Reakcijas ātrums ir vērtība, kas parāda reaģentu koncentrācijas izmaiņas noteiktā laika periodā. Lai novērtētu tā lielumu, ir jāmaina procesa sākuma nosacījumi.
Viendabīga mijiedarbība
Reakcijas ātrums starp dažiem savienojumiem, kas atrodas vienā un tajā pašā agregāta formā, ir atkarīgs no uzņemto vielu tilpuma. No matemātiskā viedokļa ir iespējams izteikt sakarību starp homogēna procesa ātrumu un koncentrācijas izmaiņām laika vienībā.
Šādas mijiedarbības piemērs ir slāpekļa oksīda (2) oksidēšana par slāpekļa oksīdu (4).
Neviendabīgi procesi
Reakcijas ātrumu izejvielām dažādos agregācijas stāvokļos raksturo sākuma reaģentu molu skaits laukuma vienībā laika vienībā.
Neviendabīga mijiedarbība ir raksturīga sistēmām, kurām ir dažādi kopējie stāvokļi.
Apkopojot, mēs atzīmējam, ka reakcijas ātrums parāda sākotnējo reaģentu (reakcijas produktu) molu skaita izmaiņaslaika periods, katrai saskarnei vai tilpuma vienībai.
Koncentrēšanās
Apskatīsim galvenos reakcijas ātrumu ietekmējošos faktorus. Sāksim ar koncentrēšanos. Šādu atkarību izsaka masu darbības likums. Pastāv tieši proporcionāla sakarība starp mijiedarbībā esošo vielu koncentrāciju reizinājumu, ņemot vērā to stereoķīmiskos koeficientus, un reakcijas ātrumu.
Aplūkosim vienādojumu aA + bB=cC + dD, kur A, B, C, D ir šķidrumi vai gāzes. Iepriekšminētajam procesam kinētisko vienādojumu var uzrakstīt, ņemot vērā proporcionalitātes koeficientu, kuram katrai mijiedarbībai ir sava vērtība.
Kā galveno ātruma pieauguma iemeslu var atzīmēt reaģējošo daļiņu sadursmju skaita pieaugumu uz tilpuma vienību.
Temperatūra
Apsveriet temperatūras ietekmi uz reakcijas ātrumu. Procesi, kas notiek viendabīgās sistēmās, ir iespējami tikai daļiņām saduroties. Bet ne visas sadursmes izraisa reakcijas produktu veidošanos. Tikai gadījumā, ja daļiņām ir palielināta enerģija. Karsējot reaģentus, tiek novērots daļiņu kinētiskās enerģijas pieaugums, palielinās aktīvo molekulu skaits, tāpēc tiek novērots reakcijas ātruma pieaugums. Sakarību starp temperatūras indeksu un procesa ātrumu nosaka van't Hoff noteikums: katrs temperatūras paaugstinājums par 10°C noved pie procesa ātruma palielināšanās 2-4 reizes.
Katalizators
Ņemot vērā reakcijas ātrumu ietekmējošos faktorus, pievērsīsimies vielām, kas var palielināt procesa ātrumu, tas ir, katalizatoriem. Atkarībā no katalizatora un reaģentu agregācijas stāvokļa izšķir vairākus katalīzes veidus:
- viendabīga forma, kurā reaģentiem un katalizatoram ir vienāds agregācijas stāvoklis;
- neviendabīgs, ja reaģenti un katalizators atrodas vienā fāzē.
Niķeli, platīnu, rodiju, palādiju var izdalīt kā tādu vielu piemērus, kas paātrina mijiedarbību.
Inhibitori ir vielas, kas palēnina reakciju.
Saziņas zona
Kas vēl nosaka reakcijas ātrumu? Ķīmija ir sadalīta vairākās sadaļās, no kurām katra attiecas uz noteiktu procesu un parādību apsvērumiem. Fizikālās ķīmijas kurss pārbauda attiecības starp saskares laukumu un procesa ātrumu.
Lai palielinātu reaģentu saskares laukumu, tie tiek sasmalcināti līdz noteiktam izmēram. Visātrākā mijiedarbība notiek šķīdumos, tāpēc daudzas reakcijas tiek veiktas ūdens vidē.
Maļot cietās vielas, jāievēro mērs. Piemēram, kad pirīts (dzelzs sulfīts) tiek pārvērsts putekļos, tā daļiņas tiek saķepinātas krāsnī, kas negatīvi ietekmē šī savienojuma oksidācijas procesa ātrumu, un sēra dioksīda iznākums samazinās.
Reaģenti
Mēģināsim saprast, kā noteikt reakcijas ātrumu atkarībā no tā, kuri reaģenti mijiedarbojas? Piemēram, aktīvie metāli, kas atrodas Beketova elektroķīmiskajā sērijā pirms ūdeņraža, spēj mijiedarboties ar skābju šķīdumiem, un tiem, kas atrodas pēc H2, šādas spējas nav. Šīs parādības iemesls ir metālu atšķirīgā ķīmiskā aktivitāte.
