A reakciósebesség egy olyan érték, amely a reaktánsok koncentrációjának változását mutatja egy adott időszak alatt. A méretének becsléséhez meg kell változtatni a folyamat kezdeti feltételeit.
Hogén kölcsönhatások
Egyes, azonos aggregált formában lévő vegyületek reakciósebessége a felvett anyagok térfogatától függ. Matematikai szempontból ki lehet fejezni a kapcsolatot a homogén folyamat sebessége és az egységnyi idő alatt bekövetkező koncentráció változás között.
Példa erre a kölcsönhatásra a nitrogén-monoxid (2) nitrogén-monoxiddá (4) történő oxidációja.
Heterogén folyamatok
A különböző aggregáltsági állapotú kiindulási anyagok reakciósebességét a kiindulási reagensek területegységenkénti és időegységenkénti molszáma jellemzi.
A heterogén kölcsönhatások olyan rendszerekre jellemzőek, amelyek különböző halmazállapotúak.
Összefoglalva megjegyezzük, hogy a reakciósebesség a kezdeti reagensek (reakciótermékek) mólszámának változását mutatjaidőtartam, egységinterfészenként vagy térfogategységenként.
Koncentráció
Tekintsük a reakciósebességet befolyásoló fő tényezőket. Kezdjük a koncentrációval. Az ilyen függőséget a tömegcselekvés törvénye fejezi ki. Közvetlenül arányos összefüggés van a kölcsönhatásba lépő anyagok koncentrációjának sztereokémiai együtthatói alapján vett szorzata és a reakció sebessége között.
Tekintsük az aA + bB=cC + dD egyenletet, ahol A, B, C, D folyadékok vagy gázok. A fenti folyamathoz a kinetikai egyenlet felírható az arányossági együttható figyelembevételével, amelynek minden kölcsönhatásra saját értéke van.
A sebességnövekedés fő okaként megemlíthető az egységnyi térfogatra jutó reagáló részecskék ütközések számának növekedése.
Hőmérséklet
Tekintsük a hőmérséklet hatását a reakciósebességre. A homogén rendszerekben előforduló folyamatok csak részecskék ütközésekor lehetségesek. De nem minden ütközés vezet reakciótermékek képződéséhez. Csak abban az esetben, ha a részecskék energiája megnövekedett. A reagensek melegítésekor a részecskék kinetikus energiájának növekedése figyelhető meg, az aktív molekulák száma nő, ezért a reakciósebesség növekedése figyelhető meg. A hőmérsékleti index és a feldolgozási sebesség közötti összefüggést a van't Hoff-szabály határozza meg: minden 10°C-os hőmérséklet-emelkedés a folyamat sebességének 2-4-szeresét eredményezi.
Katalizátor
A reakciósebességet befolyásoló tényezőket figyelembe véve összpontosítsunk azokra az anyagokra, amelyek növelhetik a folyamat sebességét, vagyis a katalizátorokat. A katalizátor és a reagensek aggregációs állapotától függően a katalízis többféle típusát különböztetjük meg:
- homogén forma, amelyben a reagensek és a katalizátor azonos aggregációs állapotú;
- heterogén, ha a reagensek és a katalizátor ugyanabban a fázisban vannak.
A nikkel, platina, ródium és palládium példaként említhető a kölcsönhatásokat gyorsító anyagok között.
Az inhibitorok olyan anyagok, amelyek lelassítják a reakciót.
Kapcsolattartás
Mi határozza meg még a reakció sebességét? A kémia több részre oszlik, amelyek mindegyike bizonyos folyamatok és jelenségek figyelembevételével foglalkozik. A fizikai kémia tantárgy az érintkezési terület és a folyamat sebessége közötti kapcsolatot vizsgálja.
A reagensek érintkezési felületének növelése érdekében a reagenseket egy bizonyos méretre aprítják. A leggyorsabb kölcsönhatás az oldatokban megy végbe, ezért sok reakció vizes közegben megy végbe.
A szilárd anyagok őrlésekor a mértéket be kell tartani. Például amikor a pirit (vas-szulfit) porrá alakul, részecskéi szintereződnek egy kemencében, ami negatívan befolyásolja a vegyület oxidációs folyamatának sebességét, és csökken a kén-dioxid hozama.
Reagensek
Próbáljuk megérteni, hogyan határozzuk meg a reakciósebességet attól függően, hogy mely reagensek hatnak egymásra? Például a Beketov elektrokémiai sorozatban a hidrogén előtt található aktív fémek képesek kölcsönhatásba lépni a savas oldatokkal, a H2 utániak pedig nem rendelkeznek ilyen képességgel. Ennek a jelenségnek az oka a fémek eltérő kémiai aktivitásában rejlik.
