La velocità di una reazione chimica attraverso la concentrazione. Pincip Le Châtelier

Argomenti del codificatore dell'Esame di Stato Unificato:Reazione veloce. La sua dipendenza da vari fattori.

La velocità di una reazione chimica mostra quanto velocemente avviene una particolare reazione. L'interazione avviene quando le particelle si scontrano nello spazio. In questo caso la reazione non avviene ad ogni urto, ma solo quando la particella possiede l'energia adeguata.

Reazione veloce – il numero di collisioni elementari di particelle interagenti che terminano con una trasformazione chimica per unità di tempo.

Determinare la velocità di una reazione chimica è legata alle condizioni in cui viene effettuata. Se la reazione omogeneo- cioè. prodotti e reagenti si trovano nella stessa fase, quindi la velocità di una reazione chimica è definita come la variazione di sostanza nell'unità di tempo:

υ = ΔC / Δt.

Se i reagenti o i prodotti si trovano in fasi diverse e la collisione delle particelle avviene solo al confine di fase, la reazione viene chiamata eterogeneo, e la sua velocità è determinata dalla variazione della quantità di sostanza per unità di tempo per unità di superficie di reazione:

υ = Δν / (S·Δt).

Come far scontrare le particelle più spesso, ad es. Come aumentare la velocità di una reazione chimica?

1. Il modo più semplice è aumentare temperatura . Come probabilmente saprai dal tuo corso di fisica, la temperatura è una misura dell'energia cinetica media del movimento delle particelle di una sostanza. Se aumentiamo la temperatura, le particelle di qualsiasi sostanza iniziano a muoversi più velocemente e, quindi, si scontrano più spesso.

Tuttavia, all’aumentare della temperatura, la velocità delle reazioni chimiche aumenta principalmente a causa del fatto che aumenta il numero di collisioni effettive. All'aumentare della temperatura, il numero di particelle attive che possono superare la barriera energetica della reazione aumenta notevolmente. Se abbassiamo la temperatura, le particelle cominciano a muoversi più lentamente, il numero di particelle attive diminuisce e il numero di collisioni effettive al secondo diminuisce. Così, Quando la temperatura aumenta, la velocità di una reazione chimica aumenta e quando la temperatura diminuisce, diminuisce..

Nota! Questa regola funziona allo stesso modo per tutte le reazioni chimiche (comprese quelle esotermiche ed endotermiche). La velocità di reazione è indipendente dall'effetto termico. La velocità delle reazioni esotermiche aumenta con l'aumentare della temperatura e diminuisce con la diminuzione della temperatura. Anche la velocità delle reazioni endotermiche aumenta con l'aumentare della temperatura e diminuisce con la diminuzione della temperatura.

Inoltre, nel 19° secolo, il fisico olandese Van't Hoff stabilì sperimentalmente che la maggior parte delle reazioni aumenta la propria velocità in modo più o meno uguale (circa 2-4 volte) quando la temperatura aumenta di 10 o C. La regola di Van't Hoff suona così: un aumento della temperatura di 10 o C porta ad un aumento della velocità di una reazione chimica di 2-4 volte (questo valore è chiamato coefficiente di temperatura della velocità di una reazione chimica γ). Per ciascuna reazione viene determinato il valore esatto del coefficiente di temperatura.

Qui v 2 - velocità di reazione alla temperatura T 2, v 1 - velocità di reazione alla temperatura T 1, γ — coefficiente di temperatura della velocità di reazione, coefficiente di Van't Hoff.

In alcune situazioni, non è sempre possibile aumentare la velocità di reazione utilizzando la temperatura, perché alcune sostanze si decompongono quando la temperatura aumenta, alcune sostanze o solventi evaporano a temperature elevate, ecc., ad es. le condizioni del processo sono violate.

2. Concentrazione. Puoi anche aumentare il numero di collisioni effettive modificando concentrazione reagenti . Tipicamente utilizzato per gas e liquidi, perché nei gas e nei liquidi, le particelle si muovono rapidamente e si mescolano attivamente. Maggiore è la concentrazione delle sostanze reagenti (liquidi, gas), maggiore è il numero di collisioni efficaci e maggiore è la velocità della reazione chimica.

Basato su un gran numero di esperimenti condotti nel 1867 dagli scienziati norvegesi P. Guldenberg e P. Waage e, indipendentemente da loro, nel 1865 dallo scienziato russo N.I. Beketov derivò la legge fondamentale della cinetica chimica, stabilendo la dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla concentrazione dei reagenti:

La velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti in potenze pari ai loro coefficienti nell'equazione della reazione chimica.

Per una reazione chimica della forma: aA + bB = cC + dD la legge dell'azione di massa è scritta come segue:

dove v è la velocità della reazione chimica,

CIRCA E CB — concentrazioni delle sostanze A e B, rispettivamente, mol/l

K – coefficiente di proporzionalità, costante di velocità di reazione.

Per esempio, per la reazione di formazione dell'ammoniaca:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

La legge dell’azione di massa è questa:

La costante di velocità di reazione mostra a quale velocità reagiranno le sostanze se la loro concentrazione è 1 mol/l, o il loro prodotto è uguale a 1. La costante di velocità di una reazione chimica dipende dalla temperatura e non dipende dalla concentrazione delle sostanze reagenti.

La legge dell'azione di massa non tiene conto delle concentrazioni di solidi, perché Reagiscono, di regola, sulla superficie e il numero di particelle reagenti per unità di superficie non cambia.

Nella maggior parte dei casi, una reazione chimica consiste in diversi semplici passaggi, nel qual caso l'equazione di una reazione chimica mostra solo l'equazione riassuntiva o finale dei processi che si verificano. In questo caso, la velocità di una reazione chimica dipende in modo complesso (o non dipende) dalla concentrazione dei reagenti, degli intermedi o del catalizzatore, pertanto la forma esatta dell'equazione cinetica viene determinata sperimentalmente o in base all'analisi della meccanismo di reazione proposto. Tipicamente, la velocità di una reazione chimica complessa è determinata dalla velocità della sua fase più lenta ( fase limitante).

