Kadar tindak balas kimia dalam gas. Kesan tekanan ke atas kadar tindak balas kimia

Kesan kepekatan pada kadar tindak balas kimia

Kebergantungan kadar tindak balas pada kepekatan bahan tindak balas dirumuskan dalam undang-undang tindakan massa: “ Pada suhu malar, kadar tindak balas kimia adalah berkadar terus dengan hasil kepekatan bahan bertindak balas dalam kuasa yang sama dengan pekali stoikiometrinya."

Contohnya: untuk tindak balas mA + nB → pAB

ungkapan matematik hukum tindakan jisim:

υ = k [A] m ∙ [B] n ( sebaliknya – persamaan kinetik tindak balas),

di mana [A] dan [B] ialah kepekatan bahan tindak balas A dan B; m dan n ialah pekali stoikiometrik; k ialah pekali kekadaran yang dipanggil pemalar kadar.

Maksud fizikal pemalar kadar ialah pada kepekatan bahan tindak balas bersamaan dengan 1.0 mol/l ([A]=[B] = 1mol/l), kadar tindak balas kimia adalah sama dengan pemalar kadar (υ=k) . Pemalar kadar hanya bergantung pada sifat bahan yang bertindak balas dan pada suhu, tetapi tidak bergantung pada kepekatan bahan.

Perwakilan matematik hukum tindakan jisim untuk sistem homogen dan heterogen mempunyai beberapa perbezaan. Untuk tindak balas heterogen, persamaan kinetik termasuk kepekatan hanya bahan-bahan yang berada dalam sistem dalam larutan atau dalam fasa gas. Kepekatan bahan dalam keadaan pepejal di permukaan kekal malar semasa tindak balas, jadi nilainya diambil kira dalam pemalar kadar tindak balas.

Contohnya: untuk tindak balas homogen 2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g)

ungkapan undang-undang: υ = k ∙ 2 ∙ ;

untuk tindak balas heterogen C (tv) + O 2 (g) = CO 2 (g)

ungkapan hukum υ = k eff ∙,

di mana: k eff – pemalar kadar berkesan bersamaan dengan k ∙ [C TV ]

Tugasan

Bagaimanakah kadar tindak balas 2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g) akan berubah apabila kepekatan bahan permulaan digandakan?

Penyelesaian

Kebergantungan kadar tindak balas pada kepekatan (persamaan kinetik) akan ditulis: υ = k ∙ 2 ∙

Jika kepekatan bahan permulaan ditambah sebanyak 2 kali, maka persamaan kinetik mempunyai bentuk: υ" = k ∙ 2 ∙ , maka υ"/υ = 8 – kadar tindak balas ini telah meningkat 8 kali ganda.

Kebergantungan kadar tindak balas pada tekanan diterangkan oleh ungkapan yang serupa dengan undang-undang tindakan jisim, di mana bukannya kepekatan bahan, tekanan separa gas bertindak balas digunakan.

Contohnya: untuk tindak balas 2H 2 (g) + O 2 (g) = 2H 2 O (g), pergantungan kadar tindak balas pada tekanan akan ditulis: υ = k ∙ P H 2 2 ∙ P O 2

Tugasan

Bagaimanakah kadar tindak balas akan berubah jika jumlah tekanan dalam sistem CH 4 (g) + 2O 2 (g) = CO 2 (g) + 2H 2 O (g), jika jumlah tekanan dalam sistem dikurangkan sebanyak 5 kali ?

Penyelesaian

Kebergantungan kadar tindak balas pada tekanan akan ditulis:

υ = k ∙ P CH 4 ∙ P 2 O 2 . Apabila jumlah tekanan dalam sistem berkurangan, tekanan separa setiap gas akan berkurangan, iaitu, υ" = k ∙ P CH 4 /5 ∙ (P O 2 /5) 2. Kemudian υ"/υ = 1/ 5∙5 2 =1 /125 - kelajuan tindak balas berkurangan sebanyak 125 kali

Untuk bahan bertindak balas, molekulnya mesti berlanggar. Kemungkinan dua orang bertembung di jalan yang sibuk adalah lebih tinggi daripada jalan yang lengang. Begitu juga dengan molekul. Jelas sekali, kebarangkalian molekul berlanggar dalam rajah di sebelah kiri adalah lebih tinggi daripada di sebelah kanan. Ia berkadar terus dengan bilangan molekul reagen per unit isipadu, i.e. kepekatan molar reagen. Ini boleh ditunjukkan menggunakan model.

Pada pertengahan abad ke-19. (1865 - N.N. Beketov, 1867 - K. Guldberg, P. Waage) postulat asas kinetik kimia, juga dipanggil undang-undang tindakan massa :

Nombor n, m dalam ungkapan hukum tindakan jisim dipanggil perintah reaksi untuk bahan yang berkaitan. Ini adalah kuantiti yang ditentukan secara eksperimen. Jumlah eksponen n, m dipanggil susunan tindak balas am .

