· Stała szybkości reakcji k zależy od rodzaju reagentów, temperatury i katalizatora, ale nie zależy od wartości
stężenia odczynników.
Fizyczne znaczenie stałej szybkości jest takie, że jest ona równa szybkości reakcji przy jednostkowych stężeniach reagentów.
W przypadku reakcji heterogenicznych stężenie fazy stałej nie jest uwzględniane w wyrażeniu szybkości reakcji.
· Prawo mas działających ustala stosunek mas reagentów w reakcjach chemicznych w
równowaga, a także zależność szybkości reakcji chemicznej od stężenia substancji wyjściowych.
Energia aktywacji reakcji chemicznej. aktywne cząsteczki. aktywowany kompleks.
· Energia aktywacji w chemii- minimalna ilość energii, którą należy przekazać układowi (w chemii
wyrażona w dżulach na mol), aby reakcja zaszła. Termin został wprowadzony przez Svante Augusta Arrheniusa w 1889 roku. Typowym oznaczeniem energii reakcji jest Ea.
W modelu chemicznym tzw Aktywna teoria zderzeń(TAC), aby reakcja mogła zajść, muszą zostać spełnione trzy warunki:
- Cząsteczki muszą się zderzyć. Jest to ważny warunek, ale niewystarczający, ponieważ podczas zderzenia niekoniecznie nastąpi reakcja.
- Cząsteczki muszą mieć niezbędną energię (energię aktywacji). W trakcie reakcji chemicznej oddziałujące cząsteczki muszą przejść przez stan pośredni, który może mieć wyższą energię. Oznacza to, że cząsteczki muszą pokonać barierę energetyczną; jeśli tak się nie stanie, reakcja nie rozpocznie się.
Cząsteczki muszą być odpowiednio zorientowane względem siebie.
W niskiej (dla danej reakcji) temperaturze większość cząsteczek ma energię mniejszą niż energia aktywacji i nie jest w stanie pokonać bariery energetycznej. Jednak w substancji zawsze będą znajdować się pojedyncze cząsteczki, których energia jest znacznie wyższa niż średnia. Nawet w niskich temperaturach większość reakcji nadal zachodzi. Zwiększenie temperatury umożliwia zwiększenie proporcji cząsteczek o energii wystarczającej do pokonania bariery energetycznej. Zwiększa to szybkość reakcji.
· Aktywne rodniki Według jednej z teorii starzenia się organizmu, są przyczyną starzenia się. Powstają jako produkty uboczne
produkty różnych reakcji chemicznych zachodzących w organizmie i utleniają go. Dlatego konieczne jest jak najszybsze pozbycie się ich. Jednym ze sposobów jest przyjmowanie antyoksydantów, z którymi radzą sobie farmaceutyki. Te aktywne cząstki można również stosować jako roztwory dezynfekcyjne
· Aktywowany kompleks, zgrupowanie atomów w decydującym momencie elementarnego aktu reakcji chemicznej. Koncepcja
kompleks aktywowany jest szeroko stosowany w teorii szybkości reakcji chemicznych.
Pytanie nr 3
Od jakich czynników zależy stała szybkości reakcji chemicznej?
Stała szybkości reakcji (określona szybkość reakcji) jest współczynnikiem proporcjonalności w równaniu kinetycznym.
Fizyczne znaczenie stałej szybkości reakcji k wynika z równania prawa działania mas: k jest liczbowo równa szybkości reakcji przy stężeniu każdej z reagujących substancji równym 1 mol/l.
Stała szybkości reakcji zależy od temperatury, rodzaju reagentów, obecności katalizatora w układzie, ale nie zależy od ich stężenia.