3. Pressione. Per i gas, la concentrazione dipende direttamente da pressione. All’aumentare della pressione aumenta la concentrazione dei gas. L'espressione matematica di questa dipendenza (per un gas ideale) è l'equazione di Mendeleev-Clapeyron:

pV = νRT

Quindi, se tra i reagenti c'è una sostanza gassosa, allora quando Quando la pressione aumenta, la velocità di una reazione chimica aumenta; quando la pressione diminuisce, diminuisce. .

Per esempio. Come cambierà la velocità di reazione della fusione della calce con l'ossido di silicio:

CaCO3 + SiO2 ↔ CaSiO3 + CO2

quando aumenta la pressione?

La risposta corretta sarebbe: niente affatto, perché... non ci sono gas tra i reagenti e il carbonato di calcio è un sale solido, insolubile in acqua, l'ossido di silicio è un solido. Il gas prodotto sarà l'anidride carbonica. Ma i prodotti non influenzano la velocità della reazione diretta.

Un altro modo per aumentare la velocità di una reazione chimica è dirigerla lungo un percorso diverso, sostituendo l'interazione diretta, ad esempio, delle sostanze A e B con una serie di reazioni sequenziali con una terza sostanza K, che richiedono molta meno energia ( hanno una barriera energetica di attivazione inferiore) e si verificano in determinate condizioni più velocemente della reazione diretta. Questa terza sostanza si chiama catalizzatore .

- queste sono sostanze chimiche che partecipano a una reazione chimica, cambiandone la velocità e la direzione, ma non consumabile durante la reazione (al termine della reazione non cambiano né in quantità né in composizione). Un meccanismo approssimativo per il funzionamento di un catalizzatore per una reazione di tipo A + B può essere scelto come segue:

A+K=AK

AK + B = AB + K

Viene chiamato il processo di modifica della velocità di reazione quando si interagisce con un catalizzatore catalisi. I catalizzatori sono ampiamente utilizzati nell'industria quando è necessario aumentare la velocità di una reazione o indirizzarla lungo un percorso specifico.

In base allo stato di fase del catalizzatore si distinguono catalisi omogenea ed eterogenea.

Catalisi omogenea – questo è quando i reagenti e il catalizzatore sono nella stessa fase (gas, soluzione). Tipici catalizzatori omogenei sono acidi e basi. ammine organiche, ecc.

Catalisi eterogenea – questo è quando i reagenti e il catalizzatore si trovano in fasi diverse. Di norma, i catalizzatori eterogenei sono sostanze solide. Perché l'interazione in tali catalizzatori avviene solo sulla superficie della sostanza; un requisito importante per i catalizzatori è un'ampia superficie. I catalizzatori eterogenei sono caratterizzati da un'elevata porosità, che aumenta la superficie del catalizzatore. Pertanto, la superficie totale di alcuni catalizzatori raggiunge talvolta i 500 metri quadrati per 1 g di catalizzatore. L'ampia area e la porosità garantiscono un'interazione efficace con i reagenti. I catalizzatori eterogenei includono metalli, zeoliti - minerali cristallini del gruppo alluminosilicato (composti di silicio e alluminio) e altri.

Esempio catalisi eterogenea – sintesi dell'ammoniaca:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

Come catalizzatore viene utilizzato ferro poroso con impurità Al 2 O 3 e K 2 O.

Il catalizzatore stesso non si consuma durante la reazione chimica, ma altre sostanze si accumulano sulla superficie del catalizzatore, legando i centri attivi del catalizzatore e bloccandone il funzionamento ( veleni catalitici). Devono essere rimossi regolarmente rigenerando il catalizzatore.

Nelle reazioni biochimiche, i catalizzatori sono molto efficaci - enzimi. I catalizzatori enzimatici agiscono in modo altamente efficiente e selettivo, con una selettività del 100%. Sfortunatamente, gli enzimi sono molto sensibili all'aumento della temperatura, all'acidità dell'ambiente e ad altri fattori, quindi esistono una serie di limitazioni per l'implementazione di processi con catalisi enzimatica su scala industriale.

I catalizzatori non devono essere confusi con iniziatori processo e inibitori. Per esempio, l'irradiazione ultravioletta è necessaria per avviare la reazione radicale della clorazione del metano. Questo non è un catalizzatore. Alcune reazioni radicaliche sono avviate dai radicali perossido. Anche questi non sono catalizzatori.

Inibitori- Queste sono sostanze che rallentano una reazione chimica. Gli inibitori possono essere consumati e partecipare a una reazione chimica. In questo caso gli inibitori non sono catalizzatori, anzi. In linea di principio la catalisi inversa è impossibile: la reazione cercherà comunque di seguire il percorso più veloce.

5. Area di contatto delle sostanze reagenti. Per le reazioni eterogenee, un modo per aumentare il numero di collisioni efficaci è aumentare area della superficie di reazione . Maggiore è la superficie di contatto delle fasi reagenti, maggiore è la velocità della reazione chimica eterogenea. Lo zinco in polvere si dissolve molto più velocemente nell'acido rispetto allo zinco granulare della stessa massa.

Nell'industria, per aumentare la superficie di contatto delle sostanze reagenti, utilizzano metodo del letto fluido. Per esempio, nella produzione di acido solforico mediante il metodo dell'ebollizione dell'asino, vengono cotte le piriti.

6. Natura dei reagenti . La velocità delle reazioni chimiche, a parità di altre condizioni, è influenzata anche dalle proprietà chimiche, ad es. natura delle sostanze reagenti. Le sostanze meno attive avranno una barriera di attivazione più elevata e reagiranno più lentamente rispetto alle sostanze più attive. Le sostanze più attive hanno un'energia di attivazione inferiore ed entrano nelle reazioni chimiche molto più facilmente e più spesso.

