Ο ρυθμός αντίδρασης είναι μια τιμή που δείχνει τη μεταβολή στη συγκέντρωση των αντιδρώντων σε μια χρονική περίοδο. Για να εκτιμηθεί το μέγεθός του, είναι απαραίτητο να αλλάξουμε τις αρχικές συνθήκες της διαδικασίας.
Ομογενείς αλληλεπιδράσεις
Ο ρυθμός αντίδρασης μεταξύ ορισμένων ενώσεων που βρίσκονται στην ίδια συσσωματωμένη μορφή εξαρτάται από τον όγκο των ουσιών που λαμβάνονται. Από μαθηματική άποψη, είναι δυνατό να εκφραστεί η σχέση μεταξύ του ρυθμού μιας ομοιογενούς διαδικασίας και της μεταβολής της συγκέντρωσης ανά μονάδα χρόνου.
Ένα παράδειγμα τέτοιας αλληλεπίδρασης είναι η οξείδωση του μονοξειδίου του αζώτου (2) σε μονοξείδιο του αζώτου (4).
Ετερογενείς διεργασίες
Ο ρυθμός αντίδρασης για τις αρχικές ουσίες σε διαφορετικές καταστάσεις συσσωμάτωσης χαρακτηρίζεται από τον αριθμό των γραμμομορίων αντιδραστηρίων έναρξης ανά μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου.
Οι ετερογενείς αλληλεπιδράσεις είναι χαρακτηριστικές συστημάτων που έχουν διαφορετικές συγκεντρωτικές καταστάσεις.
Συνοψίζοντας, σημειώνουμε ότι ο ρυθμός αντίδρασης δείχνει την αλλαγή στον αριθμό των γραμμομορίων των αρχικών αντιδραστηρίων (προϊόντα αντίδρασης) γιαχρονική περίοδο, ανά μονάδα διεπαφής ή ανά μονάδα όγκου.
Συγκέντρωση
Ας εξετάσουμε τους κύριους παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης. Ας ξεκινήσουμε με τη συγκέντρωση. Μια τέτοια εξάρτηση εκφράζεται από το νόμο της μαζικής δράσης. Υπάρχει μια ευθέως ανάλογη σχέση μεταξύ του προϊόντος των συγκεντρώσεων των ουσιών που αλληλεπιδρούν, λαμβανομένων ως προς τους στερεοχημικούς συντελεστές τους, και της ταχύτητας της αντίδρασης.
Θεωρήστε την εξίσωση aA + bB=cC + dD, όπου τα A, B, C, D είναι υγρά ή αέρια. Για την παραπάνω διαδικασία, η κινητική εξίσωση μπορεί να γραφτεί λαμβάνοντας υπόψη τον συντελεστή αναλογικότητας, ο οποίος έχει τη δική του τιμή για κάθε αλληλεπίδραση.
Ως κύριος λόγος για την αύξηση της ταχύτητας, μπορεί κανείς να σημειώσει την αύξηση του αριθμού των συγκρούσεων των αντιδρώντων σωματιδίων ανά μονάδα όγκου.
Θερμοκρασία
Εξετάστε την επίδραση της θερμοκρασίας στον ρυθμό αντίδρασης. Διεργασίες που συμβαίνουν σε ομοιογενή συστήματα είναι δυνατές μόνο όταν τα σωματίδια συγκρούονται. Αλλά δεν οδηγούν όλες οι συγκρούσεις στο σχηματισμό προϊόντων αντίδρασης. Μόνο στην περίπτωση που τα σωματίδια έχουν αυξημένη ενέργεια. Όταν τα αντιδραστήρια θερμαίνονται, παρατηρείται αύξηση της κινητικής ενέργειας των σωματιδίων, ο αριθμός των ενεργών μορίων αυξάνεται, επομένως, παρατηρείται αύξηση του ρυθμού αντίδρασης. Η σχέση μεταξύ του δείκτη θερμοκρασίας και του ρυθμού διεργασίας καθορίζεται από τον κανόνα van't Hoff: κάθε αύξηση θερμοκρασίας κατά 10°C οδηγεί σε αύξηση του ρυθμού διεργασίας κατά 2-4 φορές.