Sila ambil perhatian bahawa darjah pada kepekatan A dan B dalam kes umum tidak sama dengan pekali stoikiometrik dalam reaksi! Mereka menjadi sama secara berangka hanya jika tindak balas berjalan tepat seperti yang ditulis (tindak balas sedemikian dipanggil ringkas atau rendah dan agak jarang). Dalam kebanyakan kes, persamaan tindak balas hanya mencerminkan hasil keseluruhan proses kimia, dan bukan mekanismenya.

Faktor kekadaran k dipanggil pemalar kadar tindak balas . Nilai pemalar kadar tindak balas adalah malar untuk tindak balas tertentu pada suhu tertentu.

*Hukum tindakan jisim tidak termasuk kepekatan pepejal, kerana tindak balas dengan pepejal berlaku di permukaannya, di mana "kepekatan" bahan adalah malar.

C TV +O 2 =CO 2 , v=k[C] m n =k" n ; k"=k[C] m

Pengaruh tekanan ke atas kadar tindak balas kimia.

Tekanan sangat mempengaruhi kadar tindak balas yang melibatkan gas kerana ia secara langsung menentukan kepekatannya.

Dalam persamaan Mendeleev-Clapeyron:

pV =nRT

kami akan memindahkannya V ke sebelah kanan, dan RT- ke kiri dan mengambil kira itu n/V = c:

p/RT = c

Tekanan dan kepekatan molar gas adalah berkadar terus. Oleh itu, kita boleh menggantikan p/RT ke dalam hukum tindakan jisim dan bukannya kepekatan.

Pengaruh tekanan ke atas kadar tindak balas kimia. (Bahan tambahan).

Tindak balas rantai termasuk dalam mekanismenya banyak tindakan asas yang berulang secara berurutan dari jenis yang sama (rantai).

Pertimbangkan tindak balas:

H 2 + Cl 2 = 2HCl

Ia terdiri daripada peringkat berikut, biasa kepada semua tindak balas berantai:

1) Permulaan , atau permulaan rantaian

Cl 2 = 2Cl

Penguraian molekul klorin kepada atom (radikal) berlaku semasa penyinaran atau pemanasan UV. Intipati peringkat permulaan ialah pembentukan zarah aktif dan reaktif.

2) Pembangunan Rantaian

Cl+H 2 = HCl + HH+Cl 2 = HCl + Cl

Hasil daripada setiap tindakan asas pembangunan rantai, radikal klorin baru terbentuk, dan peringkat ini diulang lagi dan lagi, secara teori, sehingga reagen dimakan sepenuhnya.

3) Penggabungan semula , atau litar terbuka

2Cl = Cl 2 2H = H 2 H + Cl = HCl

Radikal yang berada berdekatan boleh bergabung semula, membentuk zarah (molekul) yang stabil. Mereka memberikan tenaga berlebihan kepada "zarah ketiga" - contohnya, dinding kapal atau molekul kekotoran.

Dipertimbangkan tindak balas berantai ialah tidak bercabang , kerana dalam tindakan asas pembangunan rantai bilangan radikal tidak meningkat . Tindak balas rantai hidrogen dengan oksigen ialah bercabang , kerana bilangan radikal dalam tindakan asas pembangunan rantai meningkat :

H + O 2 = OH + OO + H 2 = OH + HOH+H 2 = H 2 O+H

Tindak balas rantai bercabang termasuk banyak tindak balas pembakaran Peningkatan bilangan radikal bebas yang tidak terkawal (kedua-duanya akibat daripada percabangan rantai dan untuk tindak balas tidak bercabang dalam kes permulaan yang terlalu cepat) boleh membawa kepada pecutan yang kuat bagi tindak balas dan letupan.

Nampaknya semakin besar tekanan, semakin tinggi kepekatan radikal dan semakin besar kemungkinan letupan. Tetapi sebenarnya, untuk tindak balas hidrogen dengan oksigen, letupan hanya mungkin di kawasan tekanan tertentu: dari 1 hingga 100 mm Hg. dan melebihi 1000 mm Hg. Ini berikutan daripada mekanisme tindak balas. Pada tekanan rendah, kebanyakan radikal yang terhasil bergabung semula pada dinding kapal, dan tindak balas berjalan perlahan-lahan. Apabila tekanan meningkat kepada 1 mm Hg. radikal mencapai dinding kurang kerap, kerana bertindak balas dengan lebih kerap dengan molekul. Dalam tindak balas ini, radikal membiak dan letupan berlaku. Walau bagaimanapun, pada tekanan melebihi 100 mm Hg. kepekatan bahan meningkat dengan begitu banyak sehingga penggabungan semula radikal bermula akibat perlanggaran tiga kali ganda (contohnya, dengan molekul air), dan tindak balas berjalan dengan tenang, tanpa letupan (aliran pegun). Di atas 1000 mm Hg. kepekatan menjadi sangat tinggi, malah perlanggaran tiga kali ganda tidak mencukupi untuk menghalang pembiakan radikal.