A basse energie di attivazione (meno di 40 kJ/mol), la reazione avviene molto rapidamente e facilmente. Una parte significativa delle collisioni tra particelle termina con una trasformazione chimica. Ad esempio, le reazioni di scambio ionico si verificano molto rapidamente in condizioni normali.

Ad energie di attivazione elevate (più di 120 kJ/mol), solo un piccolo numero di collisioni provoca una trasformazione chimica. La velocità di tali reazioni è trascurabile. Ad esempio, l'azoto praticamente non interagisce con l'ossigeno in condizioni normali.

A energie di attivazione medie (da 40 a 120 kJ/mol), la velocità di reazione sarà media. Tali reazioni si verificano anche in condizioni normali, ma non molto rapidamente, quindi possono essere osservate ad occhio nudo. Tali reazioni includono l'interazione del sodio con l'acqua, l'interazione del ferro con l'acido cloridrico, ecc.

Le sostanze che sono stabili in condizioni normali hanno solitamente energie di attivazione elevate.

Le reazioni chimiche avvengono a velocità diverse: a bassa velocità durante la formazione di stalattiti e stalagmiti, a velocità media durante la cottura del cibo, istantaneamente durante un'esplosione. Le reazioni avvengono molto rapidamente nelle soluzioni acquose.

Determinare la velocità di una reazione chimica, così come chiarire la sua dipendenza dalle condizioni del processo, è compito della cinetica chimica, la scienza che studia gli schemi delle reazioni chimiche nel tempo.

Se le reazioni chimiche si verificano in un mezzo omogeneo, ad esempio in una soluzione o in fase gassosa, l'interazione delle sostanze reagenti avviene in tutto il volume. Tali reazioni sono chiamate omogeneo.

(v homog) è definito come la variazione della quantità di sostanza per unità di tempo per unità di volume:

dove Δn è la variazione del numero di moli di una sostanza (molto spesso l'originale, ma può anche essere un prodotto di reazione); Δt - intervallo di tempo (s, min); V è il volume del gas o della soluzione (l).

Poiché il rapporto tra la quantità di sostanza e il volume rappresenta la concentrazione molare C, allora

Pertanto, la velocità di una reazione omogenea è definita come la variazione della concentrazione di una delle sostanze nell'unità di tempo:

se il volume del sistema non cambia.

Se una reazione avviene tra sostanze in diversi stati di aggregazione (ad esempio tra un solido e un gas o un liquido), o tra sostanze che non sono in grado di formare un mezzo omogeneo (ad esempio tra liquidi immiscibili), allora avviene solo sulla superficie di contatto delle sostanze. Tali reazioni sono chiamate eterogeneo.

Definito come la variazione della quantità di sostanza per unità di tempo su un'unità di superficie.

dove S è la superficie di contatto delle sostanze (m 2, cm 2).

Una variazione nella quantità di una sostanza in base alla quale viene determinata la velocità di reazione è un fattore esterno osservato dal ricercatore. In effetti, tutti i processi vengono eseguiti a livello micro. Ovviamente, affinché alcune particelle possano reagire, devono prima scontrarsi, e scontrarsi in modo efficace: non disperdersi come palline lati diversi, ma affinché i “vecchi legami” nelle particelle vengano distrutti o indeboliti e si possano formare “nuovi”, e per questo le particelle devono avere energia sufficiente.

I dati calcolati mostrano che, ad esempio, nei gas, le collisioni di molecole a pressione atmosferica ammontano a miliardi al secondo, ovvero tutte le reazioni dovrebbero avvenire istantaneamente. Ma non è vero. Si scopre che solo una piccolissima frazione di molecole possiede l'energia necessaria per provocare collisioni efficaci.

Viene chiamata l'energia minima in eccesso che una particella (o una coppia di particelle) deve avere affinché avvenga una collisione efficace energia di attivazione Ea.

Pertanto, sul percorso di tutte le particelle che entrano nella reazione c'è una barriera energetica pari all'energia di attivazione E a. Quando è piccolo, ci sono molte particelle che possono superarlo e la velocità di reazione è elevata. Altrimenti è necessaria una “spinta”. Quando si accende una lampada ad alcool con un fiammifero, si trasmette l'energia aggiuntiva E necessaria per l'efficace collisione delle molecole di alcol con le molecole di ossigeno (superando la barriera).

La velocità di una reazione chimica dipende da molti fattori. I principali sono: la natura e la concentrazione delle sostanze reagenti, la pressione (nelle reazioni che coinvolgono gas), la temperatura, l'azione dei catalizzatori e la superficie delle sostanze reagenti nel caso di reazioni eterogenee.

Temperatura

All’aumentare della temperatura, nella maggior parte dei casi la velocità di una reazione chimica aumenta in modo significativo. Nel 19 ° secolo Il chimico olandese J. X. van't Hoff formulò la regola:

Ogni aumento di 10°C della temperatura porta ad un aumento dellavelocità di reazione 2-4 volte(questo valore è chiamato coefficiente di temperatura della reazione).

All’aumentare della temperatura, la velocità media delle molecole, la loro energia e il numero di collisioni aumentano leggermente, ma la percentuale di molecole “attive” che partecipano a collisioni efficaci che superano la barriera energetica della reazione aumenta notevolmente. Matematicamente questa dipendenza è espressa dalla relazione:

dove v t 1 e v t 2 sono le velocità di reazione, rispettivamente, alle temperature finale t 2 e iniziale t 1, e γ è il coefficiente di temperatura della velocità di reazione, che mostra quante volte la velocità di reazione aumenta ad ogni aumento di 10 °C nella temperatura.

Tuttavia, per aumentare la velocità di reazione, non è sempre possibile aumentare la temperatura, poiché le sostanze di partenza potrebbero iniziare a decomporsi, i solventi o le sostanze stesse potrebbero evaporare, ecc.

Reazioni endotermiche ed esotermiche

È noto che la reazione del metano con l'ossigeno atmosferico è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di calore. Pertanto, viene utilizzato nella vita di tutti i giorni per cucinare, scaldare l'acqua e riscaldare. Il gas naturale fornito alle case attraverso i tubi è composto per il 98% da metano. La reazione dell'ossido di calcio (CaO) con l'acqua è accompagnata anche dal rilascio di una grande quantità di calore.

