Изучаването на скоростта на химичната реакция и условията, влияещи върху нейната промяна, е една от областите на физичната химия - химическата кинетика. Тя също така разглежда механизмите на тези реакции и тяхната термодинамична валидност. Тези изследвания са важни не само за научни цели, но и за контролиране на взаимодействието на компонентите в реакторите при производството на всякакви вещества.
Концепцията за скорост в химията
Скорост на реакцията обикновено се нарича определена промяна в концентрациите на съединенията, които са влезли в реакцията (ΔС) за единица време (Δt). Математическата формула за скоростта на химическа реакция е както следва:
ᴠ=±ΔC/Δt.
Скоростта на реакцията се измерва в mol/l∙s, ако се прояви в целия обем (тоест реакцията е хомогенна) и в mol/m2∙s ако взаимодействието протича на повърхността, разделяща фазите (тоест реакцията е хетерогенна). Знакът „–“във формулата се отнася до промяна в стойностите на концентрациите на изходните реагенти, а знакът „+“се отнася до променящите се стойности на концентрациите на продуктите от същата реакция.
Примери за реакции с различни темпове
Химическите взаимодействия могат да възникнат с различна скорост. По този начин скоростта на растеж на сталактитите, тоест образуването на калциев карбонат, е само 0,5 mm на 100 години. Някои биохимични реакции са бавни, като фотосинтеза и протеинов синтез. Корозията на металите протича с доста ниска скорост.
Реакциите, които изискват един до няколко часа, могат да се характеризират със средна скорост. Пример за това е готвенето, което е придружено от разлагане и трансформация на съединенията, съдържащи се в продуктите. Синтезът на отделни полимери изисква нагряване на реакционната смес за определено време.
Пример за химични реакции, чиято скорост е доста висока, може да служи като реакция на неутрализация, взаимодействие на натриев бикарбонат с разтвор на оцетна киселина, придружено от отделяне на въглероден диоксид. Можем да споменем и взаимодействието на бариев нитрат с натриев сулфат, при което се наблюдава утайка от неразтворим бариев сулфат.
Голям брой реакции могат да продължат със светкавична скорост и са придружени от експлозия. Класически пример е взаимодействието на калий с вода.
Фактори, влияещи върху скоростта на химическа реакция
Заслужава да се отбележи, че едни и същи вещества могат да реагират помежду си с различна скорост. Така, например, смес от газообразен кислород и водород може да не показва признаци на взаимодействие за доста дълго време, но когаторазклащайки контейнера или го удряйки, реакцията става експлозивна. Следователно химическата кинетика идентифицира определени фактори, които имат способността да влияят върху скоростта на химическата реакция. Те включват:
- естество на взаимодействащите вещества;
- концентрация на реагентите;
- промяна на температурата;
- наличие на катализатор;
- промяна на налягането (за газообразни вещества);
- областта на контакт на веществата (ако говорим за хетерогенни реакции).
Влияние на естеството на материята
Такава значителна разлика в скоростта на химичните реакции се обяснява с различни енергии на активиране (Eа). Тя се разбира като определено излишно количество енергия в сравнение със средната й стойност, необходима на молекула по време на сблъсък, за да се осъществи реакция. Измерва се в kJ / mol и стойностите обикновено са в диапазона от 50-250.
Общоприето е, че ако Ea=150 kJ/mol за някаква реакция, тогава при n. г. практически не тече. Тази енергия се изразходва за преодоляване на отблъскването между молекулите на веществата и за отслабване на връзките в изходните вещества. С други думи, енергията на активиране характеризира силата на химичните връзки в веществата. По стойността на енергията на активиране можете предварително да оцените скоростта на химическа реакция:
- Ea<
- 40<Ea<120, предполагаемо среднореакция, тъй като само половината от сблъсъците на молекули ще бъдат ефективни (например реакцията на цинк със солна киселина);
- Ea>120, само много малка част от сблъсъците на частиците ще доведат до реакция и скоростта й ще бъде ниска.
Влияние на концентрацията
Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията се характеризира най-точно със закона за масовото действие (LMA), който гласи:
Скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, чиито стойности са взети в степени, съответстващи на техните стехиометрични коефициенти.
Този закон е подходящ за елементарни едноетапни реакции или всеки етап от взаимодействието на вещества, характеризиращи се със сложен механизъм.
