to, aké zvláštne sa to môže zdať: rýchlostná konštanta závisí od teploty!

Rýchlosť chemickej reakcie. Zákon aktívnych más. chemická bilancia. Závislosť konštanty reakčnej rýchlosti od teploty je vyjadrená pomocou Arrheniovej rovnice:

− Ea

k = k0 eRT,

kde

R = 8,314 J mol-1 K-1 - univerzálna plynová konštanta,

Ea je aktivačná energia reakcie (pozri nižšie), je podmienene považovaná za nezávislú od teploty;

k 0 je predexponenciálny faktor (t. j. faktor, ktorý stojí pred exponentom e ), ktorého hodnota je tiež takmer nezávislá od teploty a je určená predovšetkým poradím reakcie.

Hodnota k0 je teda približne 1013 s-1 pre reakciu prvého rádu a 10 -10 l mol-1 s-1 pre reakciu druhého rádu,

pre reakciu tretieho rádu - 10 -33 l2 mol-2 s-1. Tieto hodnoty si netreba zapamätať.

Presné hodnoty k0 pre každú reakciu sú určené experimentálne.

Pojem aktivačná energia je zrejmý z nasledujúceho obrázku. Aktivačná energia je v skutočnosti energia, ktorú musí mať reagujúca častica, aby prebehla reakcia.

Navyše, ak systém zohrejeme, potom sa energia častíc zvýši (bodkovaný graf), pričom prechodový stav (≠) zostane na rovnakej úrovni. Rozdiel v energii medzi prechodovým stavom a reaktantmi (aktivačná energia) sa znižuje a rýchlosť reakcie podľa Arrheniovej rovnice sa zvyšuje.

Rýchlosť chemickej reakcie. Zákon aktívnych más. chemická bilancia. Okrem Arrheniovej rovnice existuje van't Hoffova rovnica, ktorá

charakterizuje závislosť rýchlosti reakcie od teploty pomocou teplotného koeficientu γ:

Teplotný koeficient γ ukazuje, koľkokrát sa rýchlosť chemickej reakcie zvýši, keď sa teplota zmení o 10o.

Van't Hoffova rovnica:

T 2 − T 1

W(T2)= W(T1)x y10

Typicky je koeficient γ v rozsahu od 2 do 4. Z tohto dôvodu chemici často používajú aproximáciu, že zvýšenie teploty o 20° vedie k zvýšeniu rýchlosti reakcie rádovo (t.j. 10-krát).