Cosa possono indicare questi fatti? Quando si formano nuovi legami chimici nei prodotti della reazione, Di più energia necessaria per rompere i legami chimici nei reagenti. L'energia in eccesso viene rilasciata sotto forma di calore e talvolta di luce.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (energia (luce, calore));

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (energia (calore)).

Tali reazioni dovrebbero avvenire facilmente (come una pietra rotola facilmente in discesa).

Vengono chiamate le reazioni in cui viene rilasciata energia ESOTERMICO(dal latino “exo” - fuori).

Ad esempio, molte reazioni redox sono esotermiche. Una di queste bellissime reazioni è l'ossidazione-riduzione intramolecolare che avviene all'interno dello stesso sale - bicromato di ammonio (NH 4) 2 Cr 2 O 7:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O + Q (energia).

Un'altra cosa è il contraccolpo. Sono analoghi al far rotolare una pietra su una montagna. Non è ancora stato possibile ottenere metano dalla CO 2 e dall'acqua, ed è necessario un forte riscaldamento per ottenere la calce viva CaO dall'idrossido di calcio Ca(OH) 2. Questa reazione avviene solo con un flusso costante di energia dall'esterno:

Ca(OH)2 = CaO + H2O - Q (energia (calore))

Ciò suggerisce che la rottura dei legami chimici nel Ca(OH) 2 richiede più energia di quella che può essere rilasciata durante la formazione di nuovi legami chimici nelle molecole di CaO e H 2 O.

Vengono chiamate le reazioni in cui viene assorbita energia ENDOTERMICO(da “endo” - verso l'interno).

Concentrazione dei reagenti

Una variazione di pressione quando alla reazione partecipano sostanze gassose porta anche a una variazione della concentrazione di queste sostanze.

Affinché si verifichino interazioni chimiche tra le particelle, queste devono effettivamente scontrarsi. Maggiore è la concentrazione dei reagenti, maggiori saranno le collisioni e, di conseguenza, maggiore sarà la velocità di reazione. Ad esempio, l'acetilene brucia molto rapidamente nell'ossigeno puro. In questo caso si sviluppa una temperatura sufficiente a fondere il metallo. Sulla base di una grande quantità di materiale sperimentale, nel 1867 i norvegesi K. Guldenberg e P. Waage e indipendentemente da loro nel 1865, lo scienziato russo N.I. Beketov formulò la legge fondamentale della cinetica chimica, stabilendo la dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione delle sostanze reagenti.

La velocità di una reazione chimica è proporzionale al prodotto delle concentrazioni dei reagenti, presi a potenze pari ai loro coefficienti nell'equazione di reazione.

Questa legge è anche chiamata legge dell’azione di massa.

Per la reazione A + B = D, questa legge sarà espressa come segue:

Per la reazione 2A + B = D, questa legge sarà espressa come segue:

Qui CA, C B sono le concentrazioni delle sostanze A e B (mol/l); k 1 e k 2 sono coefficienti di proporzionalità, chiamati costanti di velocità di reazione.

Il significato fisico della costante di velocità di reazione non è difficile da stabilire: è numericamente uguale alla velocità di reazione in cui le concentrazioni dei reagenti sono 1 mol/lo il loro prodotto è uguale all'unità. In questo caso è chiaro che la costante di velocità di reazione dipende solo dalla temperatura e non dalla concentrazione delle sostanze.

Legge dell'azione di massa non tiene conto della concentrazione dei reagenti allo stato solido, perché reagiscono sulle superfici e le loro concentrazioni sono generalmente costanti.

Ad esempio, per una reazione di combustione del carbone, l'espressione della velocità di reazione dovrebbe essere scritta come segue:

cioè, la velocità di reazione è proporzionale solo alla concentrazione di ossigeno.

Se l'equazione di reazione descrive solo una reazione chimica totale che avviene in più fasi, la velocità di tale reazione può dipendere in modo complesso dalle concentrazioni delle sostanze di partenza. Questa dipendenza è determinata sperimentalmente o teoricamente in base al meccanismo di reazione proposto.

Azione dei catalizzatori

È possibile aumentare la velocità di una reazione utilizzando sostanze speciali che modificano il meccanismo della reazione e la indirizzano lungo un percorso energeticamente più favorevole con un'energia di attivazione inferiore. Si chiamano catalizzatori (dal latino katalysis - distruzione).

Il catalizzatore funge da guida esperta, guidando un gruppo di turisti non attraverso un passo alto in montagna (superarlo richiede molto impegno e tempo e non è accessibile a tutti), ma lungo i sentieri di circonvallazione a lui noti, lungo i quali si può superare la montagna molto più facilmente e velocemente.

È vero, utilizzando il percorso rotatorio non è possibile arrivare esattamente dove conduce il passo principale. Ma a volte questo è esattamente ciò che serve! Questo è esattamente il modo in cui funzionano i catalizzatori chiamati selettivi. È chiaro che non è necessario bruciare ammoniaca e azoto, ma nella produzione di acido nitrico viene utilizzato l'ossido di azoto (II).

Catalizzatori- si tratta di sostanze che partecipano a una reazione chimica e ne cambiano la velocità o la direzione, ma alla fine della reazione rimangono invariate quantitativamente e qualitativamente.

La modifica della velocità di una reazione chimica o della sua direzione utilizzando un catalizzatore è chiamata catalisi. I catalizzatori sono ampiamente utilizzati in vari settori e nei trasporti (convertitori catalitici che convertono gli ossidi di azoto dei gas di scarico delle automobili in azoto innocuo).

Esistono due tipi di catalisi.

Catalisi omogenea, in cui sia il catalizzatore che i reagenti si trovano nello stesso stato di aggregazione (fase).