1. Temperatura. Na każde 10°C wzrostu temperatury szybkość reakcji wzrasta 2-4 razy (reguła van't Hoffa). Gdy temperatura wzrasta od t1 do t2, zmianę szybkości reakcji można obliczyć ze wzoru: (t2 - t1) / 10 Vt2 / Vt1 = g (gdzie Vt2 i Vt1 to szybkości reakcji odpowiednio w temperaturach t2 i t1; g jest współczynnikiem temperaturowym tej reakcji). Reguła Van't Hoffa ma zastosowanie tylko w wąskim zakresie temperatur. Dokładniejsze jest równanie Arrheniusa: k = A e –Ea/RT gdzie A jest stałą zależną od charakteru reagentów; R jest uniwersalną stałą gazową; Ea to energia aktywacji, czyli energia, jaką muszą posiadać zderzające się cząsteczki, aby zderzenie doprowadziło do przemiany chemicznej. Wykres energetyczny reakcji chemicznej. Reakcja egzotermiczna Reakcja endotermiczna A - reagenty, B - kompleks aktywowany (stan przejściowy), C - produkty. Im wyższa energia aktywacji Ea, tym bardziej szybkość reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. 2. Powierzchnia kontaktu substancji reagujących. W przypadku układów heterogenicznych (gdy substancje znajdują się w różnych stanach skupienia) im większa powierzchnia styku, tym szybciej przebiega reakcja. Powierzchnię ciał stałych można zwiększyć poprzez ich rozdrobnienie, a w przypadku substancji rozpuszczalnych poprzez ich rozpuszczenie. 3. Kataliza. Substancje biorące udział w reakcjach i zwiększające ich prędkość, pozostając niezmienione po zakończeniu reakcji, nazywane są katalizatorami. Mechanizm działania katalizatorów związany jest ze spadkiem energii aktywacji reakcji na skutek tworzenia się związków pośrednich. W katalizie jednorodnej reagenty i katalizator tworzą jedną fazę (są w tym samym stanie skupienia), natomiast w katalizie heterogenicznej są to różne fazy (są w różnych stanach agregacji). W niektórych przypadkach przebieg niepożądanych procesów chemicznych można drastycznie spowolnić poprzez dodanie do środowiska reakcji inhibitorów (zjawisko „katalizy ujemnej”).
Pytanie nr 4
Sformułuj i zapisz prawo działania mas dla reakcji:
2 NO+O2=2NO2
PRAWO DZIAŁANIA MASY: Szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do iloczynu stężeń reagentów. dla reakcji 2NO + O2 · 2NO2 prawo działania masy zapiszemy następująco: v=kС2(NO)·С(O2), gdzie k jest stałą szybkości, zależną od charakteru reagentów i temperatury. Szybkość reakcji z udziałem ciał stałych zależy wyłącznie od stężenia gazów lub rozpuszczonych substancji: C + O2 \u003d CO2, v \u003d kCO2
Mechanizmy przemian chemicznych i ich szybkość bada się za pomocą kinetyki chemicznej. Procesy chemiczne zachodzą w czasie z różną szybkością. Niektóre dzieją się szybko, niemal natychmiast, podczas gdy inne wymagają bardzo długiego czasu.
W kontakcie z
Reakcja szybkościowa- szybkość, z jaką odczynniki są zużywane (ich stężenie maleje) lub powstają produkty reakcji na jednostkę objętości.
Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej
Następujące czynniki mogą mieć wpływ na szybkość wystąpienia reakcji chemicznej:
- stężenie substancji;
- charakter odczynników;
- temperatura;
- obecność katalizatora;
- ciśnienie (dla reakcji w środowisku gazowym).
Zatem zmieniając pewne warunki procesu chemicznego, możesz wpłynąć na szybkość jego przebiegu.
W procesie oddziaływania chemicznego cząsteczki reagujących substancji zderzają się ze sobą. Liczba takich koincydencji jest proporcjonalna do liczby cząstek substancji w objętości reagującej mieszaniny, a zatem proporcjonalna do stężeń molowych reagentów.
Prawo akcji masowej opisuje zależność szybkości reakcji od stężeń molowych substancji wchodzących w interakcję.
Dla reakcji elementarnej (A + B → ...) prawo to wyraża się wzorem:
υ = k ∙С ZA ∙С B,
gdzie k jest stałą szybkości; CA i C B to stężenia molowe odczynników A i B.
Jeśli jedna z reagujących substancji jest w stanie stałym, wówczas oddziaływanie zachodzi na granicy faz, dlatego też stężenie substancji stałej nie jest uwzględniane w równaniu kinetycznego prawa działania mas. Aby zrozumieć fizyczne znaczenie stałej szybkości, należy przyjąć, że C, A i C B są równe 1. Wtedy staje się jasne, że stała szybkości jest równa szybkości reakcji przy stężeniach reagentów równych jedności.
Charakter odczynników
Ponieważ podczas interakcji wiązania chemiczne reagujących substancji ulegają zniszczeniu i powstają nowe wiązania produktów reakcji, dużą rolę odegra charakter wiązań biorących udział w reakcji związków i struktura cząsteczek reagujących substancji .