Anda tahu tindak balas rantai bercabang pembelahan uranium-235, dalam setiap tindakan asas yang mana 1 neutron ditangkap (memainkan peranan radikal) dan sehingga 3 neutron dipancarkan. Bergantung pada keadaan (contohnya, pada kepekatan penyerap neutron), ia juga mungkin mempunyai aliran yang stabil atau letupan. Ini adalah satu lagi contoh korelasi antara kinetik proses kimia dan nuklear.

Tindak balas kimia berlaku pada kelajuan yang berbeza: pada kelajuan rendah semasa pembentukan stalaktit dan stalagmit, pada kelajuan purata semasa memasak makanan, serta-merta semasa letupan. Tindak balas berlaku sangat cepat dalam larutan akueus.

Menentukan kadar tindak balas kimia, serta menjelaskan pergantungannya pada keadaan proses, adalah tugas kinetik kimia - sains corak tindak balas kimia dari masa ke masa.

Jika tindak balas kimia berlaku dalam medium homogen, contohnya dalam larutan atau dalam fasa gas, maka interaksi bahan bertindak balas berlaku sepanjang keseluruhan isipadu. Reaksi sedemikian dipanggil homogen.

(v homog) ditakrifkan sebagai perubahan dalam jumlah bahan per unit masa per unit isipadu:

di mana Δn ialah perubahan dalam bilangan tahi lalat satu bahan (paling kerap asal, tetapi ia juga boleh menjadi produk tindak balas); Δt - selang masa (s, min); V ialah isipadu gas atau larutan (l).

Oleh kerana nisbah jumlah bahan kepada isipadu mewakili kepekatan molar C, maka

Oleh itu, kadar tindak balas homogen ditakrifkan sebagai perubahan dalam kepekatan salah satu bahan per unit masa:

jika isipadu sistem tidak berubah.

Jika tindak balas berlaku antara bahan dalam keadaan pengagregatan yang berbeza (contohnya, antara pepejal dan gas atau cecair), atau antara bahan yang tidak dapat membentuk medium homogen (contohnya, antara cecair tidak larut), maka ia berlaku hanya pada permukaan sentuhan bahan. Reaksi sedemikian dipanggil heterogen.

Ditakrifkan sebagai perubahan dalam jumlah bahan per unit masa pada permukaan unit.

di mana S ialah luas permukaan sentuhan bahan (m 2, cm 2).

Perubahan dalam jumlah bahan yang menentukan kadar tindak balas adalah faktor luaran yang diperhatikan oleh penyelidik. Malah, semua proses dijalankan di peringkat mikro. Jelas sekali, untuk beberapa zarah bertindak balas, mereka mesti berlanggar terlebih dahulu, dan berlanggar dengan berkesan: tidak berselerak seperti bola ke arah yang berbeza, tetapi dengan cara yang "ikatan lama" dimusnahkan atau lemah dalam zarah dan "yang baru" boleh bentuk ", dan untuk ini zarah mesti mempunyai tenaga yang mencukupi.

Data yang dikira menunjukkan bahawa, sebagai contoh, dalam gas, perlanggaran molekul pada tekanan atmosfera berjumlah berbilion sesaat, iaitu, semua tindak balas harus berlaku serta-merta. Tetapi itu tidak benar. Ternyata hanya sebahagian kecil molekul yang mempunyai tenaga yang diperlukan untuk membawa kepada perlanggaran yang berkesan.

Tenaga lebihan minimum yang diperlukan oleh zarah (atau sepasang zarah) untuk perlanggaran berkesan berlaku dipanggil tenaga pengaktifan Ea.

Oleh itu, pada laluan semua zarah yang memasuki tindak balas terdapat penghalang tenaga yang sama dengan tenaga pengaktifan E a. Apabila ia kecil, terdapat banyak zarah yang boleh mengatasinya, dan kadar tindak balas adalah tinggi. Jika tidak, "tolak" diperlukan. Apabila anda membawa mancis untuk menyalakan lampu alkohol, anda memberikan tenaga tambahan E a yang diperlukan untuk perlanggaran berkesan molekul alkohol dengan molekul oksigen (mengatasi halangan).

Kelajuan tindak balas kimia bergantung kepada banyak faktor. Yang utama ialah: sifat dan kepekatan bahan tindak balas, tekanan (dalam tindak balas yang melibatkan gas), suhu, tindakan mangkin dan permukaan bahan tindak balas dalam kes tindak balas heterogen.