Catalisi eterogenea, in cui il catalizzatore e i reagenti si trovano in fasi diverse. Ad esempio, la decomposizione del perossido di idrogeno in presenza di un catalizzatore solido di ossido di manganese (IV):

Il catalizzatore stesso non si consuma a seguito della reazione, ma se altre sostanze vengono adsorbite sulla sua superficie (chiamate veleni catalitici), la superficie diventa inutilizzabile ed è necessaria la rigenerazione del catalizzatore. Pertanto, prima di effettuare la reazione catalitica, i materiali di partenza vengono accuratamente purificati.

Ad esempio, nella produzione di acido solforico mediante metodo di contatto, viene utilizzato un catalizzatore solido: ossido di vanadio (V) V 2 O 5:

Nella produzione di metanolo viene utilizzato un catalizzatore solido “zinco-cromo” (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

I catalizzatori biologici - gli enzimi - funzionano in modo molto efficace. Per natura chimica sono proteine. Grazie a loro, reazioni chimiche complesse si verificano ad alta velocità negli organismi viventi a basse temperature.

Sono note altre sostanze interessanti: gli inibitori (dal latino inhibere - ritardare). Reagiscono con particelle attive ad alta velocità per formare composti a bassa attività. Di conseguenza, la reazione rallenta bruscamente e poi si ferma. Gli inibitori vengono spesso aggiunti specificamente a varie sostanze per prevenire processi indesiderati.

Ad esempio, le soluzioni di perossido di idrogeno vengono stabilizzate utilizzando inibitori.

La natura delle sostanze reagenti (loro composizione, struttura)

Senso energie di attivazioneè il fattore attraverso il quale viene influenzata l'influenza della natura delle sostanze reagenti sulla velocità di reazione.

Se l'energia di attivazione è bassa (< 40 кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкнове­ний между частицами реагирующих веществ при­водит к их взаимодействию, и скорость такой ре­акции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих ре­акциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.

Se l'energia di attivazione è alta(> 120 kJ/mol), ciò significa che solo una piccola frazione di collisioni tra particelle interagenti porta a una reazione. La velocità di tale reazione è quindi molto bassa. Ad esempio, l’avanzamento della reazione di sintesi dell’ammoniaca a temperature normali è quasi impossibile da notare.

Se le energie di attivazione delle reazioni chimiche hanno valori intermedi (40120 kJ/mol), la velocità di tali reazioni sarà media. Tali reazioni includono l'interazione del sodio con acqua o alcol etilico, la decolorazione dell'acqua di bromo con etilene, l'interazione dello zinco con acido cloridrico, ecc.

Superficie di contatto delle sostanze reagenti

La velocità delle reazioni che si verificano sulla superficie delle sostanze, cioè eterogenee, dipende, a parità di altre condizioni, dalle proprietà di questa superficie. È noto che il gesso in polvere si dissolve nell'acido cloridrico molto più velocemente di un pezzo di gesso di uguale peso.

L'aumento della velocità di reazione è dovuto principalmente a aumentando la superficie di contatto delle sostanze di partenza, così come una serie di altri motivi, ad esempio una violazione della struttura del reticolo cristallino "corretto". Ciò porta al fatto che le particelle sulla superficie dei microcristalli risultanti sono molto più reattive delle stesse particelle su una superficie “liscia”.

Nell'industria, per realizzare reazioni eterogenee, si utilizza un “letto fluido” per aumentare la superficie di contatto delle sostanze reagenti, l'apporto di sostanze di partenza e l'allontanamento dei prodotti. Ad esempio, nella produzione di acido solforico, le piriti vengono cotte utilizzando un “letto fluidizzato”.

Materiale di riferimento per sostenere il test:

Tavolo Mendeleev

Tabella di solubilità

I meccanismi delle trasformazioni chimiche e la loro velocità sono studiati dalla cinetica chimica. I processi chimici si verificano nel tempo a velocità diverse. Alcuni si verificano rapidamente, quasi istantaneamente, mentre altri richiedono molto tempo per verificarsi.

Reazione veloce- la velocità con cui i reagenti vengono consumati (la loro concentrazione diminuisce) o si formano i prodotti di reazione per unità di volume.

Fattori che possono influenzare la velocità di una reazione chimica

I seguenti fattori possono influenzare la velocità con cui avviene una reazione chimica:

• concentrazione di sostanze;
• natura dei reagenti;
• temperatura;
• presenza di un catalizzatore;
• pressione (per reazioni in un ambiente gassoso).

Pertanto, modificando determinate condizioni di un processo chimico, è possibile influenzare la velocità con cui procederà il processo.

Nel processo di interazione chimica, le particelle di sostanze reagenti si scontrano tra loro. Il numero di tali coincidenze è proporzionale al numero di particelle di sostanze nel volume della miscela reagente, e quindi proporzionale alle concentrazioni molari dei reagenti.

Legge dell'azione di massa descrive la dipendenza della velocità di reazione dalle concentrazioni molari delle sostanze che interagiscono.

Per una reazione elementare (A+B→...) questa legge è espressa dalla formula:

υ = k ∙С A ∙С B,

dove k è la costante di velocità; C A e C B sono le concentrazioni molari dei reagenti A e B.

Se una delle sostanze reagenti è allo stato solido, l'interazione avviene all'interfaccia, pertanto la concentrazione della sostanza solida non è inclusa nell'equazione della legge cinetica dell'azione di massa; Per comprendere il significato fisico della costante di velocità, è necessario prendere C, A e C B uguali a 1. Quindi diventa chiaro che la costante di velocità è uguale alla velocità di reazione a concentrazioni di reagenti pari all'unità.

Natura dei reagenti

Poiché durante l'interazione i legami chimici delle sostanze reagenti vengono distrutti e si formano nuovi legami dei prodotti di reazione, la natura dei legami coinvolti nella reazione dei composti e la struttura delle molecole delle sostanze reagenti giocheranno un ruolo importante .

Area superficiale di contatto dei reagenti

Una caratteristica come la superficie di contatto dei reagenti solidi influenza il corso della reazione, a volte in modo abbastanza significativo. La macinazione di un solido consente di aumentare la superficie di contatto dei reagenti, e quindi di velocizzare il processo. L'area di contatto delle sostanze solubili viene facilmente aumentata sciogliendo la sostanza.

