1) Reagenssien luonne . Tärkeä rooli on kemiallisten sidosten luonteella ja reagenssien molekyylien rakenteella. Reaktiot etenevät vähemmän vahvojen sidosten tuhoutumiseen ja vahvempia sidoksia sisältävien aineiden muodostumiseen. Joten katkaista sidoksia molekyyleissä H 2 ja N 2 tarvitaan suuria energioita; Tällaiset molekyylit eivät ole kovin reaktiivisia. Sidosten katkaiseminen erittäin polaarisissa molekyyleissä ( HCl, H 2 O) vaatii vähemmän energiaa ja reaktionopeus on paljon nopeampi. Ionien väliset reaktiot elektrolyyttiliuoksissa etenevät lähes välittömästi.

Esimerkkejä

Fluori reagoi räjähdysmäisesti vedyn kanssa huoneenlämpötilassa, bromi reagoi vedyn kanssa hitaasti jopa kuumennettaessa.

Kalsiumoksidi reagoi voimakkaasti veden kanssa vapauttaen lämpöä; kuparioksidi - ei reagoi.

2) Keskittyminen . Konsentraation kasvaessa (hiukkasten lukumäärä tilavuusyksikköä kohti) reagoivien molekyylien törmäykset tapahtuvat useammin - reaktionopeus kasvaa.

Aktiivisten massojen laki (K. Guldberg, s. Waage, 1867)

Yksi fysikaalisen kemian peruslaeista; asettaa nopeusriippuvuuden kemiallinen reaktio reagoivien aineiden pitoisuuksista sekä reaktiotuotteiden ja lähtöaineiden pitoisuuksien (tai aktiivisuuksien) välisestä suhteesta kemiallisessa tasapainotilassa. Norjalaiset tiedemiehet K. Guldberg ja P. Vaage, jotka muotoilivat D. m. Vuosina 1864-67 he kutsuivat aineen "vaikuttavaa massaa" sen määräksi tilavuusyksikköä kohti, eli pitoisuudeksi, mistä lain nimi.

Vakiolämpötilassa kemiallisen reaktion nopeus on suoraan verrannollinen reagoivien aineiden pitoisuuksien tuloon, joka on otettu reaktioyhtälön stökiömetrisiä kertoimia vastaavina tehoina.

Monomolekyylireaktioon reaktionopeus  määräytyy aineen A molekyylien pitoisuuden perusteella:

missä k on suhteellisuuskerroin, jota kutsutaan nopeusvakio reaktio; [A] - aineen A moolipitoisuus.

Bimolekylaarisen reaktion tapauksessa, sen nopeuden määrää paitsi aineen A, myös aineen B molekyylien pitoisuus:

Trimolekulaarisen reaktion tapauksessa reaktionopeus ilmaistaan ​​yhtälöllä:

Yleensä, jos reaktio tapahtuu samaan aikaan t aineen A molekyylejä ja n aineen B molekyyliä, ts.

tA + pV = C,

reaktionopeusyhtälö on:

Yhtälön muodon määrää se, että reaktion alkeistapahtuman välttämätön edellytys on lähtöaineiden molekyylien törmäys, eli niiden kohtaaminen tietyssä pienessä tilavuudessa (reaktion koon suuruusluokkaa). molekyylit). Todennäköisyys löytää molekyyli A tietyllä hetkellä tietyssä pienessä tilavuudessa on verrannollinen [A]:aan, eli mitä suurempi reagoivien aineiden pitoisuus, sitä suurempi reaktionopeus tietyllä hetkellä.

Reaktionopeusvakio k riippuu lähtöaineiden laadusta, lämpötilasta ja katalyytistä, ja nestemäisen liuoksen tapauksessa myös paineesta; jälkimmäinen riippuvuus on merkittävä vain korkeissa paineissa, mutta se ei riipu reagenssien pitoisuuksista.

Nopeusvakion fysikaalinen merkitys on, että se on yhtä suuri kuin reaktionopeus reagoivien aineiden yksikköpitoisuuksilla.

Heterogeenisten reaktioiden tapauksessa kiinteän faasin pitoisuus ei sisälly reaktionopeuden ilmaisuun.

Esimerkki

Kirjoita massatoiminnan lain lauseke seuraaville reaktioille:

a) N 2(d) + 3 H 2(d) = 2 NH 3(d)

b) 2 C (vastaan) + O 2(d) = 2 CO (G)

Osat: Kemia

Oppitunnin tarkoitus

• koulutuksellinen: jatka käsitteen "kemiallisten reaktioiden nopeus" muodostumista, johda kaavoja homogeenisten ja heterogeenisten reaktioiden nopeuden laskemiseksi, harkitse, mistä tekijöistä kemiallisten reaktioiden nopeus riippuu;
• kehitetään: oppia käsittelemään ja analysoimaan kokeellista tietoa; osaa selvittää kemiallisten reaktioiden nopeuden ja ulkoisten tekijöiden välisen yhteyden;
• koulutuksellinen: jatkaa kommunikointitaitojen kehittämistä pari- ja ryhmätyössä; kiinnittää opiskelijoiden huomio arjessa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden (metallien korroosio, maidon happamoituminen, mätäneminen jne.) tiedon tärkeyteen.

Opetusvälineet: D. multimediaprojektori, tietokone, diat oppitunnin pääkysymyksistä, CD-ROM "Cyril ja Methodius", taulukot taulukoissa, laboratoriotyöprotokollat, laboratoriolaitteet ja reagenssit;

Opetusmenetelmät: lisääntyminen, tutkimus, osittainen haku;

Luokkien järjestämismuoto: keskustelu, käytännön työ, itsenäinen työ, testaus;

Opiskelijoiden työn organisointimuoto: frontaalinen, yksilöllinen, ryhmä, kollektiivinen.