Powierzchnia kontaktu odczynników
Taka cecha jak powierzchnia kontaktu stałych odczynników wpływa na przebieg reakcji, czasem dość znacząco. Mielenie ciała stałego pozwala na zwiększenie powierzchni kontaktu odczynników, a co za tym idzie przyspieszenie procesu. Powierzchnię kontaktu substancji rozpuszczalnych można łatwo zwiększyć poprzez rozpuszczenie substancji.
Temperatura reakcji
Wraz ze wzrostem temperatury wzrośnie energia zderzających się cząstek, oczywiste jest, że wraz ze wzrostem temperatury sam proces chemiczny ulegnie przyspieszeniu. Wyraźnym przykładem tego, jak wzrost temperatury wpływa na proces interakcji substancji, można uznać dane podane w tabeli.
Tabela 1. Wpływ zmian temperatury na szybkość tworzenia się wody (O 2 +2H 2 →2H 2 O)
Aby ilościowo opisać, jak temperatura może wpływać na szybkość interakcji substancji, stosuje się regułę Van't Hoffa. Zasada Van't Hoffa mówi, że gdy temperatura wzrośnie o 10 stopni, przyspieszenie następuje 2-4 razy.
Wzór matematyczny opisujący regułę van't Hoffa jest następujący:
Gdzie γ jest współczynnikiem temperaturowym szybkości reakcji chemicznej (γ = 2-4).
Ale równanie Arrheniusa znacznie dokładniej opisuje zależność stałej szybkości od temperatury:
Gdzie R jest uniwersalną stałą gazową, A jest współczynnikiem określonym przez rodzaj reakcji, E, A jest energią aktywacji.
Energia aktywacji to energia, którą cząsteczka musi pozyskać, aby nastąpiła przemiana chemiczna. Oznacza to, że jest to rodzaj bariery energetycznej, którą cząsteczki zderzające się w objętości reakcji będą musiały pokonać, aby dokonać redystrybucji wiązań.
Energia aktywacji nie zależy od czynników zewnętrznych, ale zależy od charakteru substancji. Wartość energii aktywacji wynosząca do 40 - 50 kJ/mol pozwala substancjom na dość aktywną reakcję ze sobą. Jeśli energia aktywacji przekracza 120 kJ/mol, wówczas substancje (w zwykłych temperaturach) będą reagować bardzo powoli. Zmiana temperatury powoduje zmianę liczby cząsteczek aktywnych, czyli takich, które osiągnęły energię większą od energii aktywacji, a zatem są zdolne do przemian chemicznych.
Działanie katalizatora
Katalizator to substancja, która może przyspieszyć proces, ale nie jest częścią jego produktów. Katalizę (przyspieszenie przemiany chemicznej) dzielimy na jednorodną i niejednorodną. Jeśli odczynniki i katalizator znajdują się w tym samym stanie skupienia, wówczas katalizę nazywa się jednorodną, jeśli w różnych stanach, to jest ona niejednorodna. Mechanizmy działania katalizatorów są różnorodne i dość złożone. Dodatkowo warto zaznaczyć, że katalizatory charakteryzują się selektywnością działania. Oznacza to, że ten sam katalizator, przyspieszając jedną reakcję, nie może zmieniać szybkości innej.
Ciśnienie
Jeżeli w przemianie biorą udział substancje gazowe, na szybkość procesu będą miały wpływ zmiany ciśnienia w układzie . Dzieje się tak, ponieważże w przypadku odczynników gazowych zmiana ciśnienia prowadzi do zmiany stężenia.
Eksperymentalne wyznaczanie szybkości reakcji chemicznej
Szybkość przemiany chemicznej można wyznaczyć eksperymentalnie, uzyskując dane o tym, jak zmienia się stężenie substancji lub produktów wchodzących do reakcji w jednostce czasu. Metody pozyskiwania takich danych dzielą się na
- chemiczny,
- fizyczne i chemiczne.
Metody chemiczne są dość proste, dostępne i dokładne. Za ich pomocą prędkość określa się poprzez bezpośredni pomiar stężenia lub ilości substancji reagentów lub produktów. W przypadku powolnej reakcji pobierane są próbki w celu monitorowania zużycia odczynnika. Następnie określa się zawartość odczynnika w próbce. Pobierając próbki w regularnych odstępach czasu, można uzyskać dane o zmianach ilości substancji w procesie interakcji. Najczęściej stosowanymi rodzajami analiz są miareczkowanie i grawimetria.
Jeśli reakcja przebiega szybko, należy ją zatrzymać w celu pobrania próbki. Można tego dokonać za pomocą chłodzenia, nagłe usunięcie katalizatora możliwe jest także rozcieńczenie lub przeniesienie jednego z odczynników do stanu niereaktywnego.