Temperatura di reazione

All'aumentare della temperatura aumenterà l'energia delle particelle in collisione; è ovvio che con l'aumento della temperatura il processo chimico stesso accelererà; Un chiaro esempio di come un aumento della temperatura influisce sul processo di interazione delle sostanze può essere considerato i dati riportati nella tabella.

Tabella 1. Effetto dei cambiamenti di temperatura sulla velocità di formazione dell'acqua (O 2 +2H 2 →2H 2 O)

Per descrivere quantitativamente come la temperatura può influenzare la velocità di interazione delle sostanze, viene utilizzata la regola di Van't Hoff. La regola di Van't Hoff è che quando la temperatura aumenta di 10 gradi, si verifica un'accelerazione di 2-4 volte.

La formula matematica che descrive la regola di van't Hoff è la seguente:

Dove γ è il coefficiente di temperatura della velocità della reazione chimica (γ = 2−4).

Ma l’equazione di Arrhenius descrive la dipendenza dalla temperatura della costante di velocità in modo molto più accurato:

Dove R è la costante universale dei gas, A è un fattore determinato dal tipo di reazione, E, A è l'energia di attivazione.

L'energia di attivazione è l'energia che una molecola deve acquisire affinché avvenga una trasformazione chimica. Cioè, è una sorta di barriera energetica che le molecole in collisione nel volume di reazione dovranno superare per ridistribuire i legami.

L'energia di attivazione non dipende da fattori esterni, ma dipende dalla natura della sostanza. Il valore dell'energia di attivazione fino a 40 - 50 kJ/mol consente alle sostanze di reagire tra loro in modo piuttosto attivo. Se l'energia di attivazione supera 120 kJ/mol, allora le sostanze (a temperature normali) reagiranno molto lentamente. Una variazione di temperatura porta ad una variazione del numero di molecole attive, cioè di molecole che hanno raggiunto un'energia maggiore dell'energia di attivazione, e quindi sono capaci di trasformazioni chimiche.

Azione catalizzatrice

Un catalizzatore è una sostanza che può accelerare un processo, ma non fa parte dei suoi prodotti. La catalisi (accelerazione di una trasformazione chimica) si divide in omogenea ed eterogenea. Se i reagenti e il catalizzatore si trovano negli stessi stati di aggregazione, allora la catalisi è detta omogenea, se in stati diversi allora è eterogenea; I meccanismi d'azione dei catalizzatori sono vari e piuttosto complessi. Inoltre, vale la pena notare che i catalizzatori sono caratterizzati da selettività d'azione. Cioè, lo stesso catalizzatore, pur accelerando una reazione, potrebbe non cambiare la velocità di un'altra.

Pressione

Se nella trasformazione sono coinvolte sostanze gassose, la velocità del processo sarà influenzata dalle variazioni di pressione nel sistema . Questo accade perché che per i reagenti gassosi, una variazione di pressione porta ad una variazione di concentrazione.

Determinazione sperimentale della velocità di una reazione chimica

La velocità di una trasformazione chimica può essere determinata sperimentalmente ottenendo dati su come cambia la concentrazione delle sostanze che entrano nella reazione o dei prodotti nell'unità di tempo. I metodi per ottenere tali dati sono suddivisi in

• chimico,
• fisico-chimico.

I metodi chimici sono abbastanza semplici, accessibili e accurati. Con il loro aiuto, la velocità viene determinata misurando direttamente la concentrazione o la quantità della sostanza dei reagenti o dei prodotti. In caso di reazione lenta, vengono prelevati dei campioni per monitorare il consumo del reagente. Quindi viene determinato il contenuto del reagente nel campione. Prelevando campioni a intervalli regolari è possibile ottenere dati sulle variazioni della quantità di una sostanza durante il processo di interazione. I tipi di analisi più comunemente utilizzati sono la titrimetria e la gravimetria.

Se la reazione procede rapidamente, deve essere interrotta per prelevare un campione. Questo può essere fatto utilizzando il raffreddamento, rimozione improvvisa del catalizzatore, è anche possibile diluire o trasferire uno dei reagenti in uno stato non reattivo.

I metodi di analisi fisico-chimica nella moderna cinetica sperimentale sono usati più spesso di quelli chimici. Con il loro aiuto puoi osservare i cambiamenti nella concentrazione delle sostanze in tempo reale. In questo caso non è necessario arrestare la reazione e prelevare campioni.

I metodi fisico-chimici si basano sulla misurazione di una proprietà fisica che dipende dal contenuto quantitativo di un determinato composto nel sistema e cambia nel tempo. Ad esempio, se in una reazione sono coinvolti dei gas, la pressione potrebbe essere una di queste proprietà. Vengono misurati anche la conduttività elettrica, l'indice di rifrazione e gli spettri di assorbimento delle sostanze.

La velocità di una reazione chimica è la variazione della concentrazione dei reagenti nell'unità di tempo.

Nelle reazioni omogenee, lo spazio di reazione si riferisce al volume del recipiente di reazione, mentre nelle reazioni eterogenee si riferisce alla superficie su cui avviene la reazione. La concentrazione delle sostanze reagenti è solitamente espressa in mol/l, il numero di moli di una sostanza in 1 litro di soluzione.

La velocità di una reazione chimica dipende dalla natura dei reagenti, dalla concentrazione, dalla temperatura, dalla pressione, dalla superficie di contatto delle sostanze e dalla sua natura, nonché dalla presenza di catalizzatori.

