Znakovi i uslovi za nastanak hemijskih reakcija. Toplotni efekat hemijske reakcije

Brzina hemijske reakcije je promjena količine reaktanta ili produkta reakcije po jedinici vremena po jedinici volumena (za homogenu reakciju) ili po jedinici međusloja (za heterogenu reakciju).

Zakon glumačkih masa: ovisnost brzine reakcije o koncentraciji reaktanata. Što je veća koncentracija, to je veći broj molekula sadržanih u volumenu. Posljedično, povećava se broj sudara, što dovodi do povećanja brzine procesa.

Kinetička jednadžba– ovisnost brzine reakcije od koncentracije.

Kruta tijela su 0

Molekularnost reakcije je minimalni broj molekula uključenih u elementarni hemijski proces. Prema molekularnosti, elementarne hemijske reakcije se dijele na molekularne (A →) i bimolekularne (A + B →); trimolekularne reakcije su izuzetno rijetke.

Opšti redosled reakcija je zbir eksponenata stupnjeva koncentracije u kinetičkoj jednadžbi.

Konstanta brzine reakcije- koeficijent proporcionalnosti u kinetičkoj jednačini.

Van't Hoffovo pravilo: Za svakih 10 stepeni povećanja temperature, konstanta brzine homogene elementarne reakcije povećava se dva do četiri puta.

Teorija aktivnih sudara(TAC), postoje tri uslova neophodna da bi se reakcija pojavila:

Molekuli se moraju sudarati. Ovo je važan uslov, ali nije dovoljan, jer se reakcija neće nužno dogoditi tokom sudara.

Molekuli moraju imati potrebnu energiju (aktivacionu energiju).

Molekuli moraju biti pravilno orijentisani jedan prema drugom.

Energija aktivacije je minimalna količina energije koja se mora dostaviti sistemu da bi došlo do reakcije.

Arrheniusova jednadžba utvrđuje zavisnost konstante brzine hemijske reakcije od temperature

A - karakterizira učestalost sudara reagujućih molekula

R je univerzalna plinska konstanta.

Utjecaj katalizatora na brzinu reakcije.

Katalizator je tvar koja mijenja brzinu kemijske reakcije, ali se sama ne troši u reakciji i nije uključena u finalne proizvode.

U ovom slučaju promjena brzine reakcije nastaje zbog promjene energije aktivacije, a katalizator s reagensima formira aktivirani kompleks.

kataliza - hemijski fenomen, čija je suština promena brzine hemijskih reakcija pod dejstvom određenih supstanci (oni se nazivaju katalizatori).

Heterogena kataliza - reaktant i katalizator su u različitim fazama - gasovitoj i čvrstoj.

Homogena kataliza - reaktanti (reagensi) i katalizator su u istoj fazi – na primjer, oba su plinovi ili su oba otopljena u nekom rastvaraču.

Uslovi za hemijsku ravnotežu

stanje hemijske ravnoteže se održava sve dok reakcioni uslovi ostaju nepromenjeni: koncentracija, temperatura i pritisak.

Le Chatelierov princip: ako se na sistem u ravnoteži izvrši bilo kakav vanjski utjecaj, tada će se ravnoteža pomjeriti u smjeru reakcije koju će to djelovanje oslabiti.

Konstanta ravnoteže - ovo je mjera kompletnosti reakcije, što je veća vrijednost konstante ravnoteže, to je veći stepen konverzije polaznih materijala u produkte reakcije.

K p \u003d C pr \ C ref

ΔG<0 К р >1 C pr > C ref

ΔG>0 K str<1 С пр <С исх

U poglavlju 5.2 upoznali smo se sa osnovnim principima toka hemijskih reakcija. Oni čine teoriju elementarnih interakcija.

§ 5.3.1 Teorija elementarnih interakcija

Navedenih u nastavku glavne tačke TEV odgovori na pitanje:

Šta je potrebno da bi se odigrale hemijske reakcije?

1. Hemijsku reakciju pokreću aktivne čestice reagensa koji nisu zasićeni molekuli: radikali, joni, koordinativno nezasićena jedinjenja. Reaktivnost polaznih supstanci određena je prisustvom ovih aktivnih čestica u njihovom sastavu.