Catalyst
Λαμβάνοντας υπόψη τους παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης, ας εστιάσουμε σε ουσίες που μπορούν να αυξήσουν την ταχύτητα της διαδικασίας, δηλαδή στους καταλύτες. Ανάλογα με την κατάσταση συσσωμάτωσης του καταλύτη και των αντιδρώντων, διακρίνονται διάφοροι τύποι κατάλυσης:
- ομοιογενής μορφή, στην οποία τα αντιδρώντα και ο καταλύτης έχουν την ίδια κατάσταση συσσωμάτωσης,
- ετερογενές όταν τα αντιδρώντα και ο καταλύτης βρίσκονται στην ίδια φάση.
Το νικέλιο, η πλατίνα, το ρόδιο, το παλλάδιο μπορούν να διακριθούν ως παραδείγματα ουσιών που επιταχύνουν τις αλληλεπιδράσεις.
Οι αναστολείς είναι ουσίες που επιβραδύνουν μια αντίδραση.
Περιοχή επικοινωνίας
Τι άλλο καθορίζει τον ρυθμό αντίδρασης; Η Χημεία χωρίζεται σε διάφορα τμήματα, καθένα από τα οποία ασχολείται με την εξέταση ορισμένων διεργασιών και φαινομένων. Το μάθημα της φυσικής χημείας εξετάζει τη σχέση μεταξύ της περιοχής επαφής και της ταχύτητας της διαδικασίας.
Για να αυξηθεί η περιοχή επαφής των αντιδραστηρίων, συνθλίβονται σε ένα ορισμένο μέγεθος. Η ταχύτερη αλληλεπίδραση συμβαίνει σε διαλύματα, γι' αυτό πολλές αντιδράσεις πραγματοποιούνται σε υδατικό μέσο.
Κατά την άλεση στερεών, πρέπει να τηρείτε το μέτρο. Για παράδειγμα, όταν ο πυρίτης (θειώδης σίδηρος) μετατρέπεται σε σκόνη, τα σωματίδια του πυροσυσσωματώνονται σε έναν κλίβανο, γεγονός που επηρεάζει αρνητικά τον ρυθμό της διαδικασίας οξείδωσης αυτής της ένωσης και η απόδοση διοξειδίου του θείου μειώνεται.
Αντιδραστήρια
Ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε πώς να προσδιορίσουμε τον ρυθμό αντίδρασης ανάλογα με τα αντιδραστήρια που αλληλεπιδρούν; Για παράδειγμα, τα ενεργά μέταλλα που βρίσκονται στην ηλεκτροχημική σειρά Beketov πριν από το υδρογόνο μπορούν να αλληλεπιδρούν με διαλύματα οξέος και αυτά που βρίσκονται μετά το H2 δεν έχουν τέτοια ικανότητα. Ο λόγος για αυτό το φαινόμενο έγκειται στη διαφορετική χημική δραστηριότητα των μετάλλων.
Πίεση
Πώς σχετίζεται ο ρυθμός αντίδρασης με αυτήν την τιμή; Η χημεία είναι μια επιστήμη που σχετίζεται στενά με τη φυσική, επομένως η εξάρτηση είναι ευθέως ανάλογη, ρυθμίζεται από νόμους των αερίων. Υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ των ποσοτήτων. Και για να κατανοήσουμε ποιος νόμος καθορίζει τον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε την κατάσταση συσσωμάτωσης και τη συγκέντρωση των αντιδραστηρίων.
Τύποι ταχυτήτων στη χημεία
Συνηθίζεται να ξεχωρίζουμε στιγμιαίες και μέσες τιμές. Ο μέσος ρυθμός χημικής αλληλεπίδρασης ορίζεται ως η διαφορά στις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων σε μια χρονική περίοδο.
Η τιμή που λαμβάνεται είναι αρνητική όταν η συγκέντρωση μειώνεται, θετική όταν αυξάνεται η συγκέντρωση των προϊόντων αλληλεπίδρασης.
Η αληθινή (στιγμιαία) τιμή είναι ένας τέτοιος λόγος σε μια συγκεκριμένη μονάδα χρόνου.
Στο σύστημα SI, ο ρυθμός μιας χημικής διεργασίας εκφράζεται σε [mol×m-3×s-1].
Προβλήματα στη χημεία
Ας δούμε μερικά παραδείγματα προβλημάτων που σχετίζονται με τον προσδιορισμό ταχύτητας.