Ако искате да определите скоростта на химическа реакция, чието уравнение може условно да бъде записано като:
αА+ bB=ϲС, тогава
съгласно горната формулировка на закона, скоростта може да се намери по уравнението:
V=k·[A]a·[B]b, където
a и b са стехиометрични коефициенти, [A] и [B] – концентрации на изходни съединения, k е скоростната константа на разглежданата реакция.
Значението на коефициента на скорост на химическа реакция е, че неговата стойност ще бъде равна на скоростта, ако концентрациите на съединенията са равни на единици. Трябва да се отбележи, че за правилното изчисление по тази формула е необходимо да се вземе предвид агрегатното състояние на реагентите. Твърда концентрациявеществата се приемат равни на единица и не се включват в уравнението, тъй като то остава постоянно по време на реакцията. По този начин само концентрациите на течни и газообразни вещества се включват в изчислението съгласно MDM. Така че, за реакцията на получаване на силициев диоксид от прости вещества, описана с уравнението
Si(tv)+ Ο2(g)=SiΟ2(tv), скоростта ще се определя по формулата:
V=k·[Ο2].
Типична задача
Как би се променила скоростта на химическата реакция на азотния монооксид с кислорода, ако концентрациите на изходните съединения се удвоят?
Решение: Този процес съответства на уравнението на реакцията:
2ΝΟ + Ο2=2ΝΟ2.
Напишете изразите за началната (ᴠ1) и крайната (ᴠ2) скорост на реакция:
ᴠ1=k·[ΝΟ]2·[Ο2] и
ᴠ2=k·(2·[ΝΟ])2·2·[Ο2]=k 4[ΝΟ]2 2[Ο2].
След това отделете лявата и дясната част:
ᴠ1/ᴠ2 =(k 4[ΝΟ]2 2[Ο2]) / (k·[ΝΟ]2·[Ο2]).
Стойностите на концентрация и скоростните константи се намаляват, оставяйки:
ᴠ2/ᴠ1 =4 2/1=8.
Отговор: увеличено 8 пъти.
Температурен ефект
Зависимост на скоростта на химическа реакция оттемпературата е определена емпирично от холандския учен J. H. Van't Hoff. Той откри, че скоростта на много реакции се увеличава с коефициент 2-4 с всеки 10 градуса повишаване на температурата. Има математически израз за това правило, който изглежда така:
ᴠ2 =ᴠ1 γ(Τ2-Τ1)/10, където
ᴠ1 и ᴠ2 са съответните скорости при температури Τ1 и Τ2;
γ - температурен коефициент, равен на 2–4.
В същото време това правило не обяснява механизма на влиянието на температурата върху стойността на скоростта на дадена реакция и не описва целия набор от модели. Логично е да се заключи, че с повишаване на температурата хаотичното движение на частиците се увеличава и това провокира по-голям брой техни сблъсъци. Това обаче не се отразява особено на ефективността на молекулярните сблъсъци, тъй като зависи главно от енергията на активиране. Също така, значителна роля в ефективността на сблъсъка на частиците има тяхното пространствено съответствие една с друга.
Зависимостта на скоростта на химическата реакция от температурата, като се вземе предвид естеството на реагентите, се подчинява на уравнението на Арениус:
k=A0 e-Ea/RΤ, където
Ao – множител;
Eа – енергия за активиране.
Пример за проблем в закона за ван'т Хоф
Как трябва да се промени температурата, така че скоростта на химическа реакция, чийто температурен коефициент е числово равен на 3, да се увеличи 27 пъти?
Решение. Нека използваме формулата
ᴠ2 =ᴠ1 γ(Τ2-Τ1)/10.
От условието ᴠ2/ᴠ1 =27 и γ=3. Трябва да намерите ΔΤ=Τ2–Τ1.
Преобразувайки оригиналната формула, получаваме:
V2/V1=γΔΤ/10.
Заместващи стойности: 27=3ΔΤ/10.
От тук става ясно, че ΔΤ/10=3 и ΔΤ=30.
Отговор: температурата трябва да се увеличи с 30 градуса.
Влияние на катализаторите
Във физическата химия скоростта на химичните реакции също се изучава активно от раздел, наречен катализа. Той се интересува как и защо относително малки количества от определени вещества значително повишават скоростта на взаимодействие на други. Веществата, които могат да ускорят реакцията, но сами по себе си не се консумират, се наричат катализатори.