Un aumento della concentrazione di sostanze che entrano in un'interazione chimica porta ad un aumento della velocità della reazione chimica. Ciò accade perché tutte le reazioni chimiche avvengono tra un certo numero di particelle reagenti (atomi, molecole, ioni). Quanto più queste particelle sono presenti nel volume dello spazio di reazione, tanto più spesso si scontrano e si verifica l'interazione chimica. Una reazione chimica può avvenire attraverso uno o più atti elementari (collisioni). Sulla base dell'equazione di reazione, possiamo scrivere un'espressione per la dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione dei reagenti. Se una sola molecola partecipa ad un atto elementare (durante una reazione di decomposizione), la dipendenza avrà la seguente forma:

v= k*[A]

Questa è l'equazione per una reazione monomolecolare. Quando due molecole diverse interagiscono in un atto elementare, la dipendenza ha la forma:

v= k*[A]*[B]

La reazione è detta bimolecolare. Nel caso di collisione di tre molecole vale l’espressione:

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

La reazione è detta trimolecolare. Designazioni dei coefficienti:

v — reazione rapida;

[A], [B], [C] sono le concentrazioni delle sostanze reagenti;

k—coefficiente di proporzionalità; chiamata costante di velocità di reazione.

Se le concentrazioni dei reagenti sono uguali a uno (1 mol/l) o il loro prodotto è uguale a uno, allora v = k.. La costante di velocità dipende dalla natura dei reagenti e dalla temperatura. La dipendenza della velocità delle reazioni semplici (cioè delle reazioni che si verificano attraverso un atto elementare) dalla concentrazione è descritta dalla legge dell'azione di massa: la velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto della concentrazione dei reagenti elevata alla potenza dei loro coefficienti stechiometrici.

Ad esempio, consideriamo la reazione 2NO + O 2 = 2NO 2.

Dentro v=k*2*

Nel caso in cui l'equazione di una reazione chimica non corrisponde all'atto elementare di interazione, ma riflette solo il rapporto tra la massa delle sostanze che hanno reagito e le sostanze formate, allora le potenze delle concentrazioni non saranno uguali alla coefficienti che compaiono davanti alle formule delle sostanze corrispondenti nell'equazione di reazione. Per una reazione che avviene in più fasi, la velocità della reazione è determinata dalla velocità della fase più lenta (limitante).

Questa dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione dei reagenti è valida per i gas e le reazioni che avvengono in soluzione. Le reazioni che coinvolgono i solidi non obbediscono alla legge dell'azione di massa, poiché l'interazione delle molecole avviene solo all'interfaccia di fase. Di conseguenza, la velocità di una reazione eterogenea dipende anche dalle dimensioni e dalla natura della superficie di contatto delle fasi reagenti. Più grande è la superficie, più veloce sarà la reazione.

L'effetto della temperatura sulla velocità di una reazione chimica

L'effetto della temperatura sulla velocità di una reazione chimica è determinato dalla regola di Van't Hoff: con un aumento della temperatura ogni 10 ° C, la velocità di reazione aumenta di 2-4 volte. Matematicamente, questa regola è espressa dalla seguente equazione:

vt2= vt1*g(t2-t1)/10

Dove vt1 E vt2— velocità di reazione alle temperature t2 e t1; g - coefficiente di temperatura di reazione - un numero che mostra quante volte la velocità di reazione aumenta con un aumento della temperatura ogni 10 ° C. Una dipendenza così significativa della velocità di una reazione chimica dalla temperatura è spiegata dal fatto che la formazione di nuove sostanze non avviene con ogni collisione di molecole reagenti. Interagiscono solo quelle molecole (molecole attive) che hanno energia sufficiente per rompere i legami nelle particelle originali. Pertanto, ogni reazione è caratterizzata da una barriera energetica. Per superarlo, la molecola ha bisogno energia di attivazione - una certa energia in eccesso che una molecola deve avere affinché la sua collisione con un'altra molecola porti alla formazione di una nuova sostanza. Con l'aumento della temperatura, il numero di molecole attive aumenta rapidamente, il che porta ad un forte aumento della velocità di reazione secondo la regola di Van't Hoff. L'energia di attivazione per ciascuna reazione specifica dipende dalla natura dei reagenti.

Teoria delle collisioni attive permette di spiegare l'influenza di alcuni fattori sulla velocità di una reazione chimica. Le principali disposizioni di questa teoria:

• Le reazioni si verificano quando particelle di reagenti che hanno una certa energia si scontrano.
• Più particelle reagenti ci sono, più sono vicine tra loro, maggiore è la probabilità che si scontrino e reagiscano.
• Solo le collisioni efficaci portano ad una reazione, cioè quelli in cui i “vecchi legami” vengono distrutti o indeboliti e quindi se ne possono formare di “nuovi”. Per fare ciò, le particelle devono avere energia sufficiente.
• Viene chiamata l'energia in eccesso minima richiesta per una collisione efficace delle particelle reagenti energia di attivazione Ea.
• L'attività delle sostanze chimiche si manifesta nella bassa energia di attivazione delle reazioni che le coinvolgono. Minore è l'energia di attivazione, maggiore è la velocità di reazione. Ad esempio, nelle reazioni tra cationi e anioni, l'energia di attivazione è molto bassa, quindi tali reazioni avvengono quasi istantaneamente

Influenza catalizzatrice

Uno dei mezzi più efficaci per influenzare la velocità delle reazioni chimiche è l'uso di catalizzatori. A atalizzatori - Si tratta di sostanze che modificano la velocità di una reazione, ma alla fine del processo rimangono invariate nella composizione e nella massa. In altre parole, al momento della reazione stessa, il catalizzatore è attivamente coinvolto nel processo chimico, ma alla fine della reazione i reagenti cambiano la loro composizione chimica, trasformandosi in prodotti, e il catalizzatore viene rilasciato nella sua forma originale . Tipicamente, il ruolo di un catalizzatore è quello di aumentare la velocità di una reazione, sebbene alcuni catalizzatori rallentino il processo anziché accelerarlo. Viene chiamato il fenomeno dell'accelerazione delle reazioni chimiche dovuta alla presenza di catalizzatori catalisi, e rallentamenti - inibizione.

Alcune sostanze non hanno un effetto catalitico, ma la loro aggiunta aumenta notevolmente la capacità catalitica dei catalizzatori. Tali sostanze sono chiamate promotori. Altre sostanze (veleni catalitici) riducono o addirittura bloccano completamente l'azione dei catalizzatori, viene chiamato questo processo avvelenamento del catalizzatore.