Παράδειγμα 1. Σετο χλώριο και το υδρογόνο αναμιγνύονται σε ένα δοχείο και στη συνέχεια το μείγμα θερμαίνεται. Μετά από 5 δευτερόλεπτα, η συγκέντρωση του υδροχλωρίου απέκτησε τιμή 0,05 mol/dm3. Υπολογίστε τον μέσο ρυθμό σχηματισμού υδροχλωρίου (mol/dm3 s).
Είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η αλλαγή στη συγκέντρωση του υδροχλωρίου 5 δευτερόλεπτα μετά την αλληλεπίδραση, αφαιρώντας την αρχική τιμή από την τελική συγκέντρωση:
C(HCl)=c2 - c1=0,05 - 0=0,05 mol/dm3.
Υπολογισμός του μέσου ρυθμού σχηματισμού υδροχλωρίου:
V=0,05/5=0,010 mol/dm3 ×s.
Παράδειγμα 2. Σε ένα δοχείο με όγκο 3 dm3, συμβαίνει η ακόλουθη διαδικασία:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
Η αρχική μάζα υδρογόνου είναι 1 g. Δύο δευτερόλεπτα μετά την έναρξη της αλληλεπίδρασης, η μάζα του υδρογόνου έχει αποκτήσει τιμή 0,4 g. Υπολογίστε τον μέσο ρυθμό παραγωγής αιθανίου (mol/dm 3×s).
Η μάζα του υδρογόνου που αντέδρασε ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ της αρχικής τιμής και του τελικού αριθμού. Είναι 1 - 0,4=0,6 (g). Για να προσδιορίσετε τον αριθμό των γραμμομορίων υδρογόνου, είναι απαραίτητο να το διαιρέσετε με τη μοριακή μάζα ενός δεδομένου αερίου: n \u003d 0,6/2 \u003d 0,3 mol. Σύμφωνα με την εξίσωση, 1 mole αιθανίου σχηματίζεται από 2 mole υδρογόνου, επομένως, από 0,3 mole H2 παίρνουμε 0,15 mole αιθανίου.
Προσδιορίστε τη συγκέντρωση του υδρογονάνθρακα που προκύπτει, παίρνουμε 0,05 mol/dm3. Στη συνέχεια, μπορείτε να υπολογίσετε το μέσο ρυθμό σχηματισμού του:=0,025 mol/dm3 ×s.
Συμπέρασμα
Διάφοροι παράγοντες επηρεάζουν τον ρυθμό της χημικής αλληλεπίδρασης: η φύση των αντιδρώντων ουσιών (ενέργεια ενεργοποίησης), η συγκέντρωσή τους, η παρουσία καταλύτη, ο βαθμός λείανσης, η πίεση, ο τύπος ακτινοβολίας.
Στο δεύτερο μισό του δέκατου ένατου αιώνα, ο καθηγητής N. N. Beketov πρότεινε ότι υπάρχει σύνδεση μεταξύ των μαζών των αρχικών αντιδραστηρίων και της διάρκειας της διαδικασίας. Αυτή η υπόθεση επιβεβαιώθηκε στο νόμο της μαζικής δράσης, που θεσπίστηκε το 1867 από τους Νορβηγούς χημικούς: P. Wage και K. Guldberg.
Η Φυσικοχημεία μελετά τον μηχανισμό και την ταχύτητα διαφόρων διεργασιών. Οι απλούστερες διεργασίες που συμβαίνουν σε ένα στάδιο ονομάζονται μονομοριακές διεργασίες. Οι σύνθετες αλληλεπιδράσεις περιλαμβάνουν πολλές στοιχειώδεις διαδοχικές αλληλεπιδράσεις, επομένως κάθε στάδιο εξετάζεται χωριστά.
Για να επιτευχθεί η μέγιστη απόδοση των προϊόντων αντίδρασης με ελάχιστο ενεργειακό κόστος, είναι σημαντικό να ληφθούν υπόψη οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την πορεία της διαδικασίας.
Για παράδειγμα, για να επιταχυνθεί η διαδικασία αποσύνθεσης του νερού σε απλές ουσίες, χρειάζεται ένας καταλύτης, τον ρόλο του οποίου επιτελεί το οξείδιο του μαγγανίου (4).
Όλες οι αποχρώσεις που σχετίζονται με την επιλογή των αντιδραστηρίων, την επιλογή της βέλτιστης πίεσης και θερμοκρασίας, τη συγκέντρωση των αντιδραστηρίων λαμβάνονται υπόψη στη χημική κινητική.