1. Luokkaorganisaatio

Luokkavalmius työhön.

2. Valmistautuminen oppimateriaalin hallitsemisen päävaiheeseen. Perustietojen ja -taitojen aktivointi(Dia 1, katso oppitunnin esitys).

Oppitunnin aiheena on "Kemiallisten reaktioiden nopeus. Kemiallisen reaktion nopeuteen vaikuttavat tekijät.

Tehtävä: selvittää, mikä on kemiallisen reaktion nopeus ja mistä tekijöistä se riippuu. Oppitunnin aikana tutustumme edellä olevan aiheen kysymyksen teoriaan. Käytännössä vahvistamme osan teoreettisista olettamuksistamme.

Ennustettu oppilaiden toiminta

Opiskelijoiden aktiivinen työ osoittaa heidän valmiutensa hahmottaa oppitunnin aihe. Opiskelija tarvitsee tietoa kemiallisen reaktion nopeudesta 9. luokan kurssilta (sisäinen viestintä).

Keskustellaan seuraavista kysymyksistä (edessä, dia 2):

1. Miksi tarvitsemme tietoa kemiallisten reaktioiden nopeudesta?
2. Mitkä esimerkit voivat vahvistaa, että kemialliset reaktiot etenevät eri nopeuksilla?
3. Miten nopeus määritetään? mekaaninen liike? Mikä on tämän nopeuden yksikkö?
4. Miten kemiallisen reaktion nopeus määritetään?
5. Mitkä olosuhteet on luotava kemiallisen reaktion alkamiselle?

Harkitse kahta esimerkkiä (kokeen suorittaa opettaja).

Pöydällä on kaksi koeputkea, joista toisessa on alkaliliuos (KOH), toisessa naula; Lisää CuSO4-liuosta molempiin putkiin. Mitä me näemme?

Ennustettu oppilaiden toiminta

Esimerkkien avulla opiskelijat arvioivat reaktionopeutta ja tekevät tarvittavat johtopäätökset. Tallentaa taululle tehdyt reaktiot (kaksi opiskelijaa).

Ensimmäisessä koeputkessa reaktio tapahtui välittömästi, toisessa - ei vielä näkyviä muutoksia.

Laadi reaktioyhtälöt (kaksi oppilasta kirjoittaa yhtälöitä taululle):

1. CuSO 4 + 2KOH = Cu (OH) 2 + K 2SO 4; Cu 2+ + 2OH - \u003d Cu (OH) 2
2. Fe + CuSO 4 \u003d FeSO 4 + Cu; Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0

Mitä johtopäätöksiä voimme tehdä suoritetuista reaktioista? Miksi toinen reaktio on välitön ja toinen hidas? Tätä varten on muistettava, että on kemiallisia reaktioita, jotka tapahtuvat koko reaktiotilan tilavuudessa (kaasuissa tai liuoksissa), ja on muita, jotka tapahtuvat vain aineiden kosketuspinnalla (palaminen kiinteä runko kaasussa metallin vuorovaikutus hapon, vähemmän aktiivisen metallin suolan kanssa).

Ennustettu oppilaiden toiminta

Osoitetun kokeen tulosten perusteella opiskelijat päättelevät: reaktio 1 on homogeeninen ja reaktio

2 - heterogeeninen.

Näiden reaktioiden nopeudet määritetään matemaattisesti eri tavoin.

Kemiallisten reaktioiden nopeuksien ja mekanismien tutkimusta kutsutaan kemiallinen kinetiikka.

3. Uuden tiedon ja toimintatapojen omaksuminen(Dia 3)

Reaktionopeus määräytyy aineen määrän muutoksesta aikayksikköä kohti

Yksikössä V

(homogeeniseksi)

Aineiden S kosketuspintayksikköä kohti (heterogeenisille)

Ilmeisesti tällä määritelmällä reaktionopeuden arvo ei riipu tilavuudesta homogeenisessa järjestelmässä ja reagenssien kosketusalueesta - heterogeenisessa.

Ennustettu oppilaiden toiminta

Opiskelijoiden aktiivinen toiminta tutkimuskohteen kanssa. Pöydän kirjoittaminen muistikirjaan.

Tästä seuraa kaksi tärkeitä hetkiä(dia 4):

2) nopeuden laskettu arvo riippuu siitä, millä aineella se määräytyy, ja jälkimmäisen valinta riippuu sen määrän mittaamisen mukavuudesta ja helppoudesta.

Esimerkiksi reaktiolle 2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O: υ (H 2:lle) \u003d 2 υ (O 2:lle) \u003d υ (H 2 O:lle)

4. Kemiallisen reaktion nopeutta koskevan ensisijaisen tiedon konsolidointi

Tarkastelun materiaalin yhdistämiseksi ratkaisemme laskentatehtävän.

Ennustettu oppilaiden toiminta

Reaktionopeudesta hankitun tiedon ensisijainen ymmärtäminen. Ongelman ratkaisun oikeellisuus.

Tehtävä (dia 5). Kemiallinen reaktio etenee liuoksessa yhtälön mukaisesti: A + B = C. Alkupitoisuudet: aineet A - 0,80 mol / l, aineet B - 1,00 mol / l. 20 minuutin kuluttua aineen A pitoisuus laski arvoon 0,74 mol/l. Määritä: a) keskimääräinen reaktionopeus tälle ajanjaksolle;

b) aineen C pitoisuus 20 minuutin kuluttua. Ratkaisu (Liite 4, dia 6).

5. Uuden tiedon ja toimintatapojen omaksuminen(laboratoriotyön tekeminen toiston ja uuden materiaalin opiskelun yhteydessä, askel askeleelta, liite 2).

Tiedämme, että eri tekijät vaikuttavat kemiallisen reaktion nopeuteen. Mikä?