Suhu

Apabila suhu meningkat, dalam kebanyakan kes kadar tindak balas kimia meningkat dengan ketara. Pada abad ke-19 Ahli kimia Belanda J. X. van't Hoff merumuskan peraturan:

Setiap kenaikan suhu 10 °C membawa kepada peningkatan dalamkelajuan tindak balas 2-4 kali(nilai ini dipanggil pekali suhu tindak balas).

Apabila suhu meningkat, kelajuan purata molekul, tenaga mereka, dan bilangan perlanggaran meningkat sedikit, tetapi perkadaran molekul "aktif" yang mengambil bahagian dalam perlanggaran berkesan yang mengatasi halangan tenaga tindak balas meningkat dengan mendadak. Secara matematik, pergantungan ini dinyatakan oleh hubungan:

di mana v t 1 dan v t 2 ialah kadar tindak balas, masing-masing, pada suhu t 2 dan awal t 1 akhir, dan γ ialah pekali suhu bagi kadar tindak balas, yang menunjukkan berapa kali kadar tindak balas meningkat dengan setiap peningkatan 10 °C dalam suhu.

Walau bagaimanapun, untuk meningkatkan kadar tindak balas, meningkatkan suhu tidak selalu boleh digunakan, kerana bahan permulaan mungkin mula terurai, pelarut atau bahan itu sendiri mungkin tersejat, dsb.

Tindak balas endotermik dan eksotermik

Tindak balas metana dengan oksigen atmosfera diketahui disertai dengan pembebasan sejumlah besar haba. Oleh itu, ia digunakan dalam kehidupan seharian untuk memasak, memanaskan air dan memanaskan. Gas asli yang dibekalkan ke rumah melalui paip terdiri daripada 98% metana. Tindak balas kalsium oksida (CaO) dengan air juga disertai dengan pembebasan sejumlah besar haba.

Apakah yang boleh ditunjukkan oleh fakta ini? Apabila ikatan kimia baru terbentuk dalam produk tindak balas, lebih tenaga daripada yang diperlukan untuk memecahkan ikatan kimia dalam reagen. Tenaga berlebihan dibebaskan sebagai haba dan kadangkala cahaya.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (tenaga (cahaya, haba));

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (tenaga (haba)).

Tindak balas sedemikian sepatutnya berlaku dengan mudah (seperti batu bergolek dengan mudah menuruni bukit).

Tindak balas di mana tenaga dibebaskan dipanggil EXOTHERMAL(dari bahasa Latin "exo" - keluar).

Sebagai contoh, banyak tindak balas redoks adalah eksotermik. Salah satu daripada tindak balas yang indah ini ialah pengurangan pengoksidaan intramolekul yang berlaku di dalam garam yang sama - ammonium dikromat (NH 4) 2 Cr 2 O 7:

(NH 4) 2 Cr 2 O 7 = N 2 + Cr 2 O 3 + 4 H 2 O + Q (tenaga).

Perkara lain ialah tindak balas. Mereka serupa dengan menggulingkan batu ke atas bukit. Masih tidak mungkin untuk mendapatkan metana daripada CO 2 dan air, dan pemanasan yang kuat diperlukan untuk mendapatkan kapur cepat CaO daripada kalsium hidroksida Ca(OH) 2. Tindak balas ini berlaku hanya dengan aliran tenaga yang berterusan dari luar:

Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (tenaga (haba))

Ini menunjukkan bahawa pemecahan ikatan kimia dalam Ca(OH) 2 memerlukan lebih banyak tenaga daripada yang boleh dibebaskan semasa pembentukan ikatan kimia baru dalam molekul CaO dan H 2 O.

Tindak balas di mana tenaga diserap dipanggil ENDOTHERMAL(dari "endo" - ke dalam).

Kepekatan bahan tindak balas

Perubahan tekanan apabila bahan gas mengambil bahagian dalam tindak balas juga membawa kepada perubahan kepekatan bahan ini.

Untuk interaksi kimia antara zarah berlaku, ia mesti berlanggar dengan berkesan. Semakin tinggi kepekatan bahan tindak balas, semakin banyak perlanggaran dan, dengan itu, semakin tinggi kadar tindak balas.

Sebagai contoh, asetilena terbakar dengan sangat cepat dalam oksigen tulen. Dalam kes ini, suhu yang mencukupi untuk mencairkan logam berkembang. Berdasarkan sejumlah besar bahan eksperimen, pada tahun 1867 orang Norway K. Guldenberg dan P. Waage dan secara bebas daripada mereka pada tahun 1865, saintis Rusia N.I Beketov merumuskan undang-undang asas kinetik kimia, mewujudkan pergantungan kadar tindak balas pada kepekatan daripada bahan yang bertindak balas.