Esistono due tipi di catalisi: omogeneo E eterogeneo. A catalisi omogenea i reagenti, i prodotti e il catalizzatore formano una fase (gas o liquido). In questo caso non vi è alcuna interfaccia tra il catalizzatore ed i reagenti.

Peculiarità catalisi eterogeneaè che i catalizzatori (solitamente solidi) si trovano in uno stato di fase diverso rispetto ai reagenti e ai prodotti della reazione. La reazione solitamente si sviluppa sulla superficie di un solido.

Nella catalisi omogenea si formano prodotti intermedi tra il catalizzatore e il reagente come risultato di una reazione con un'energia di attivazione inferiore. Nella catalisi eterogenea, l'aumento della velocità è spiegato dall'adsorbimento dei reagenti sulla superficie del catalizzatore. Di conseguenza, la loro concentrazione aumenta e la velocità di reazione aumenta.

Un caso speciale di catalisi è autocatalisi. Il suo significato è che un processo chimico viene accelerato da uno dei prodotti della reazione.

Sistemi. Ma questo valore non riflette la reale possibilità che si verifichi la reazione, la sua velocità e meccanismo.

Per comprendere appieno una reazione chimica, è necessario conoscere quali schemi temporali esistono durante la sua attuazione, ad es. velocità della reazione chimica e il suo meccanismo dettagliato. Studiare la velocità e il meccanismo della reazione cinetica chimica- la scienza del processo chimico.

Dal punto di vista della cinetica chimica, le reazioni possono essere classificate in semplice e complesso.

Reazioni semplici– processi che avvengono senza la formazione di composti intermedi. In base al numero di particelle che vi prendono parte, sono divise in monomolecolare, bimolecolare, trimolecolare. La collisione di più di 3 particelle è improbabile, quindi le reazioni trimolecolari sono piuttosto rare e le reazioni quadrimolecolari sono sconosciute. Reazioni complesse– processi costituiti da più reazioni elementari.

Qualsiasi processo procede alla sua velocità intrinseca, che può essere determinata dai cambiamenti che si verificano in un certo periodo di tempo. Media velocità della reazione chimica espresso modificando la quantità di sostanza N sostanza consumata o ricevuta per unità di volume V per unità di tempo t.

υ = ± d.n/ dt· V

Se una sostanza si consuma, allora mettiamo il segno “-”; se si accumula, mettiamo il segno “+”.

A volume costante:

υ = ± d.C/ dt,

Unità di velocità di reazione mol/l s

In generale, υ è un valore costante e non dipende da quale sostanza partecipa alla reazione che stiamo monitorando.

La dipendenza della concentrazione di un reagente o di un prodotto dal tempo di reazione è presentata nel modulo curva cinetica, che assomiglia a:

È più conveniente calcolare υ dai dati sperimentali se le espressioni precedenti vengono trasformate nella seguente espressione:

Legge dell'azione di massa. Ordine e costante di velocità della reazione

Una delle formulazioni legge dell’azione di massa suona così: La velocità di una reazione chimica elementare omogenea è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni dei reagenti.

Se il processo in studio è rappresentato nella forma:

a A + b B = prodotti

quindi è possibile esprimere la velocità di una reazione chimica equazione cinetica:

υ = k [A] a [B] b O

υ = k·C a A ·C b B

Qui [ UN] E [B] (CIRCA ECB) - concentrazioni di reagenti,

un eB– coefficienti stechiometrici di una reazione semplice,

K– costante di velocità di reazione.

Significato chimico della quantità K- Questo reazione veloce a singole concentrazioni. Cioè, se le concentrazioni delle sostanze A e B sono uguali a 1, allora υ = K.

Va tenuto presente che nei processi chimici complessi i coefficienti un eB non coincidono con quelli stechiometrici.

La legge dell’azione di massa è soddisfatta se sono soddisfatte alcune condizioni:

• La reazione viene attivata termicamente, cioè energia del moto termico.
• La concentrazione dei reagenti è distribuita uniformemente.
• Le proprietà e le condizioni dell'ambiente non cambiano durante il processo.
• Le proprietà dell'ambiente non dovrebbero influenzare K.

A processi complessi legge dell’azione di massa non può essere applicato. Ciò può essere spiegato dal fatto che processo difficileè costituito da diversi stadi elementari e la sua velocità non sarà determinata dalla velocità totale di tutti gli stadi, ma solo da uno stadio più lento, chiamato limitante.

Ogni reazione ha la sua ordine. Definire ordine privato (parziale). per reagente e ordine generale (completo).. Ad esempio, nell'esprimere la velocità di una reazione chimica per un processo

a A + b B = prodotti

υ = K·[ UN] UN·[ B] B

UN– ordine per reagente UN

B — ordine per reagente IN

Procedura generale UN + B = N

Per processi semplici l'ordine di reazione indica il numero di specie reagenti (coincide con i coefficienti stechiometrici) e assume valori interi. Per processi complessi l'ordine della reazione non coincide con i coefficienti stechiometrici e può essere qualsiasi.

Determiniamo i fattori che influenzano la velocità della reazione chimica υ.

1. Dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione dei reagenti

   determinato dalla legge dell’azione di massa: υ = K[ UN] UN·[ B] B

È ovvio che all'aumentare della concentrazione delle sostanze reagenti, υ aumenta, perché aumenta il numero di collisioni tra le sostanze che partecipano al processo chimico. Inoltre, è importante tenere conto dell'ordine della reazione: se lo è n=1 per alcuni reagenti, la sua velocità è direttamente proporzionale alla concentrazione di questa sostanza. Se per qualsiasi reagente n=2, quindi raddoppiando la sua concentrazione porterà ad un aumento della velocità di reazione di 2 2 = 4 volte, e aumentando la concentrazione di 3 volte accelererà la reazione di 3 2 = 9 volte.