Ennustettu oppilaiden toiminta

Luokkien 8-9 tietoon tukeutuminen, vihkoon kirjoittaminen materiaalin opiskelun aikana. Lista (dia 7):

Reagenssien luonne;

Lämpötila;

Reagenssien pitoisuus;

Katalyyttien toiminta;

Reagenssien kosketuspinta (heterogeenisissä reaktioissa).

Kaikkien näiden tekijöiden vaikutusta reaktionopeuteen voidaan selittää käyttämällä yksinkertainen teoria – törmäysteoria (dia 8). Sen pääidea on tämä: reaktiot tapahtuvat, kun tietyn energian omaavien reagoivien aineiden hiukkaset törmäävät.

Tästä voimme tehdä seuraavat johtopäätökset:

1. Mitä enemmän reagenssihiukkasia, mitä lähempänä ne ovat toisiaan, sitä todennäköisemmin ne törmäävät ja reagoivat.
2. Vain johtaa reaktioon tehokkaat törmäykset, nuo. ne, joissa "vanhat siteet" tuhoutuvat tai heikentyvät ja siten "uusia" voi muodostua. Mutta tätä varten hiukkasilla on oltava riittävästi energiaa.

Vähimmäisenergiaylijäämä (järjestelmän hiukkasten keskimääräisen energian yli), joka tarvitaan järjestelmän hiukkasten tehokkaaseen törmäykseen), joka vaaditaan reagoivien hiukkasten tehokkaaseen törmäykseen, on ns.aktivointienergiaa E a.

Ennustettu oppilaiden toiminta

Käsitteen ymmärtäminen ja määritelmän kirjoittaminen muistikirjaan.

Siten kaikkien hiukkasten matkalla reaktioon on jokin energiaeste, joka on yhtä suuri kuin aktivointienergia. Jos se on pieni, on monia hiukkasia, jotka onnistuvat voittamaan sen. Suurella energiaesteellä sen ylittämiseen tarvitaan lisäenergiaa, joskus hyvä "työntö" riittää. Sytytän henkilampun - annan lisäenergiaa E a, välttämätön energiaesteen voittamiseksi alkoholimolekyylien ja happimolekyylien vuorovaikutuksen reaktiossa.

Harkitse tekijät, jotka vaikuttavat reaktion nopeuteen.

1) Reagenssien luonne(dia 9) Reagoivien aineiden luonteella ymmärretään niiden koostumus, rakenne, atomien keskinäinen vaikutus epäorgaanisissa ja orgaanisissa aineissa.

Aineiden aktivaatioenergian suuruus on tekijä, jonka kautta reagoivien aineiden luonteen vaikutus reaktionopeuteen vaikuttaa.

Tiedotustilaisuus.

Johtopäätösten tekeminen itse (liite 3 kotona)

Fysikaalisessa kemiassa on alue, joka käsittelee kemiallisten prosessien nopeuden analysointia, nopeuden kasvuun tai laskuun vaikuttavien olosuhteiden määrittämistä. Tätä aluetta kutsutaan kemialliseksi kinetiikaksi. Tämä tieteenala tutkii prosessien johtumismekanismeja ja termodynaamisia ominaisuuksia. Saatua tietoa käytetään tieteellisiin tarkoituksiin, kemikaalien valmistukseen, kun on tärkeää valvoa ainesosien vuorovaikutusta reaktoreissa.

Termi "reaktionopeus" tarkoittaa vastaavaa muutosta reaktioon osallistuvien aineosien pitoisuuksissa määrätyllä aikayksiköllä. Nopeuslaskennassa käytetään erityistä kaavaa: ᴠ = ±C/t.

Nopeuden mittayksikkö on mol/l*s homogeenisen prosessin aikana, kun koko tilavuus reagoi. Monivaiheisessa reaktiossa, kun on selkeästi määriteltyjä faaseja, käytetään toista mittayksikköä - mol / m2 * s.

Eri nopeudet kemialliset prosessit

Kemialliset komponentit voivat olla vuorovaikutuksessa keskenään eri nopeuksilla. Esimerkiksi tippukivikiviä muodostuu kalsiumkarbonaatin lisääntymisen seurauksena. Koulutuksen kasvuvauhti on puoli millimetriä 100 vuodessa. Muut biokemialliset reaktiot tapahtuvat yhtä hitaasti. Proteiinisynteesin ja metallien korroosion prosesseille on ominaista melko alhainen nopeus.

Muut prosessit, jotka vievät yhden tai useamman tunnin, ovat nopeampia. Näihin reaktioihin kuuluu ruoanlaitto, kun tapahtuu elintarvikkeissa olevien yhdisteiden hajoaminen ja muuttuminen.

Reaktiokoostumusta, jota käytetään tiettyjen polymeerien synteesiin, tulisi kuumentaa tietyn ajan.

Nopeita kemiallisia reaktioita ovat neutralointi, laimean etikkahapon saattaminen kosketukseen tavallisen ruokasoodan kanssa, mikä johtaa hiilidioksidin vapautumiseen. Natriumsuolojen reaktio bariumnitraatin kanssa voidaan lisätä luetteloon, minkä jälkeen liukenematon bariumsulfaatti saostuu.

Tärkeä! On olemassa valtava määrä kemiallisia prosesseja, jotka etenevät hyvin nopeasti ja päättyvät räjähdykseen. Hämmästyttävä esimerkki on kaliumin ja veden yhdistelmä.

Reaktionopeuteen vaikuttavat tekijät

Yhdistämällä kemikaaleja saadaan aikaan reaktio, jossa erilaiset olosuhteet virtaa eri nopeuksilla. Esimerkiksi vedyn ja hapen yhdistelmällä kaasumaisessa tilassa seos on inaktiivinen pitkään, mutta jos säiliötä ravistellaan tai siihen osuu, reaktio päättyy räjähdykseen.