Kadar tindak balas kimia adalah berkadar dengan hasil kepekatan bahan bertindak balas, diambil dalam kuasa yang sama dengan pekalinya dalam persamaan tindak balas. Undang-undang ini juga dipanggil

undang-undang tindakan massa.

Untuk tindak balas A + B = D, hukum ini akan dinyatakan seperti berikut:

Untuk tindak balas 2A + B = D, hukum ini akan dinyatakan seperti berikut:

Di sini C A, C B ialah kepekatan bahan A dan B (mol/l); k 1 dan k 2 ialah pekali kekadaran, dipanggil pemalar kadar tindak balas.

Makna fizikal pemalar kadar tindak balas tidak sukar untuk ditetapkan - ia secara berangka sama dengan kadar tindak balas di mana kepekatan bahan tindak balas adalah 1 mol/l atau hasil keluarannya adalah sama dengan kesatuan. Dalam kes ini, adalah jelas bahawa pemalar kadar tindak balas hanya bergantung pada suhu dan tidak bergantung kepada kepekatan bahan. Hukum tindakan massa tidak mengambil kira kepekatan bahan tindak balas dalam keadaan pepejal

, kerana ia bertindak balas pada permukaan dan kepekatannya biasanya tetap.

Sebagai contoh, untuk tindak balas pembakaran arang batu, ungkapan kadar tindak balas hendaklah ditulis seperti berikut:

iaitu, kadar tindak balas hanya berkadar dengan kepekatan oksigen.

Jika persamaan tindak balas hanya menerangkan jumlah tindak balas kimia yang berlaku dalam beberapa peringkat, maka kadar tindak balas sedemikian boleh bergantung dengan cara yang kompleks pada kepekatan bahan permulaan. Kebergantungan ini ditentukan secara eksperimen atau teori berdasarkan mekanisme tindak balas yang dicadangkan.

Adalah mungkin untuk meningkatkan kadar tindak balas dengan menggunakan bahan khas yang mengubah mekanisme tindak balas dan mengarahkannya ke laluan yang lebih bertenaga dengan tenaga pengaktifan yang lebih rendah. Mereka dipanggil pemangkin (dari katalisis Latin - pemusnahan).

Pemangkin bertindak sebagai pemandu berpengalaman, membimbing sekumpulan pelancong tidak melalui laluan tinggi di pergunungan (mengatasinya memerlukan banyak usaha dan masa dan tidak boleh diakses oleh semua orang), tetapi di sepanjang laluan pintasan yang diketahuinya, di mana seseorang boleh mengatasi gunung dengan lebih mudah dan cepat.

Benar, menggunakan laluan bulatan anda tidak boleh mendapatkan dengan tepat ke mana laluan utama menghala. Tetapi kadang-kadang inilah yang diperlukan! Beginilah cara pemangkin yang dipanggil bertindak selektif. Adalah jelas bahawa tidak ada keperluan untuk membakar ammonia dan nitrogen, tetapi nitrogen oksida (II) digunakan dalam penghasilan asid nitrik.

Pemangkin- ini adalah bahan yang mengambil bahagian dalam tindak balas kimia dan mengubah kelajuan atau arahnya, tetapi pada akhir tindak balas mereka kekal tidak berubah secara kuantitatif dan kualitatif.

Menukar kadar tindak balas kimia atau arahnya menggunakan mangkin dipanggil pemangkin. Pemangkin digunakan secara meluas dalam pelbagai industri dan pengangkutan (penukar pemangkin yang menukar nitrogen oksida daripada gas ekzos kereta kepada nitrogen tidak berbahaya).

Terdapat dua jenis pemangkinan.

Pemangkinan homogen, di mana kedua-dua pemangkin dan bahan tindak balas berada dalam keadaan pengagregatan (fasa) yang sama.

Pemangkinan heterogen, di mana mangkin dan bahan tindak balas berada dalam fasa yang berbeza. Contohnya, penguraian hidrogen peroksida dengan kehadiran mangkin pepejal mangan (IV) oksida:

Pemangkin itu sendiri tidak digunakan akibat tindak balas, tetapi jika bahan lain terserap pada permukaannya (ia dipanggil racun pemangkin), maka permukaan menjadi tidak boleh beroperasi dan penjanaan semula pemangkin diperlukan. Oleh itu, sebelum menjalankan tindak balas pemangkin, bahan permulaan dibersihkan dengan teliti.

Sebagai contoh, dalam penghasilan asid sulfurik melalui kaedah sentuhan, pemangkin pepejal digunakan - vanadium (V) oksida V 2 O 5:

Dalam penghasilan metanol, pemangkin "zink-krom" pepejal (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3) digunakan:

Pemangkin biologi - enzim - berfungsi dengan sangat berkesan. Dengan sifat kimia mereka adalah protein. Terima kasih kepada mereka, tindak balas kimia yang kompleks berlaku pada kelajuan tinggi dalam organisma hidup pada suhu rendah.