Hemija identifikuje tri glavna faktora koji utiču na hemijsku reakciju:

temperatura;
katalizator (ako je potrebno);
priroda reaktanata.

Od njih, posljednji je najvažniji. Priroda supstance određuje njenu sposobnost da formira određene aktivne čestice. A poticaji samo pomažu da se ovaj proces provede.

2. Aktivne čestice su u termodinamičkoj ravnoteži sa originalnim zasićenim molekulima.

3. Aktivne čestice stupaju u interakciju s početnim molekulima lančanim mehanizmom.

4. Interakcija između aktivne čestice i molekula reagensa odvija se u tri faze: asocijacija, elektronska izomerizacija i disocijacija.

U prvoj fazi hemijske reakcije, fazi asocijacije, aktivna čestica je vezana za zasićeni molekul drugog reagensa pomoću hemijskih veza koje su slabije od kovalentnih. Saradnik se može formirati korištenjem van der Waalsovih, vodonika, donor-akceptora i dinamičkih veza.

U drugoj fazi toka hemijske reakcije - fazi elektronske izomerizacije, dešava se najvažniji proces - transformacija jake kovalentne veze u početnoj molekuli reagensa u slabiju: vodikovu, donor-akceptorsku, dinamičku i čak i van der Valsa.

5. Treća faza interakcije između aktivne čestice i molekule reagensa - disocijacija izomeriziranog asociata sa formiranjem konačnog produkta reakcije - je ograničavajući i najsporiji stupanj cijelog procesa.

Veliki "trik" hemijske prirode supstanci

Upravo ova faza određuje ukupne troškove energije za cijeli trostepeni proces kemijske reakcije. I tu leži velika "lukavost" hemijske prirode supstanci. Najzahtjevniji proces - razbijanje kovalentne veze u reagensu - odvijao se lako i graciozno, gotovo neprimjetno u vremenu u odnosu na treću fazu reakcije koja ograničava brzinu. U našem primjeru, veza u molekulu vodika s energijom od 430 kJ/mol je tako lako i prirodno transformirana u van der Waalsovu vezu s energijom od 20 kJ/mol. I sva potrošnja energije reakcije svedena je na razbijanje ove slabe van der Waalsove veze. Zato su energetski troškovi potrebni za hemijski prekid kovalentne veze mnogo manji od troškova termičke destrukcije ove veze.

Dakle, teorija elementarnih interakcija daje konceptu "aktivacijske energije" striktno fizičko značenje. To je energija potrebna da se prekine odgovarajuća hemijska veza u asocijaciji, čije stvaranje prethodi konačnom proizvodu hemijske reakcije.

Još jednom naglašavamo jedinstvo hemijske prirode materije. Može ući u reakciju samo u jednom slučaju: kada se pojavi aktivna čestica. A temperatura, katalizator i drugi faktori, sa svim svojim fizičkim razlikama, igraju istu ulogu: pokretača.

I. Znakovi i uslovi za nastanak hemijskih reakcija

Već poznajete mnoge supstance, posmatrali ste njihove transformacije i prateće transformacije. znakovi.

po najviše glavna karakteristika hemijska reakcija je stvaranje novih supstanci. Ali o tome se može suditi i po nekim vanjskim znacima toka reakcija.

Spoljašnji znaci hemijskih reakcija:

padavine
promjena boje
ispuštanje gasova
pojava mirisa
apsorpcija i oslobađanje energije (toplote, struje, svjetlosti)

Očigledno je da Za nastanak i tok hemijskih reakcija neophodni su određeni uslovi:

kontakt početnih supstanci (reagensa)
zagrevanje na određenu temperaturu
upotreba supstanci koje ubrzavaju hemijsku reakciju (katalizatori)

II. Toplotni efekat hemijske reakcije

DI. Mendeljejev je istakao: najvažnija karakteristika svih hemijskih reakcija je promena energije u procesu njihovog nastanka.

Svaka supstanca ima pohranjenu određenu količinu energije. Sa ovim svojstvom supstanci susrećemo se već za doručkom, ručkom ili večerom, jer prehrambeni proizvodi omogućavaju našem organizmu da koristi energiju širokog spektra hemijskih jedinjenja sadržanih u hrani. U tijelu se ova energija pretvara u kretanje, rad i koristi se za održavanje stalne (i prilično visoke!) tjelesne temperature.