Tällaisten ominaisuuksien yhteydessä kemiallisen kinetiikan asiantuntijat ovat tunnistaneet useita tekijöitä, jotka voivat vaikuttaa kemiallisen reaktion nopeuteen.

Näitä ehtoja ovat:

• reagoivien komponenttien luonnolliset ominaisuudet;
• reagenssien pitoisuus;
• lämpötilan vaihtelut;
• katalyytin käyttö;
• painepiikit (käytettäessä kaasumaisia ​​komponentteja);
• aineiden vuorovaikutuksen alue.

Reagenssien luonnolliset ominaisuudet

Suuri ero kemiallisten reaktioiden nopeuksissa johtuu erilaisista aktivointienergiakertoimista - ylimääräisestä energiamäärästä, jonka määrä ylittää keskimääräiset arvot, jotka ovat välttämättömiä hiukkasten törmäykseen ja vuorovaikutukseen. Parametrilla on oma yksikkö kJ/mol. Nämä arvot vaihtelevat välillä 50-250.

Energiaylimäärällä 150 kJ/mol reaktio ei etene normaaleissa olosuhteissa. Vapautuneen energian määrä käytetään estämään molekyylien hylkimistä ja minimoimaan sidoksia aineen sisällä. Ainesosien kemiallisten sidosten vahvuus riippuu aktivointienergiasta. Energia-arvo heijastaa reaktion aktiivisuutta:

• alle 40 - vuorovaikutus on nopea, kaikki molekyylivaikutukset päättyvät reaktioon;
• yli 40, mutta alle 120 - keskinopeus, vain puolet törmäyksistä on tehokkaita;
• yli 120 - hidas vuorovaikutus, koska merkityksetön osa hiukkasten törmäyksistä päättyy reaktioon.

Aineen pitoisuus

Molekyylien määrä tilavuusyksikköä kohti vaikuttaa vuorovaikutuksen nopeuteen. Prosessi kuuluu joukkotoiminnan lain alle. Laki koskee yksinkertaisimpia reaktioita, jotka tapahtuvat yhdessä vaiheessa. Soveltuu myös monivaiheisiin reaktioihin, joissa prosessi tapahtuu tietyssä vaiheessa.

Kemiallisen prosessin nopeus lain ehdot huomioon ottaen määräytyy kaavasta V=k·[A]a·[B]b. Matemaattisessa yhtälössä a ja b toimivat stoikiometrisinä kertoimina, [A] ja [B] ovat lähtöaineiden pitoisuudet, k on nopeusvakio.

Nopeusarvo näyttää identtisen kertoimen, jos reagoivien ainesosien pitoisuudet ovat yhtä suuret kuin yksi. Oikeiden laskelmien tekemiseksi kaavalla on otettava huomioon komponenttien kokonaistila. Kiinteän aineosan pitoisuus on yhtä suuri kuin yksi, joten sitä ei sisällytetä yhtälöön, koska se ei muutu reaktion aikana.

Nopeuskertoimen määrittämiseksi kaavaan sisällytetään vain nestemäisen ja kaasumaisen tilan komponentit.

Lämpötilajärjestelmä

Kemiallisen reaktion kulku riippuu myös lämpötilaolosuhteista. On kokeellisesti osoitettu, että joidenkin kemiallisten prosessien aktiivisuus lisääntyy useita kertoja, jos lämpötilaa nostetaan vähintään 10 astetta. Seuraavat 10 astetta lisäävät myös aktiivisuutta 2-4 kertaa.

Valitettavasti lämpötilan vaikutuksen mekanismia yksittäisen reaktion nopeuteen ei ole tutkittu. Myöskään säännönmukaisuuksien luetteloa ei ole määritelty. Logiikan näkökulmasta voidaan olettaa, että lämpötilan nousu lisää molekyylien ja atomien kaoottista liikettä, minkä seurauksena niiden törmäysten määrä kasvaa merkittävästi.

Tämä iskun ominaisuus ei kuitenkaan lisää hiukkasten törmäyksen tehokkuutta, koska tämän prosessin pääkatalysaattori on aktivointienergia. Myös molekyylien vuorovaikutuksen tehokkuuden kannalta niiden avaruudellinen vastaavuus on välttämätöntä.

Katalyyttien käyttö

Reaktion aktiivisuutta kemiassa tutkitaan myös toisella suunnalla, jota kutsutaan katalyysiksi. Sen tehtävänä on selvittää, kuinka ja millä algoritmilla pienet määrät määrättyjä aineita lisäävät reagenssin poistumisnopeutta. Näitä aineita kutsutaan katalyyteiksi. Lisäksi itse katalyytti, joka kiihdyttää reaktiota, ei käytännössä kulu.

Kiihdyttimet pystyvät muuttamaan kemiallisen prosessin mekanismia ja provosoimaan sellaisten aineen siirtymätilojen muodostumista, joilla on matalampi energiaeste. Katalyytti voi vähentää aktivointienergiaa, lisätä tehokkaiden molekyylien törmäysten määrää. Jos vuorovaikutus on energeettisesti mahdotonta, niin kiihdytin on turhaa.

Komponenttien kosketusalue

Kun sekoitetaan eri aggregaatiotilassa olevia aineita tai komponentteja, jotka eivät pysty yhdistymään homogeeniseksi seokseksi, kemiallisen reaktion nopeuteen vaikuttaa suurelta osin ainesosien vuorovaikutusalue.

Tämä johtuu heterogeenisen reaktion esiintymisestä reagenssien kosketusrajalla. Eli mitä leveämpi tämä raja, sitä enemmän hiukkasia törmäävät ja aiheuttavat nopean reaktion.

Eläviä esimerkkejä tällaisista ominaisuuksista:

• pienet lastut palavat paljon aktiivisemmin kuin kokonaiset puut;
• murskatut kiinteät aineet liukenevat paremmin nesteeseen kuin kokonaiset palat.