Bahan lain yang menarik diketahui - perencat (dari bahasa Latin inhibere - untuk melambatkan). Mereka bertindak balas dengan zarah aktif pada kelajuan tinggi untuk membentuk sebatian aktif rendah. Akibatnya, tindak balas menjadi perlahan dan kemudian berhenti. Inhibitor selalunya ditambah secara khusus kepada pelbagai bahan untuk mengelakkan proses yang tidak diingini.

Sebagai contoh, larutan hidrogen peroksida distabilkan menggunakan perencat.

Sifat bahan bertindak balas (komposisi, strukturnya)

Maknanya tenaga pengaktifan ialah faktor di mana pengaruh sifat bahan bertindak balas terhadap kadar tindak balas dipengaruhi.

Jika tenaga pengaktifan rendah (< 40 кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкнове­ний между частицами реагирующих веществ при­водит к их взаимодействию, и скорость такой ре­акции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих ре­акциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в данных случаях ничтожно мала.

Jika tenaga pengaktifan tinggi(> 120 kJ/mol), ini bermakna hanya pecahan kecil perlanggaran antara zarah yang berinteraksi membawa kepada tindak balas. Oleh itu, kadar tindak balas sedemikian adalah sangat rendah. Sebagai contoh, kemajuan tindak balas sintesis ammonia pada suhu biasa hampir mustahil untuk diperhatikan.

Jika tenaga pengaktifan tindak balas kimia mempunyai nilai perantaraan (40120 kJ/mol), maka kadar tindak balas tersebut adalah purata. Reaksi sedemikian termasuk interaksi natrium dengan air atau etil alkohol, penyahwarnaan air bromin dengan etilena, interaksi zink dengan asid hidroklorik, dsb.

Permukaan sentuhan bahan bertindak balas

Kadar tindak balas yang berlaku pada permukaan bahan, iaitu yang heterogen, bergantung, benda lain adalah sama, pada sifat permukaan ini. Adalah diketahui bahawa kapur serbuk larut lebih cepat dalam asid hidroklorik daripada sekeping kapur dengan berat yang sama.

Peningkatan kadar tindak balas terutamanya disebabkan oleh meningkatkan permukaan sentuhan bahan permulaan, serta beberapa sebab lain, sebagai contoh, pelanggaran struktur kekisi kristal "betul". Ini membawa kepada fakta bahawa zarah pada permukaan mikrokristal yang terhasil jauh lebih reaktif daripada zarah yang sama pada permukaan "licin".

Dalam industri, untuk menjalankan tindak balas heterogen, "katil terbendalir" digunakan untuk meningkatkan permukaan sentuhan bahan bertindak balas, bekalan bahan permulaan dan penyingkiran produk. Sebagai contoh, dalam penghasilan asid sulfurik, pirit dibakar menggunakan "katil terbendalir".

Bahan rujukan untuk mengambil ujian:

Jadual berkala

Jadual keterlarutan

Kesan tekanan pada kadar tindak balas bergantung kepada pesanan tindak balas. Jika suhu kekal tidak berubah dan komposisi campuran gas awal diberikan, maka dengan menggunakan persamaan keadaan bagi setiap kepekatan kita boleh menulis: p a=aR m T, p b=bR m T. Di sini A, b,…, ialah kepekatan molar, dan p a, p b, ..., ialah tekanan separa bagi gas yang sepadan. Jika jumlah bilangan mol per unit isipadu ialah z, maka dengan cara yang sama kita boleh menulis hlm=zR m T, Di mana r- tekanan umum. Oleh itu , , ...dsb. Kuantiti...dll. terdapat kepekatan isipadu relatif. Menandakan mereka dengan A, DALAM... dan lain-lain, kita dapat: p a=Ap,

Di mana; p b =Bp, . Mari kita pertimbangkan monomolekul proses yang diterangkan oleh persamaan:

dalam kes ini, kadar perubahan bahan adalah berkadar terus dengan tekanan: ~ hlm.

Untuk dwimolekul tindak balas:

iaitu ~ hlm 2. Sehubungan itu untuk trimolekul reaksi yang kita dapat:

di mana k- pemalar kadar tindak balas.

2.2. Tenaga pengaktifan. undang-undang Arrhenius

Bilangan perlanggaran bersama molekul bertindak balas meningkat ~, yang menyumbang kepada peningkatan dalam kadar tindak balas. Sebagai contoh, untuk banyak tindak balas, peningkatan suhu hanya 10°C membawa kepada peningkatan pemalar kadar dengan faktor 2-4.