Metody analizy fizykochemicznej we współczesnej kinetyce doświadczalnej są stosowane częściej niż metody chemiczne. Za ich pomocą można w czasie rzeczywistym obserwować zmiany stężeń substancji. W takim przypadku nie ma potrzeby zatrzymywania reakcji i pobierania próbek.
Metody fizykochemiczne opierają się na pomiarze właściwości fizycznej, która zależy od ilościowej zawartości danego związku w układzie i zmienia się w czasie. Na przykład, jeśli w reakcji biorą udział gazy, wówczas taką właściwością może być ciśnienie. Mierzy się także przewodność elektryczną, współczynnik załamania światła i widma absorpcji substancji.
Ryż. 40. Zależność odwrotnego stężenia odczynnika od czasu dla reakcji drugiego rzędu
Ryż. 39. Zależność logarytmu stężenia odczynnika od czasu wystąpienia reakcji pierwszego rzędu
Ryż. 38. Zmiana stężenia substancji wyjściowej w czasie w reakcji pierwszego rzędu
Ryż. 37. Zmiana stężenia substancji wyjściowej w czasie w reakcji zerowego rzędu
Matematycznie tę zależność liniową można zapisać w następujący sposób
gdzie k jest stałą szybkości, C 0 jest początkowym stężeniem molowym odczynnika, C jest stężeniem w czasie t.
Można z niego wyprowadzić wzór na obliczenie stałej szybkości reakcji chemicznej zerowego rzędu.
Czy stałą szybkości rzędu zerowego mierzy się w mol/l? s (mol · l -1 · s -1).
Czas połowy konwersji dla reakcji zerowego rzędu jest proporcjonalny do stężenia materiału wyjściowego
Dla reakcji pierwszego rzędu krzywa kinetyczna we współrzędnych C,t ma charakter wykładniczy i wygląda następująco (Rys. 38) Matematycznie krzywa ta jest opisana równaniem
C = C 0 e - kt
W praktyce dla reakcji pierwszego rzędu krzywą kinetyczną najczęściej wykreśla się we współrzędnych lnC, t. W tym przypadku obserwuje się liniową zależność lnС od czasu (ryc. 39)
lnС = lnС 0 - kt
|
W związku z tym wartość stałej szybkości i czasu połowy konwersji można obliczyć za pomocą poniższych wzorów
k = ln lub k = 2,303lg
(przy przejściu z logarytmu dziesiętnego na logarytm naturalny).
Stała szybkości reakcji pierwszego rzędu ma wymiar t -1, tj. 1/s i nie zależy od jednostek stężenia. Pokazuje proporcję cząsteczek reagujących w jednostce czasu do całkowitej liczby cząsteczek odczynnika w systemie. Zatem w reakcjach pierwszego rzędu równe części pobranej ilości substancji wyjściowej są zużywane w równych okresach czasu.
Drugą charakterystyczną cechą reakcji pierwszego rzędu jest to, że t ½ dla nich nie zależy od początkowego stężenia odczynnika, ale zależy jedynie od stałej szybkości.
Postać równania na zależność stężenia od czasu dla reakcji drugiego rzędu rozważymy tylko w najprostszym przypadku, gdy w akcie elementarnym biorą udział 2 identyczne cząsteczki lub cząsteczki różnych substancji, ale ich początkowe stężenia (C 0) wynoszą równy. W tym przypadku obserwuje się liniową zależność we współrzędnych 1/C, t (rys. 40). Równanie matematyczne tej zależności zostanie zapisane w następujący sposób:
i jest mierzony w l·s-1·mol -1, tj. jego wartość liczbowa zależy od jednostek, w jakich mierzy się stężenie substancji.
Okres półtrwania reakcji drugiego rzędu jest odwrotnie proporcjonalny do początkowego stężenia odczynnika
Wynika to z faktu, że szybkość reakcji drugiego rzędu silnie zależy od liczby zderzeń między cząsteczkami reagujących substancji w jednostce czasu, co z kolei jest proporcjonalne do liczby cząsteczek na jednostkę objętości, tj. stężenie substancji. Zatem im większe stężenie substancji w układzie, tym częściej cząsteczki zderzają się ze sobą i im krótszy jest okres czasu, tym połowa z nich będzie miała czas na reakcję.