Oslobađanje ili apsorpcija toplote u procesu hemijskih reakcija nastaje zbog činjenice da se energija troši na proces razaranja nekih supstanci (razaranje veza između atoma i molekula), a oslobađa se prilikom stvaranja drugih supstanci (formiranje veze između atoma i molekula).

Energetske promjene se očituju ili u oslobađanju ili apsorpciji topline.

Reakcije koje oslobađaju toplotu nazivaju se egzotermna (od grčkog "exo" - van).

Reakcije koje se odvijaju pri apsorpciji energije nazivaju seendotermni (od latinskog "endo" - unutra).

Energija se najčešće oslobađa ili apsorbira u obliku topline (rjeđe, u obliku svjetlosti ili mehaničke energije). Ova toplota se može izmeriti. Rezultat mjerenja se izražava u kilodžulima (kJ) za jedan MOL reaktanta ili (rjeđe) za mol produkta reakcije. Količina toplote koja se oslobađa ili apsorbuje u hemijskoj reakciji naziva se termičkog efekta reakcije(Q).

Egzotermna reakcija:

Polazni materijali → produkti reakcije + Q kJ

Endotermna reakcija:

Polazni materijali → produkti reakcije - Q kJ

Toplotni efekti hemijskih reakcija potrebni su za mnoge tehničke proračune. Zamislite sebe na trenutak kao dizajnera moćne rakete sposobne da lansira svemirske brodove i druge korisne terete u orbitu.

Pretpostavimo da znate rad (u kJ) koji će se morati utrošiti da se raketa sa teretom dopremi sa Zemljine površine u orbitu, također znate rad za savladavanje otpora zraka i drugih troškova energije tokom leta. Kako izračunati potrebnu zalihu vodonika i kiseonika, koji se (u tečnom stanju) koriste u ovoj raketi kao gorivo i oksidator?

Bez pomoći toplinskog efekta reakcije stvaranja vode iz vodika i kisika, to je teško učiniti. Na kraju krajeva, toplotni efekat je upravo ta energija koja bi raketu trebalo da stavi u orbitu. U komorama za sagorevanje rakete ova toplota se pretvara u kinetičku energiju molekula vrućeg gasa (para), koja izlazi iz mlaznica i stvara mlazni potisak.

U hemijskoj industriji, toplotni efekti su potrebni za izračunavanje količine toplote u reaktorima za toplotu u kojima se odvijaju endotermne reakcije. U sektoru energetike, korišćenjem toplote sagorevanja goriva, izračunava se proizvodnja toplotne energije.

Dijetetičari koriste termičke efekte oksidacije hrane u organizmu kako bi formulirali pravilnu ishranu ne samo za pacijente, već i za zdrave ljude – sportiste, radnike različitih profesija. Tradicionalno, za proračune se ovdje ne koriste džulovi, već druge energetske jedinice - kalorije (1 cal = 4,1868 J). Energetski sadržaj hrane odnosi se na neku masu prehrambenih proizvoda: na 1 g, na 100 g ili čak na standardno pakovanje proizvoda. Na primjer, na etiketi staklenke kondenziranog mlijeka možete pročitati sljedeći natpis: "sadržaj kalorija 320 kcal / 100 g."

Grana hemije koja se bavi proučavanjem toplotnih efekata i hemijskih reakcija se zove termohemija.

Jednačine hemijskih reakcija u kojima je naznačen toplotni efekat nazivaju se termohemijska.

Sposobnost interakcije sa različitim hemijskim reagensima određena je ne samo njihovom atomskom i molekularnom strukturom, već i uslovima za nastanak hemijskih reakcija. U praksi hemijskog eksperimenta ovi uslovi su intuitivno prepoznati i empirijski uzeti u obzir, ali teoretski nisu stvarno proučavani. U međuvremenu, prinos rezultirajućeg produkta reakcije uvelike ovisi o njima.

Ovi uslovi uključuju prvenstveno termodinamičke uslove koji karakterišu zavisnost reakcija od temperature, pritiska i nekih drugih faktora. U još većoj mjeri priroda, a posebno brzina reakcija zavise od kinetičkih uvjeta, koji su određeni prisustvom katalizatora i drugih aditiva reagensima, kao i utjecajem rastvarača, stijenki reaktora i drugih uvjeta.