Contoh. Separuh hayat hidrogen iodida mengikut persamaan 2HJ→H 2 +J 2. Pada T = Separuh hayat 373K ialah 314,000 tahun, dengan T=666K ia berkurangan kepada 1.3 jam, dan pada T=973K t 1/2 = 0.12 saat

Arrhenius: untuk tindak balas kimia berlaku, kelemahan awal atau pemecahan ikatan dalaman molekul yang stabil adalah perlu, yang mana sejumlah tenaga mesti dibelanjakan E . Semakin besar tenaga haba molekul yang berlanggar, semakin besar kemungkinan penyusunan semula ikatan dalaman dan penciptaan molekul baru. Pada E= const kekerapan perlanggaran berakhir dengan tindak balas akan meningkat dengan ketara lebih cepat daripada .

Tenaga yang diperlukan untuk mengatasi halangan tenaga yang menghalang pendekatan molekul bertindak balas dan pembentukan produk tindak balas dipanggil tenaga pengaktifan E a. Oleh itu, tindakan asas tindak balas kimia berlaku hanya semasa perlanggaran molekul-molekul yang tenaga kinetiknya lebih besar. E a.

Tenaga pengaktifan E a biasanya lebih tinggi daripada tenaga purata pergerakan haba molekul. Semakin rendah tenaga pengaktifan, semakin kerap perlanggaran molekul akan berlaku, yang membawa kepada pembentukan produk tindak balas, dan semakin tinggi kadar tindak balas kimia. Bertambah T membawa kepada peningkatan dalam bilangan molekul dengan tenaga yang berlebihan melebihi E a. Ini menerangkan peningkatan dalam kadar tindak balas kimia dengan peningkatan suhu (Rajah 2.1).

nasi. 2.1. Haba pembakaran Q dan tenaga pengaktifan E=u maksimum - u 1

Dalam kes yang paling mudah, pemalar kadar tindak balas kimia boleh ditentukan berdasarkan hubungan am teori kinetik molekul (lihat, sebagai contoh,).

Mari kita nyatakan dengan p A Dan p masuk bilangan molekul A dan B dalam 1 cm 3 . Kadar tindak balas akan sama dengan nombor Z perlanggaran molekul A dan B sebegitu seunit masa, tenaga yang lebih besar daripada tenaga pengaktifan E . Untuk gas ideal Z ditentukan berdasarkan undang-undang pengagihan tenaga Maxwell–Boltzmann:

Berikut ialah purata diameter berkesan molekul berlanggar, ialah berat molekul yang dikurangkan, R m = 8.315∙10 7 erg/deg - pemalar gas sejagat, m A, m B - berat molekul.

Dalam kebanyakan kes, nilai eksperimen jauh lebih rendah daripada nilai teori. Oleh itu, apa yang dipanggil kebarangkalian atau pekali sterik dimasukkan ke dalam formula pengiraan R. Akibatnya, formula untuk mengira kadar tindak balas dwimolekul, dipanggil Formula Arrhenius, mengambil bentuk berikut:

Membandingkan formula yang terhasil dengan persamaan (2.8) untuk tindak balas tertib kedua, kita boleh mendapatkan ungkapan untuk pemalar kadar tindak balas ini:

Kesan kuat suhu pada kadar tindak balas adalah disebabkan terutamanya oleh faktor Arrhenius. Oleh itu, dalam pengiraan anggaran, faktor pra-eksponen selalunya dianggap bebas daripada T.

Analisis formula (2.12) menunjukkan bahawa apabila T meningkat, kadar pertumbuhan W mula-mula meningkat, mencapai nilai maksimum tertentu, dan kemudian menurun dengan kata lain, keluk W lawan T mempunyai titik infleksi. Menyamakan terbitan kedua W berkenaan dengan T kepada sifar, kita dapati suhu yang sepadan dengan titik infleksi:

Adalah mudah untuk melihat bahawa suhu ini agak tinggi. Contohnya, pada E = 20000 kal/(g-mol) T p = 5000 K. Apabila menggunakan formula (2.12) untuk pengiraan berangka, dimensi kuantiti yang termasuk di dalamnya perlu diambil kira.

Formula (2.12) boleh ditulis seperti berikut:

di manakah faktor pra-eksponen, i.e. jumlah bilangan perlanggaran pada n A =n B =1 molekul/cm 3. Kadang-kadang R juga termasuk dalam faktor pra-eksponen.

Untuk anggaran pengiraan susunan kadar tindak balas, nilai k 0 boleh diambil untuk suhu T=300K bersamaan dengan 10 -10 cm 3 /(molekul∙sec) (untuk d purata "4∙10 -8 dan m A =m B "30).

Kadar tindak balas kimia pada suhu tertentu adalah berkadar dengan hasil darab kepekatan bahan bertindak balas pada darjah yang sama dengan pekali stoikiometri yang terdapat sebelum formula bahan yang diberikan dalam persamaan tindak balas.