Tärkeä! Hiottaessa kiinteää ainesosaa tapahtuu mielivaltainen tuhoutuminen kristallihila reagenssia, joten hiukkasten reaktiiviset ominaisuudet kasvavat.

Paineen vaikutus

Painehäviöt reaktion aikana voivat vaikuttaa aktiivisuuteen vain, kun reaktioaineina käytetään kaasumaisia ​​aineita. Korkeapaine myötävaikuttaa komponenttimolekyylien määrän kasvuun tilavuusyksikköä kohti, reagenssin tiheys kasvaa. Alhaisessa paineessa hiukkasten määrä vähenee, joten pitoisuus pienenee.

Kemiallisen vuorovaikutuksen nopeus on reagoivien molekyylien törmäyksen määrä ja tehokkuus. Tämä prosessi voi olla nopeampi tai hitaampi, jos oikeat olosuhteet luodaan. Nopeuden kasvuun voivat vaikuttaa tekijät, joita voidaan hallita eriasteisesti:

• lämpötilajärjestelmä;
• reagoivien komponenttien pitoisuustaso;
• paineen nousu tai lasku;
• heterogeenisten komponenttien muuttaminen samaan aggregaatiotilaan.

Hyödyllinen video

Yhteenvetona

Aineiden vastenopeus riippuu suurelta osin lähtöenergiasta ja molekyylien geometrisista ominaisuuksista. Näitä kahta parametria ei voi ohjata ja säätää. Kemiallisten komponenttien vastereaktioiden tutkiminen näiden tekijöiden vaikutuksiin on erittäin arvokasta monille teollisuudenaloille. Tietoja käytetään laboratoriotutkimuksessa, farmakologian alalla, metallurgiassa, ruoanlaitossa, ydinvoimalaitoksissa, maalien ja lakkojen, polymeerien valmistuksessa.

Yhteydessä

Kemiallisten muutosten mekanismeja ja niiden nopeuksia tutkitaan kemiallisen kinetiikan avulla. Kemialliset prosessit etenevät ajallaan eri nopeuksilla. Jotkut tapahtuvat nopeasti, melkein välittömästi, kun taas toisten toteutuminen kestää hyvin kauan.

Yhteydessä

Nopeusreaktio- nopeus, jolla reagenssit kuluvat (niiden pitoisuus pienenee) tai reaktiotuotteita muodostuu tilavuusyksikköä kohti.

Tekijät, jotka voivat vaikuttaa kemiallisen reaktion nopeuteen

Seuraavat tekijät voivat vaikuttaa siihen, kuinka nopeasti kemiallinen vuorovaikutus tapahtuu:

• aineiden pitoisuus;
• reagenssien luonne;
• lämpötila;
• katalyytin läsnäolo;
• paine (reaktioihin kaasumaisessa väliaineessa).

Siten muuttamalla tiettyjä olosuhteita kemiallisen prosessin kululle voidaan vaikuttaa siihen, kuinka nopeasti prosessi etenee.

Kemiallisen vuorovaikutuksen prosessissa reagoivien aineiden hiukkaset törmäävät toisiinsa. Tällaisten yhteensattumien lukumäärä on verrannollinen ainehiukkasten lukumäärään reagoivan seoksen tilavuudessa ja siten verrannollinen reagenssien moolipitoisuuksiin.

Toimivien massojen laki kuvaa reaktionopeuden riippuvuutta reagoivien aineiden moolipitoisuuksista.

Alkuainereaktiolle (A + B → ...) tämä laki ilmaistaan ​​kaavalla:

υ \u003d k ∙С A ∙С B,

missä k on nopeusvakio; CA ja CB ovat lähtöaineiden A ja B moolipitoisuudet.

Jos jokin reagoivista aineista on kiinteässä tilassa, vuorovaikutus tapahtuu faasirajapinnassa, ja siksi kiinteän aineen pitoisuus ei sisälly vaikuttavien massojen kineettisen lain yhtälöön. Nopeusvakion fysikaalisen merkityksen ymmärtämiseksi on tarpeen ottaa C, A ja C B yhtä suureksi kuin 1. Silloin käy selväksi, että nopeusvakio on yhtä suuri kuin reaktionopeus reagenssipitoisuuksilla, jotka ovat yhtä suuria kuin yksikkö.

Reagenssien luonne

Koska vuorovaikutusprosessissa ne tuhoutuvat kemialliset sidokset reaktantteja ja uusia reaktiotuotteiden sidoksia muodostuu, silloin yhdisteiden reaktioon osallistuvien sidosten luonteella ja reagoivien aineiden molekyylien rakenteella on suuri merkitys.

Reagenssien kosketuspinta-ala

Sellainen ominaisuus kuin kiinteiden reagenssien kosketuspinta-ala, joskus melko merkittävästi, vaikuttaa reaktion kulkuun. Kiinteän aineen jauhaminen mahdollistaa reagenssien kosketuspinta-alan kasvattamisen ja siten prosessin nopeuttamisen. Liuenneiden aineiden kosketusalue kasvaa helposti aineen liukenemisen myötä.

Reaktiolämpötila

Lämpötilan noustessa törmäyshiukkasten energia kasvaa, on selvää, että lämpötilan noustessa itse kemiallinen prosessi kiihtyy. hyvä esimerkki kuinka lämpötilan nousu vaikuttaa aineiden vuorovaikutusprosessiin, voimme tarkastella taulukossa annettuja tietoja.

Taulukko 1. Lämpötilan muutoksen vaikutus veden muodostumisnopeuteen (О 2 +2Н 2 → 2Н 2 О)

Van't Hoff -sääntöä käytetään kvantitatiivisessa kuvauksessa siitä, kuinka lämpötila voi vaikuttaa aineiden vuorovaikutusnopeuteen. Van't Hoffin sääntö on, että kun lämpötila nousee 10 astetta, on 2-4-kertainen kiihtyvyys.