Доказано е, че катализаторите променят механизма на самото химическо взаимодействие, допринасят за появата на нови преходни състояния, които се характеризират с по-ниски височини на енергийната бариера. Тоест, те допринасят за намаляване на енергията на активиране, а оттам и за увеличаване на броя на ефективните удари на частици. Катализаторът не може да предизвика реакция, която е енергийно невъзможна.
Така че водородният прекис може да се разложи, за да образува кислород и вода:
N2Ο2=N2Ο + Ο 2.
Но тази реакция е много бавна и в нашите аптечки тя съществува непромененаизглед от доста време. Отваряйки само много стари флакони с пероксид, можете да видите малко пукане, причинено от налягането на кислорода върху стените на съда. Добавянето на само няколко зърна магнезиев оксид ще провокира активно отделяне на газ.
Същата реакция на разлагане на пероксид, но под действието на каталаза, се получава при третиране на рани. В живите организми има много различни вещества, които увеличават скоростта на биохимичните реакции. Те се наричат ензими.
Инхибиторите имат обратен ефект върху хода на реакциите. Това обаче не винаги е лошо. Инхибиторите се използват за защита на металните изделия от корозия, за удължаване на срока на годност на храната, например за предотвратяване на окисляване на мазнини.
Зона за контакт с вещество
В случай, че взаимодействието се случва между съединения с различни агрегатни състояния или между вещества, които не са в състояние да образуват хомогенна среда (несмесващи се течности), тогава този фактор също влияе значително върху скоростта на химическата реакция. Това се дължи на факта, че хетерогенните реакции се извършват директно на границата между фазите на взаимодействащите вещества. Очевидно, колкото по-широка е тази граница, толкова повече частици имат възможност да се сблъскат и толкова по-бърза е реакцията.
Например дървесината под формата на малки стърготини изгаря много по-бързо, отколкото под формата на труп. За същата цел много твърди вещества се смилат на фин прах, преди да се добавят към разтвор. И така, креда на прах (калциев карбонат) действа по-бързо със солна киселина,отколкото парче от същата маса. Въпреки това, освен че увеличава площта, тази техника води и до хаотично счупване на кристалната решетка на веществото, което означава, че повишава реактивността на частиците.
Математически скоростта на хетерогенна химична реакция се намира като промяна в количеството вещество (Δν), което се случва за единица време (Δt) на единица повърхност
(S): V=Δν/(S Δt).
Влияние на налягането
Промяната в налягането в системата има ефект само когато в реакцията участват газове. Увеличаването на налягането се придружава от увеличаване на молекулите на веществото на единица обем, тоест концентрацията му се увеличава пропорционално. Обратно, намаляването на налягането води до еквивалентно намаляване на концентрацията на реагента. В този случай формулата, съответстваща на ZDM, е подходяща за изчисляване на скоростта на химическа реакция.
Задача. Как ще бъде скоростта на реакцията, описана от уравнението
2ΝΟ + Ο2=2ΝΟ2, ако обемът на затворена система се намали три пъти (T=const)?
Решение. С намаляване на обема налягането се увеличава пропорционално. Нека напишем изразите за началната (V1) и крайната (V2) скорости на реакция:
V1 =k·[NΟ]2·[Ο2] и
V2 =k·(3·[NΟ])2 3·[Ο2]=k 9[ΝΟ]2 3[Ο2].
За да разберете колко пъти новата скорост е по-голямапървоначално, трябва да разделите лявата и дясната част на израза:
V1/V2 =(k 9[ΝΟ]2· 3 [Ο2]) / (k·[ΝΟ]2·[Ο2]).
Стойностите на концентрация и скоростните константи се намаляват, оставяйки:
V2/V1 =9 3/1=27.
Отговор: скоростта се е увеличила 27 пъти.
Обобщавайки, трябва да се отбележи, че скоростта на взаимодействие на веществата, или по-скоро броят и качеството на сблъсъците на техните частици, се влияе от много фактори. На първо място, това е енергията на активиране и геометрията на молекулите, които са почти невъзможни за коригиране. Що се отнася до останалите условия, за увеличаване на скоростта на реакция следва:
- увеличете температурата на реакционната среда;
- увеличете концентрацията на изходните съединения;
- увеличете налягането в системата или намалете нейния обем, когато става въпрос за газове;
- привеждане на различни вещества до едно агрегатно състояние (например чрез разтваряне във вода) или увеличаване на площта на техния контакт.