Hukum tindakan jisim hanya sah untuk tindak balas interaksi yang paling mudah dalam mekanismenya, berlaku dalam gas atau dalam larutan cair .

1. aA(W) + bB (W) ↔ cC (W) + dD (W) ; (T=const)

2. 3H 2(G) + N 2(G) ↔ 2NH 3(G) ;

Untuk tindak balas heterogen:

1. aA (t) + bB (G) = cC (G) + dD (G); 2. C (t) + O 2 (G) = CO 2 (G);

Hukum tindakan jisim tidak mengambil kira kepekatan bahan dalam fasa pepejal. Semakin besar luas permukaan fasa pepejal, semakin tinggi kadar tindak balas kimia.

k - pemalar kadar tindak balas kimia ditentukan oleh sifat bahan bertindak balas dan bergantung pada suhu, pada kehadiran mangkin dalam sistem, tetapi tidak bergantung pada kepekatan bahan bertindak balas. Pemalar kadar mewakili kadar tindak balas kimia (), jika kepekatan bahan tindak balas adalah .

3. Kebergantungan kadar tindak balas kimia pada tekanan. Bagi sistem gas, peningkatan tekanan atau pengurangan isipadu adalah bersamaan dengan peningkatan kepekatan dan sebaliknya.

Tugasan: Bagaimanakah kadar tindak balas kimia 2SO 2 (g) + O 2 (g) 2SO 3 (g) akan berubah jika tekanan dalam sistem dinaikkan sebanyak 4 kali ganda?

Selaras dengan undang-undang tindakan jisim untuk tindak balas langsung, kami menulis ungkapan:

Biarkan = a mol/l, = b mol/l, maka mengikut hukum tindakan jisim

Penurunan isipadu sebanyak 4 kali sepadan dengan peningkatan kepekatan dalam sistem sebanyak 4 kali, maka:

Kesan suhu pada kadar tindak balas kimia adalah lebih kurang ditentukan pemerintahan van't Hoff. Apabila suhu meningkat sebanyak 10 0 C, kadar tindak balas kimia meningkat 2-4 kali ganda.

Notasi matematik peraturan Van't Hoff: γ ialah pekali suhu bagi kadar tindak balas atau pekali Van't Hoff untuk kebanyakan tindak balas terletak dalam julat 2-4.

Tugasan. Berapa kalikah kadar tindak balas kimia yang berlaku dalam fasa gas akan berubah jika suhu berubah dari 80 0 C kepada 120 0 C ( γ = 3)?

Selaras dengan peraturan Van't Hoff, kami menulis:

Peningkatan kadar tindak balas kimia dengan peningkatan suhu dijelaskan bukan sahaja oleh peningkatan tenaga kinetik molekul yang berinteraksi. Sebagai contoh, bilangan perlanggaran molekul meningkat mengikut kadar punca kuasa dua suhu mutlak. Apabila bahan dipanaskan dari sifar hingga seratus darjah Celsius, kelajuan pergerakan molekul meningkat sebanyak 1.2 kali, dan kelajuan tindak balas kimia meningkat kira-kira 59 ribu kali. Peningkatan mendadak dalam kadar tindak balas dengan peningkatan suhu dijelaskan oleh perkadaran molekul aktif yang perlanggaran membawa kepada interaksi kimia. Mengikut teori perlanggaran aktif, sahaja molekul aktif, yang tenaganya melebihi tenaga purata molekul bahan tertentu, i.e. molekul dengan tenaga pengaktifan.

Tenaga pengaktifan (E A)- ini adalah lebihan tenaga berbanding rizab purata yang mesti dimiliki oleh molekul untuk menjalankan tindak balas kimia. Jika E A< 40 кДж/моль - реакции протекают быстро, если Е А >120 kJ/mol - tindak balas tidak berlaku, jika E A = 40-120 kJ/mol - tindak balas berjalan dalam keadaan normal. Peningkatan suhu mengurangkan tenaga pengaktifan, menjadikan bahan lebih reaktif, dan kadar interaksi meningkat.

Mewujudkan pergantungan yang lebih tepat bagi kadar tindak balas kimia pada suhu C. Arrhenius: pemalar kadar tindak balas adalah berkadar dengan asas logaritma semula jadi yang dinaikkan kepada kuasa (-EA / RT). ,

A - faktor pra-eksponen, menentukan bilangan perlanggaran aktif;

e - eksponen (asas logaritma semula jadi).

Mengambil logaritma ungkapan, kita memperoleh persamaan:

. Persamaan Arrhenius menunjukkan bahawa semakin rendah tenaga pengaktifan, semakin tinggi kadar tindak balas. Pemangkin digunakan untuk mengurangkan tenaga pengaktifan.