Spiediens
Kā reakcijas ātrums ir saistīts ar šo vērtību? Ķīmija ir zinātne, kas ir cieši saistīta ar fiziku, tāpēc atkarība ir tieši proporcionāla, to regulē gāzes likumi. Starp daudzumiem ir tieša saistība. Un, lai saprastu, kurš likums nosaka ķīmiskās reakcijas ātrumu, ir jāzina agregācijas stāvoklis un reaģentu koncentrācija.
Ātrumu veidi ķīmijā
Ir pieņemts izdalīt momentānās un vidējās vērtības. Vidējais ķīmiskās mijiedarbības ātrums ir definēts kā reaģentu koncentrāciju starpība laika periodā.
Iegūtā vērtība ir negatīva, kad koncentrācija samazinās, pozitīva, ja mijiedarbības produktu koncentrācija palielinās.
Patiesā (momentānā) vērtība ir šāda attiecība noteiktā laika vienībā.
SI sistēmā ķīmiskā procesa ātrumu izsaka [mol×m-3×s-1].
Problēmas ķīmijā
Apskatīsim dažus ar ātruma noteikšanu saistīto problēmu piemērus.
1. piemērshloru un ūdeņradi sajauc traukā, tad maisījumu karsē. Pēc 5 sekundēm hlorūdeņraža koncentrācija ieguva vērtību 0,05 mol/dm3. Aprēķiniet vidējo ūdeņraža hlorīda veidošanās ātrumu (mol/dm3 s).
Jānosaka hlorūdeņraža koncentrācijas izmaiņas 5 sekundes pēc mijiedarbības, no gala koncentrācijas atņemot sākotnējo vērtību:
C(HCl)=c2 - c1=0,05 - 0=0,05 mol/dm3.
Aprēķiniet vidējo ūdeņraža hlorīda veidošanās ātrumu:
V=0,05/5=0,010 mol/dm3 ×s.
2. piemērs. Tvertnē ar tilpumu 3 dm3 notiek šāds process:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
Ūdeņraža sākotnējā masa ir 1 g. Divas sekundes pēc mijiedarbības sākuma ūdeņraža masa ir ieguvusi vērtību 0,4 g. Aprēķināt vidējo etāna ražošanas ātrumu (mol/dm 3×s).
Reaģējušā ūdeņraža masa ir definēta kā starpība starp sākotnējo vērtību un galīgo skaitli. Tas ir 1–0,4=0,6 (g). Lai noteiktu ūdeņraža molu skaitu, tas jāsadala ar dotās gāzes molāro masu: n \u003d 0,6/2 \u003d 0,3 mol. Saskaņā ar vienādojumu no 2 moliem ūdeņraža veidojas 1 mols etāna, tāpēc no 0,3 moliem H2 iegūstam 0,15 molus etāna.
Nosakiet iegūtā ogļūdeņraža koncentrāciju, iegūstam 0,05 mol/dm3. Tad var aprēķināt vidējo tā veidošanās ātrumu:=0,025 mol/dm3 ×s.
Secinājums
Ķīmiskās mijiedarbības ātrumu ietekmē dažādi faktori: reaģējošo vielu raksturs (aktivācijas enerģija), to koncentrācija, katalizatora klātbūtne, slīpēšanas pakāpe, spiediens, starojuma veids.
Deviņpadsmitā gadsimta otrajā pusē profesors N. N. Beketovs ierosināja, ka pastāv saikne starp sākotnējo reaģentu masām un procesa ilgumu. Šī hipotēze tika apstiprināta masu darbības likumā, ko 1867. gadā izveidoja norvēģu ķīmiķi: P. Vedžs un K. Guldbergs.
Fizikālā ķīmija pēta dažādu procesu mehānismu un ātrumu. Vienkāršākos procesus, kas notiek vienā posmā, sauc par monomolekulāriem procesiem. Sarežģītas mijiedarbības ietver vairākas elementāras secīgas mijiedarbības, tāpēc katrs posms tiek aplūkots atsevišķi.
Lai iegūtu maksimālo reakcijas produktu iznākumu ar minimālām enerģijas izmaksām, ir svarīgi ņemt vērā galvenos faktorus, kas ietekmē procesa gaitu.
Piemēram, lai paātrinātu ūdens sadalīšanās procesu vienkāršās vielās, nepieciešams katalizators, kura lomu pilda mangāna oksīds (4).
Visas nianses, kas saistītas ar reaģentu izvēli, optimālā spiediena un temperatūras izvēli, reaģentu koncentrāciju, tiek ņemtas vērā ķīmiskajā kinētikā.