Van't Hoff -sääntöä kuvaava matemaattinen kaava on seuraava:

Missä γ on kemiallisen reaktionopeuden lämpötilakerroin (γ = 2−4).

Mutta Arrhenius-yhtälö kuvaa nopeusvakion lämpötilariippuvuutta paljon tarkemmin:

Missä R on yleinen kaasuvakio, A on reaktion tyypin määräämä tekijä, E, A on aktivaatioenergia.

Aktivointienergia on energiaa, joka molekyylin on hankittava, jotta kemiallinen muutos tapahtuu. Toisin sanoen se on eräänlainen energiaeste, joka on voitettava molekyylien törmääessä reaktiotilavuudessa sidosten uudelleenjakamiseksi.

Aktivointienergia ei riipu ulkoiset tekijät, mutta riippuu aineen luonteesta. Aktivointienergian arvo 40 - 50 kJ / mol asti sallii aineiden reagoida keskenään melko aktiivisesti. Jos aktivointienergia ylittää 120 kJ/mol, silloin aineet (tavallisissa lämpötiloissa) reagoivat hyvin hitaasti. Lämpötilan muutos johtaa muutokseen aktiivisten molekyylien lukumäärässä, toisin sanoen molekyylien, jotka ovat saavuttaneet aktivaatioenergiaa suuremman energian ja jotka siksi kykenevät kemiallisiin muutoksiin.

Katalyyttinen toiminta

Katalyytti on aine, joka voi nopeuttaa prosessia, mutta ei ole osa sen tuotteita. Katalyysi (kemiallisen muutoksen kiihtyvyys) jaetaan · homogeeniseen, · heterogeeniseen. Jos reagoivat aineet ja katalyytti ovat samassa aggregaatiotilassa, niin katalyysiä kutsutaan homogeeniseksi, jos eri tilassa, niin heterogeeniseksi. Katalyyttien toimintamekanismit ovat monipuolisia ja melko monimutkaisia. Lisäksi on huomattava, että katalyyteille on ominaista toiminnan selektiivisyys. Eli sama katalyytti, joka kiihdyttää yhtä reaktiota, ei voi muuttaa toisen nopeutta millään tavalla.

Paine

Jos muutoksessa on mukana kaasumaisia ​​aineita, prosessin nopeuteen vaikuttaa paineen muutos järjestelmässä . Tämä tapahtuu, koska että kaasumaisissa lähtöaineissa paineen muutos johtaa pitoisuuden muutokseen.

Kemiallisen reaktion nopeuden kokeellinen määritys

Kemiallisen transformaation nopeus on mahdollista määrittää kokeellisesti hankkimalla tietoa siitä, kuinka reagoivien aineiden tai tuotteiden pitoisuus muuttuu aikayksikköä kohti. Menetelmät tällaisten tietojen hankkimiseksi on jaettu

• kemiallinen,
• fysikaalisia ja kemiallisia.

Kemialliset menetelmät ovat melko yksinkertaisia, edullisia ja tarkkoja. Niiden avulla nopeus määritetään mittaamalla suoraan reagoivien aineiden tai tuotteiden aineen pitoisuus tai määrä. Jos reaktio on hidas, otetaan näytteitä reagenssin kulutuksen seuraamiseksi. Sen jälkeen määritetään näytteen reagenssin pitoisuus. Säännöllisin väliajoin ottamalla näytteitä on mahdollista saada tietoa aineen määrän muutoksista vuorovaikutuksen aikana. Yleisimmin käytetyt analyysityypit ovat titrimetria ja gravimetria.

Jos reaktio etenee nopeasti, näytteen ottamiseksi se on pysäytettävä. Tämä voidaan tehdä jäähdyttämällä katalyytin äkillinen poisto, on myös mahdollista laimentaa tai siirtää yksi reagensseista ei-reaktiiviseen tilaan.

Nykyaikaisessa kokeellisessa kinetiikassa fysikaalis-kemiallisia analyysimenetelmiä käytetään useammin kuin kemiallisia. Niiden avulla voit tarkkailla aineiden pitoisuuksien muutosta reaaliajassa. Reaktiota ei tarvitse pysäyttää ja ottaa näytteitä.

Fysikaalis-kemialliset menetelmät perustuvat mittaukseen fyysistä omaisuutta, riippuen tietyn yhdisteen määrällisestä sisällöstä järjestelmässä ja muuttuu ajan myötä. Esimerkiksi, jos kaasut ovat mukana reaktiossa, paine voi olla tällainen ominaisuus. Myös aineiden sähkönjohtavuus, taitekerroin ja absorptiospektrit mitataan.

Kinetiikka- tiede kemiallisten reaktioiden nopeuksista.

Kemiallisen reaktion nopeus- kemiallisen vuorovaikutuksen elementaaristen toimien lukumäärä aikayksikköä kohti tilavuusyksikköä kohti (homogeeninen) tai pintayksikköä kohti (heterogeeninen).

Todellinen reaktionopeus:

Homogeenisille, heterogeenisille reaktioille:

1) reagoivien aineiden pitoisuus;

2) lämpötila;

3) katalyytti;

4) inhibiittori.

Vain heterogeenisille:

1) reagoivien aineiden syöttönopeus rajapintaan;

2) pinta-ala.

Päätekijä - reagoivien aineiden luonne - reagenssien molekyyleissä olevien atomien välisen sidoksen luonne.

NO 2 - typpioksidi (IV) - ketun häntä, CO - hiilimonoksidi, hiilimonoksidi.

Jos ne hapetetaan hapella, niin ensimmäisessä tapauksessa reaktio etenee välittömästi, kannattaa avata astian tulppa, toisessa tapauksessa reaktio pitenee.