Termodinamički faktori koji imaju značajan uticaj na brzinu hemijskih reakcija su temperatura i pritisak u reaktoru. Iako je za svaku reakciju potrebno određeno vrijeme, neke reakcije mogu biti vrlo brze, dok druge mogu biti izuzetno spore. Dakle, reakcija stvaranja precipitata srebrnog klorida pri miješanju otopina koje sadrže ione srebra i klora traje nekoliko sekundi. U isto vrijeme, mješavina vodonika i kisika na sobnoj temperaturi i normalnom tlaku može se čuvati godinama bez ikakve reakcije. Ali čim električna iskra prođe kroz smjesu, dogodit će se eksplozija. Ovaj primjer pokazuje da na brzinu kemijskih reakcija utječu mnogi različiti uvjeti: izlaganje struji, ultraljubičastim i rendgenskim zracima, koncentracija reagensa, njihovo miješanje, pa čak i prisustvo drugih supstanci koje ne učestvuju u reakciji.

U ovom slučaju, reakcije koje se odvijaju u homogenom sistemu koji se sastoji od jedne faze odvijaju se po pravilu brže nego u heterogenom sistemu koji se sastoji od nekoliko faza. Tipičan primjer homogene reakcije je reakcija prirodnog raspada radioaktivne tvari, čija je brzina proporcionalna koncentraciji tvari R. Ova brzina se može izraziti diferencijalnom jednačinom:

gdje do - konstanta brzine reakcije;

R je koncentracija supstance.

Takva reakcija naziva se reakcija prvog reda, a vrijeme potrebno da se početna količina tvari smanji za polovicu naziva se poluživot.

Ako se reakcija dogodi kao rezultat interakcije dvaju molekula Aw B, tada će njegova brzina biti proporcionalna broju njihovih sudara. Utvrđeno je da je ovaj broj proporcionalan koncentraciji molekula A i B. Tada možemo odrediti brzinu reakcije drugog reda u diferencijalnom obliku:

Brzina u velikoj mjeri ovisi o temperaturi. Empirijska istraživanja su utvrdila da se za skoro sve hemijske reakcije brzina povećanja temperature za 10 °C približno udvostručuje. Međutim, primjećuju se i odstupanja od ovog empirijskog pravila, kada se brzina može povećati samo 1,5 puta, i obrnuto, brzina reakcije u nekim slučajevima, na primjer, tijekom denaturacije albumina jajeta (prilikom kuhanja jaja), povećava se 50 puta. Međutim, ne treba zaboraviti da ovi uslovi mogu uticati na prirodu i rezultat hemijskih reakcija sa određenom strukturom molekula hemijskih jedinjenja.

Najaktivniji u ovom pogledu su jedinjenja promenljivog sastava sa oslabljenim vezama između svojih komponenti. Na njih je prvenstveno usmjereno djelovanje različitih katalizatora, koji značajno ubrzavaju tok kemijskih reakcija. Termodinamički faktori kao što su temperatura i pritisak imaju manji uticaj na reakcije. Za poređenje možemo dati reakciju sinteze amonijaka iz dušika i vodika. U početku se to nije moglo izvesti ni uz pomoć visokog pritiska ni visoke temperature, a tek je upotreba posebno tretiranog željeza kao katalizatora dovela do uspjeha po prvi put. Međutim, ova reakcija je povezana sa velikim tehnološkim poteškoćama, koje su prevladane nakon upotrebe metal-organskog katalizatora. U njegovom prisustvu, sinteza amonijaka se odvija pri normalnoj temperaturi od 18°C i normalnom atmosferskom pritisku, što otvara velike izglede ne samo za proizvodnju đubriva, već i za takvu promjenu genetske strukture žitarica (raži i pšenice). ) kada im neće biti potrebna azotna đubriva. Još veće mogućnosti i perspektive otvaraju se primjenom katalizatora u drugim granama hemijske industrije, posebno u „finoj“ i „teškoj“ organskoj sintezi.

Bez navođenja više primjera izuzetno visoke efikasnosti katalizatora u ubrzavanju kemijskih reakcija, treba obratiti posebnu pažnju na činjenicu da bi nastanak i evolucija života na Zemlji bili nemogući bez postojanja enzimi služe kao suštinski živi katalizatori.