Nyomás
Hogyan kapcsolódik a reakciósebesség ehhez az értékhez? A kémia a fizikához szorosan kapcsolódó tudomány, így a függőség egyenesen arányos, gáztörvények szabályozzák. A mennyiségek között közvetlen kapcsolat van. És ahhoz, hogy megértsük, melyik törvény határozza meg a kémiai reakció sebességét, ismerni kell az aggregáció állapotát és a reagensek koncentrációját.
Sebességtípusok a kémiában
A pillanatnyi és az átlagos értékeket szokás külön kiemelni. A kémiai kölcsönhatás átlagos sebességét a reaktánsok koncentrációinak különbségeként határozzuk meg egy adott időszak alatt.
A kapott érték negatív, ha a koncentráció csökken, pozitív, ha a kölcsönhatási termékek koncentrációja nő.
A valódi (pillanatnyi) érték egy ilyen arány egy bizonyos időegységben.
Az SI-rendszerben a kémiai folyamat sebessége [mol×m-3×s-1].
Problémák a kémiában
Nézzünk néhány példát a sebesség meghatározásával kapcsolatos problémákra.
1. példa. Beklórt és hidrogént összekeverünk egy edényben, majd a keveréket felmelegítjük. 5 másodperc elteltével a hidrogén-klorid koncentrációja 0,05 mol/dm3 értéket ért el. Számítsa ki a hidrogén-klorid képződésének átlagos sebességét (mol/dm3 s).
Meg kell határozni a hidrogén-klorid koncentráció változását 5 másodperccel a kölcsönhatás után, a kezdeti értéket levonva a végső koncentrációból:
C(HCl)=c2 - c1=0,05 - 0=0,05 mol/dm3.
Számítsa ki a hidrogén-klorid képződésének átlagos sebességét:
V=0,05/5=0,010 mol/dm3 ×s.
2. példa. 3 dm térfogatú edényben3 a következő folyamat megy végbe:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
A hidrogén kezdeti tömege 1 g. Két másodperccel a kölcsönhatás kezdete után a hidrogén tömege elérte a 0,4 g értéket. Számítsa ki az etántermelés átlagos sebességét (mol/dm 3×s).
A reakcióba lépő hidrogén tömege a kezdeti érték és a végső szám különbsége. Ez 1-0,4=0,6 (g). A hidrogén molszámának meghatározásához el kell osztani egy adott gáz moláris tömegével: n \u003d 0,6/2 \u003d 0,3 mol. Az egyenlet szerint 2 mol hidrogénből 1 mol etán keletkezik, ezért 0,3 mol H2 0,15 mol etánt kapunk.
Határozza meg a kapott szénhidrogén koncentrációját, 0,05 mol/dm3. Ekkor kiszámíthatja a keletkezésének átlagos sebességét:=0,025 mol/dm3 ×s.
Következtetés
A kémiai kölcsönhatás sebességét többféle tényező befolyásolja: a reagáló anyagok jellege (aktivációs energia), koncentrációjuk, katalizátor jelenléte, az őrlés mértéke, nyomás, a sugárzás típusa.
A 19. század második felében N. N. Beketov professzor felvetette, hogy összefüggés van a kezdeti reagensek tömege és a folyamat időtartama között. Ezt a hipotézist megerősítette a tömeghatás törvénye, amelyet 1867-ben állítottak fel norvég kémikusok: P. Wage és K. Guldberg.
A fizikai kémia különféle folyamatok mechanizmusát és sebességét vizsgálja. Az egy szakaszban lezajló legegyszerűbb folyamatokat monomolekuláris folyamatoknak nevezzük. Az összetett kölcsönhatások több elemi szekvenciális kölcsönhatást foglalnak magukban, ezért minden szakaszt külön-külön kell figyelembe venni.
A reakciótermékek maximális hozamának minimális energiaköltség melletti elérése érdekében fontos figyelembe venni a folyamat lefolyását befolyásoló fő tényezőket.
Például a víz egyszerű anyagokká történő bomlásának felgyorsításához katalizátorra van szükség, amelynek szerepét a mangán-oxid (4) tölti be.
A reagensek kiválasztásával, az optimális nyomás és hőmérséklet kiválasztásával, a reagensek koncentrációjával kapcsolatos összes árnyalatot figyelembe veszi a kémiai kinetika.