Reagenssien konsentraatiota käsitellään alla.

Sininen opalesenssi osoittaa rikin saostumishetken, mitä korkeampi pitoisuus, sitä suurempi nopeus.

Riisi. kymmenen

Mitä suurempi Na 2 S 2 O 3 -pitoisuus on, sitä vähemmän aikaa reaktio kestää. Kaaviossa (kuva 10) näkyy suoraan verrannollinen suhde. Reaktionopeuden kvantitatiivinen riippuvuus reagoivien aineiden pitoisuudesta ilmaistaan ​​MMA:lla (massavaikutuksen laki), joka sanoo: kemiallisen reaktion nopeus on suoraan verrannollinen reagoivien aineiden pitoisuuksien tuloon.

Niin, kinetiikan peruslaki on perustettu empiirisesti laki: reaktionopeus on verrannollinen reagoivien aineiden pitoisuuteen, esimerkki: (eli reaktiolle)

Tässä reaktiossa H 2 + J 2 = 2HJ - nopeus voidaan ilmaista minkä tahansa aineen pitoisuuden muutoksena. Jos reaktio etenee vasemmalta oikealle, H2:n ja J2:n pitoisuus pienenee, HJ:n pitoisuus kasvaa reaktion aikana. Välittömän reaktioiden nopeuden saamiseksi voit kirjoittaa lausekkeen:

hakasulkeet osoittavat keskittymistä.

fyysinen merkitys k- molekyylit ovat jatkuvassa liikkeessä, törmäävät, hajoavat, osuvat suonen seiniin. Jotta HJ:n muodostumisen kemiallinen reaktio tapahtuisi, H2- ja J2-molekyylien täytyy törmätä. Tällaisten törmäysten lukumäärä on sitä suurempi, mitä enemmän H2- ja J2-molekyylejä tilavuudessa on, eli sitä suuremmat ovat [Н 2 ] ja . Mutta molekyylit liikkuvat eri nopeuksilla, ja yhteensä kineettinen energia kaksi törmäävää molekyyliä ovat erilaisia. Jos nopeimmat H 2 ja J 2 -molekyylit törmäävät, niiden energia voi olla niin suuri, että molekyylit hajoavat jodi- ja vetyatomeiksi, jotka lentävät erilleen ja ovat sitten vuorovaikutuksessa muiden H 2 + J 2 -molekyylien kanssa. > 2H+2J, sitten H+J2 > HJ + J. Jos törmäävien molekyylien energia on pienempi, mutta riittävän suuri heikentääkseen H - H- ja J - J -sidoksia, tapahtuu jodin muodostumisreaktio:

Suurimmalle osalle törmäävistä molekyyleistä energia on pienempi kuin on tarpeen H2:n ja J2:n sidosten heikentämiseksi. Tällaiset molekyylit törmäävät "hiljaisesti" ja myös "hiljaisesti" hajoavat, pysyen sellaisina kuin olivat, H2 ja J2. Siten eivät kaikki, vaan vain osa törmäyksistä johda kemialliseen reaktioon. Suhteellisuuskerroin (k) osoittaa reaktioon johtaneiden tehokkaiden törmäysten lukumäärän pitoisuuksilla [H 2 ] = = 1 mol. Arvo k-vakionopeus. Miten nopeus voi olla vakio? Kyllä, tasaisen suoraviivaisen liikkeen nopeutta kutsutaan vakiovektorisuureeksi, joka on yhtä suuri kuin kehon minkä tahansa ajanjakson liikkeen suhde tämän intervallin arvoon. Mutta molekyylit liikkuvat satunnaisesti, joten kuinka nopeus voi olla vakio? Mutta vakionopeus voi olla vain vakiolämpötilassa. Lämpötilan noustessa nopeiden molekyylien osuus, joiden törmäykset johtavat reaktioon, kasvaa, eli nopeusvakio kasvaa. Mutta nopeusvakion kasvu ei ole rajoittamaton. Tietyssä lämpötilassa molekyylien energia kasvaa niin suureksi, että lähes kaikki reagoivien aineiden törmäykset ovat tehokkaita. Kun kaksi nopeaa molekyyliä törmäävät, tapahtuu käänteinen reaktio.

Tulee hetki, jolloin 2HJ:n muodostumisnopeudet H 2:sta ja J 2:sta ja hajoamisesta ovat yhtä suuret, mutta tämä on jo kemiallinen tasapaino. Reaktionopeuden riippuvuus reagoivien aineiden pitoisuudesta voidaan jäljittää käyttämällä perinteistä natriumtiosulfaattiliuoksen vuorovaikutuksen reaktiota rikkihappoliuoksen kanssa.

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 Sv + H 2 O + SO 2 ^. (2)

Reaktio (1) etenee lähes välittömästi. Reaktionopeus (2) riippuu vakiolämpötilassa reagoivan aineen H2S203 pitoisuudesta. Havaitsimme tämän reaktion - tässä tapauksessa nopeus mitataan ajalla, joka kuluu liuosten kaatamisen alusta opalesenssin ilmestymiseen. Artikkelissa L. M. Kuznetsova kuvataan natriumtiosulfaatin vuorovaikutuksen reaktio suolahapon kanssa. Hän kirjoittaa, että kun liuokset valutetaan, tapahtuu opalesenssia (sameutta). Mutta tämä L. M. Kuznetsovan lausunto on virheellinen, koska opalenssi ja sameus ovat eri asioita. Opalesenssi (opaalista ja latinasta escentia- jälkiliite, joka tarkoittaa heikkoa toimintaa) - sameiden väliaineiden valonsironta niiden optisen epähomogeenisuuden vuoksi. valon sironta- väliaineessa etenevien valonsäteiden poikkeama kaikkiin suuntiin alkuperäisestä suunnasta. Kolloidihiukkaset pystyvät sirottamaan valoa (Tyndall-Faraday-ilmiö) - tämä selittää kolloidisen liuoksen opalisoinnin, lievän sameuden. Tätä koetta suoritettaessa on otettava huomioon sininen opalesenssi ja sitten rikkikolloidisen suspension koagulaatio. Suspension sama tiheys havaitaan minkä tahansa kuvion (esimerkiksi ruudukon kupin pohjassa) ilmeisenä katoamisena, joka havaitaan ylhäältä liuoskerroksen läpi. Aika lasketaan sekuntikellolla tyhjennyshetkestä.