Unatoč činjenici da enzimi imaju zajednička svojstva svojstvena svim katalizatorima, međutim, oni nisu identični potonjima, jer funkcioniraju unutar živih sustava. Stoga svi pokušaji da se iskustvo žive prirode iskoristi za ubrzanje hemijskih procesa u neorganskom svijetu nailaze na ozbiljna ograničenja. Možemo govoriti samo o modeliranju nekih funkcija enzima i korišćenju ovih modela za teorijsku analizu aktivnosti živih sistema, a delimično i za praktičnu primenu izolovanih enzima za ubrzavanje nekih hemijskih reakcija.

Tokom života stalno se suočavamo sa fizičkim i hemijskim pojavama. Prirodni fizički fenomeni su nam toliko poznati da im već dugo nismo pridavali veliki značaj. Hemijske reakcije se neprestano odvijaju u našem tijelu. Energija koja se oslobađa tokom hemijskih reakcija stalno se koristi u svakodnevnom životu, u proizvodnji i prilikom lansiranja svemirskih letelica. Mnogi materijali od kojih su napravljene stvari oko nas nisu uzeti u prirodi u gotovom obliku, već su napravljeni hemijskim reakcijama. U svakodnevnom životu nema mnogo smisla da razumijemo šta se dogodilo. Ali kada se studira fizika i hemija na dovoljnom nivou, ovo znanje je neophodno. Kako razlikovati fizičke pojave od hemijskih? Postoje li znakovi koji mogu pomoći u tome?

U hemijskim reakcijama nastaju nove supstance iz nekih supstanci koje se razlikuju od prvobitnih. Nestankom znakova prvog i pojavom znakova drugog, kao i oslobađanjem ili apsorpcijom energije, zaključujemo da je došlo do kemijske reakcije.

Ako je bakrena ploča kalcinirana, na njenoj površini se pojavljuje crni premaz; upuhivanje ugljičnog dioksida kroz krečnu vodu proizvodi bijeli talog; kada drvo gori, na hladnim zidovima posude pojavljuju se kapljice vode; kada se sagori magnezij dobiva se bijeli prah.

Ispostavilo se da su znakovi kemijskih reakcija promjena boje, mirisa, stvaranje taloga, pojava plina.

Kada se razmatraju hemijske reakcije, potrebno je obratiti pažnju ne samo na to kako se odvijaju, već i na uslove koji moraju biti ispunjeni da bi reakcija započela i nastavila.

Dakle, koji uslovi moraju biti ispunjeni da bi hemijska reakcija započela?

Za to je, prije svega, potrebno dovesti u kontakt tvari koje reagiraju (kombinirati, pomiješati). Što su tvari više usitnjene, što je veća površina njihovog kontakta, to se reakcija između njih odvija brže i aktivnije. Na primjer, grudni šećer je teško zapaliti, ali zgnječen i prskan u zraku, izgori za djeliće sekunde, stvarajući neku vrstu eksplozije.

Uz pomoć rastvaranja možemo razbiti supstancu na sitne čestice. Ponekad prethodno otapanje polaznih supstanci olakšava hemijsku reakciju između supstanci.

U nekim slučajevima, kontakt tvari, poput željeza sa vlažnim zrakom, dovoljan je da dođe do reakcije. Ali najčešće za to nije dovoljan jedan kontakt sa supstancama: moraju se ispuniti neki drugi uslovi.

Dakle, bakar ne reaguje sa atmosferskim kiseonikom na niskoj temperaturi od oko 20˚-25˚S. Da bi se izazvala reakcija kombinacije bakra s kisikom, potrebno je pribjeći zagrijavanju.

Zagrijavanje na različite načine utiče na nastanak hemijskih reakcija. Neke reakcije zahtijevaju kontinuirano zagrijavanje. Zagrijavanje prestaje - hemijska reakcija prestaje. Na primjer, potrebno je stalno zagrijavanje da bi se šećer razgradio.

U drugim slučajevima, zagrijavanje je potrebno samo da bi se reakcija odigrala, ono daje poticaj, a zatim se reakcija odvija bez zagrijavanja. Na primjer, takvo zagrijavanje opažamo prilikom sagorijevanja magnezijuma, drveta i drugih zapaljivih materija.

blog.site, uz potpuno ili djelomično kopiranje materijala, obavezan je link na izvor.