Reakcje trzeciego rzędu, jak wspomniano wcześniej, są niezwykle rzadkie i nie mają praktycznego znaczenia. Dlatego w związku z tym nie będziemy ich rozważać.
Stała szybkości reakcji (określona szybkość reakcji) - współczynnik proporcjonalności w równaniu kinetycznym.
Fizyczne znaczenie stałej szybkości reakcji k wynika z równania prawa działania mas: k liczbowo równa szybkości reakcji przy stężeniu każdego z reagentów równym 1 mol / l.
Stała szybkości reakcji zależy od temperatury, rodzaju reagentów i katalizatora, ale nie zależy od ich stężenia. Dla reakcji o postaci 2A+2B->3C+D szybkość tworzenia się produktów reakcji i szybkość zużycia reagentów można przedstawić jako: d[A]/(2*dt)=d[B]/ (2*dt)=d[C] /(3*dt)=d[D]/dt Zatem, aby uniknąć stosowania kilku form rejestrowania szybkości tej samej reakcji, stosuje się zmienną chemiczną określającą stopień reakcji i nie zależy od współczynników stechiometrycznych: ξ=(Δn) /ν gdzie ν jest współczynnikiem stechiometrycznym. Wtedy szybkość reakcji: v=(1/V)*dξ/dt gdzie V jest objętością układu.
Wymiar
Wymiar stałej szybkości reakcji zależy od rzędu reakcji. Jeśli stężenie reagentów mierzy się w mol l-1 (M):
- Dla reakcji pierwszego rzędu k ma wymiar c -1
- W przypadku reakcji drugiego rzędu k ma wymiar l mol −1 s −1 (lub M −1 s −1)
- W przypadku reakcji trzeciego rzędu k ma wymiar l 2 mol −2 s −1 (lub M −2 s −1)
Zobacz też
Napisz recenzję o artykule "Stała szybkość reakcji"
Notatki
Fragment charakteryzujący stałą szybkości reakcji
Lichaczow wstał, zaczął grzebać w plecakach i wkrótce Pietia usłyszał wojenny dźwięk stali uderzającej o blok. Wsiadł na ciężarówkę i usiadł na jej krawędzi. Kozak ostrzył szablę pod ciężarówką.- No cóż, chłopaki śpią? - powiedziała Pietia.
- Niektórzy śpią, a niektórzy tak.
- No i co z chłopcem?
- Czy to wiosna? Upadł tam, w przedpokoju. Śpi ze strachu. Naprawdę się ucieszyłem.
Przez długi czas Petya milczała, słuchając dźwięków. W ciemności rozległy się kroki i pojawiła się czarna postać.
- Co ostrzysz? – zapytał mężczyzna, podchodząc do ciężarówki.
- Ale naostrz szablę mistrza.
„Dobra robota” – powiedział mężczyzna, który wydał się Petyi huzarem. - Masz jeszcze filiżankę?
- A tam, za kierownicą.
Huzar wziął puchar.
„Prawdopodobnie niedługo będzie jasno” – powiedział ziewając i gdzieś odszedł.
Petya powinien był wiedzieć, że jest w lesie, w grupie Denisowa, milę od drogi, że siedzi na wozie zdobytym Francuzom, do którego przywiązane są konie, że pod nim siedzi Kozak Lichaczow i ostrzy jego szabla, że po prawej stronie była duża czarna plama, to wartownia, a jasnoczerwona plama poniżej, po lewej stronie, to dogasający ogień, że człowiek, który przyszedł po kubek, to huzar, który był spragniony; ale on nic nie wiedział i nie chciał wiedzieć. Znajdował się w magicznym królestwie, w którym nic nie przypominało rzeczywistości. Duża czarna plama, być może na pewno znajdowała się tu wartownia, a może była to jaskinia prowadząca w głąb ziemi. Czerwona plama mogła być ogniem, a może okiem wielkiego potwora. Może teraz na pewno siedzi na wozie, ale bardzo możliwe, że nie siedzi na wozie, ale na strasznie wysokiej wieży, z której gdyby spadł, to cały dzień, cały miesiąc by latał na ziemię - leć dalej i nigdy tam nie dosięgnij. Być może pod ciężarówką siedzi tylko Kozak Lichaczow, ale równie dobrze może się zdarzyć, że jest to najmilsza, najodważniejsza, najwspanialsza, najwspanialsza osoba na świecie, której nikt nie zna. Może to był po prostu huzar przechodzący po wodę i wchodzący do wąwozu, a może po prostu zniknął z pola widzenia i zniknął zupełnie, a go tam nie było.