Liuokset Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O ja H 2 SO 4.

Ensimmäinen valmistetaan liuottamalla 7,5 g suolaa 100 ml:aan H20:ta, mikä vastaa 0,3 M pitoisuutta. Saman pitoisuuden H 2 SO 4 -liuoksen valmistamiseksi on tarpeen mitata 1,8 ml H 2 SO 4 (k), ? = = 1,84 g / cm 3 ja liuotetaan se 120 ml:aan vettä. Kaada valmistettu Na 2 S 2 O 3 -liuos kolmeen lasiin: ensimmäiseen - 60 ml, toiseen - 30 ml, kolmanteen - 10 lasiin. ml. Lisää 30 ml tislattua vettä toiseen lasiin ja 50 ml kolmanteen lasiin. Siten kaikissa kolmessa lasissa on 60 ml nestettä, mutta ensimmäisessä suolapitoisuus on ehdollisesti = 1, toisessa - ½ ja kolmannessa - 1/6. Kun liuokset on valmistettu, kaada 60 ml H 2 SO 4 -liuosta ensimmäiseen suolaliuoksen sisältävään lasiin ja käynnistä sekuntikello jne. Ottaen huomioon, että reaktionopeus laskee Na 2 S 2 O 3 -liuoksen laimentaessa, se voidaan määrittää aikaan kääntäen verrannollisena arvona v= yksi/? ja rakentaa kaavio piirtämällä pitoisuus abskissalle ja reaktion nopeus ordinaatalle. Tästä johtopäätöksestä - reaktionopeus riippuu aineiden pitoisuudesta. Saadut tiedot on lueteltu taulukossa 3. Tämä koe voidaan suorittaa byreteillä, mutta tämä vaatii paljon harjoittelua suorittajalta, koska aikataulu on joskus virheellinen.

Taulukko 3

Nopeus ja reaktioaika

Guldberg-Waage-laki vahvistetaan - kemian professori Gulderg ja nuori tiedemies Waage).

Harkitse seuraavaa tekijää - lämpötilaa.

Lämpötilan noustessa useimpien kemiallisten reaktioiden nopeus kasvaa. Tätä riippuvuutta kuvaa van't Hoff -sääntö: "Kun lämpötila nousee jokaista 10 °C:ta kohden, kemiallisten reaktioiden nopeus kasvaa 2-4 kertaa."

missä ? – lämpötilakerroin, joka näyttää kuinka monta kertaa reaktionopeus kasvaa lämpötilan noustessa 10 ° C;

v 1 - reaktionopeus lämpötilassa t1;

v 2 - reaktionopeus lämpötilassa t2.

Esimerkiksi reaktio 50 °C:ssa etenee kahdessa minuutissa, kuinka kauan prosessi päättyy 70 °C:ssa, jos lämpötilakerroin ? = 2?

t 1 = 120 s = 2 min; t 1 = 50 °С; t 2 = 70 °C.

Pienikin lämpötilan nousu lisää jyrkkää aktiivisten molekyylitörmäysten reaktionopeutta. Aktivaatioteorian mukaan prosessiin osallistuvat vain ne molekyylit, joiden energia on tietyllä määrällä suurempi kuin molekyylien keskimääräinen energia. Tämä ylimääräinen energia on aktivointienergiaa. Sen fyysinen merkitys on energia, jota tarvitaan molekyylien aktiiviseen törmäykseen (kiertoradan uudelleenjärjestelyyn). Aktiivisten hiukkasten määrä ja siten reaktionopeus kasvaa lämpötilan myötä eksponentiaalisen lain mukaan Arrhenius-yhtälön mukaan, joka heijastaa nopeusvakion riippuvuutta lämpötilasta

missä MUTTA - Arrhenius-suhteellisuustekijä;

k- Boltzmannin vakio;

E A - aktivointienergia;

R- kaasuvakio;

T- lämpötila.

Katalyytti on aine, joka nopeuttaa reaktion nopeutta, mutta ei itse kuluta.

Katalyysi- ilmiö, jossa reaktionopeus muuttuu katalyytin läsnä ollessa. Erottele homogeeninen ja heterogeeninen katalyysi. Homogeeninen- jos lähtöaineet ja katalyytti ovat samassa aggregaatiotilassa. Heterogeeninen– jos lähtöaineet ja katalyytti ovat eri aggregaatiotilassa. Katalyysistä katso erikseen (edelle).

Inhibiittori Aine, joka hidastaa reaktion nopeutta.

Seuraava tekijä on pinta-ala. Mitä suurempi reagoivan aineen pinta on, sitä suurempi nopeus. Tarkastellaan esimerkiksi dispersioasteen vaikutusta reaktionopeuteen.

CaCO 3 - marmori. Laskemme kaakeloidun marmorin sisään suolahappo HCl, odota viisi minuuttia, se liukenee kokonaan.

Jauhettu marmori - teemme sen kanssa saman menettelyn, se liukenee 30 sekunnissa.

Molempien prosessien yhtälö on sama.

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

Joten kun lisäät jauhettua marmoria, aika on vähemmän kuin lisättäessä laattamarmoria, samalla massalla.

Kun faasien välinen rajapinta kasvaa, heterogeenisten reaktioiden nopeus kasvaa.