Tegn og betingelser for forekomst av kjemiske reaksjoner. Termisk effekt av en kjemisk reaksjon

Hastigheten til en kjemisk reaksjon er endringen i mengden av reaktanten eller reaksjonsproduktet per tidsenhet per volumenhet (for en homogen reaksjon) eller per enhetsgrensesnitt (for en heterogen reaksjon).

Loven om handlende masser: avhengighet av reaksjonshastigheten på konsentrasjonen av reaktanter. Jo høyere konsentrasjon, desto større antall molekyler inneholder volumet. Følgelig øker antallet kollisjoner, noe som fører til en økning i hastigheten på prosessen.

Kinetisk ligning– avhengighet av reaksjonshastighet på konsentrasjon.

Stive kropper er 0

Reaksjonsmolekylæritet er minimum antall molekyler involvert i en elementær kjemisk prosess. Ved molekylæritet deles elementære kjemiske reaksjoner inn i molekylære (A →) og bimolekylære (A + B →); trimolekylære reaksjoner er ekstremt sjeldne.

Generell reaksjonsrekkefølge er summen av eksponentene for konsentrasjonsgradene i den kinetiske ligningen.

Reaksjonshastighetskonstant- proporsjonalitetskoeffisient i den kinetiske ligningen.

Van't Hoffs regel: For hver 10 graders temperaturøkning øker hastighetskonstanten for en homogen elementær reaksjon to til fire ganger.

Teori om aktive kollisjoner(TAC), er det tre betingelser som er nødvendige for at en reaksjon skal oppstå:

Molekylene må kollidere. Dette er en viktig tilstand, men den er ikke tilstrekkelig, siden det ikke nødvendigvis vil oppstå en reaksjon under en kollisjon.

Molekyler må ha nødvendig energi (aktiveringsenergi).

Molekylene må være riktig orientert i forhold til hverandre.

Aktiveringsenergi er minimumsmengden energi som må tilføres systemet for at en reaksjon skal oppstå.

Arrhenius-ligningen fastslår avhengigheten av hastighetskonstanten til en kjemisk reaksjon på temperaturen

A - karakteriserer frekvensen av kollisjoner av reagerende molekyler

R er den universelle gasskonstanten.

Påvirkning av katalysatorer på reaksjonshastigheten.

En katalysator er et stoff som endrer hastigheten på en kjemisk reaksjon, men som ikke selv forbrukes i reaksjonen og er ikke inkludert i sluttproduktene.

I dette tilfellet oppstår endringen i reaksjonshastigheten på grunn av en endring i aktiveringsenergien, og katalysatoren med reagensene danner et aktivert kompleks.

Katalyse - et kjemisk fenomen, hvis essens er å endre hastigheten på kjemiske reaksjoner under påvirkning av visse stoffer (de kalles katalysatorer).

Heterogen katalyse - reaktanten og katalysatoren er i forskjellige faser - gassformig og fast.

Homogen katalyse - reaktantene (reagensene) og katalysatoren er i samme fase - for eksempel er begge gasser eller begge er oppløst i et eller annet løsningsmiddel.

Betingelser for kjemisk likevekt

tilstanden for kjemisk likevekt opprettholdes så lenge reaksjonsforholdene forblir uendrede: konsentrasjon, temperatur og trykk.

Le Chateliers prinsipp: hvis noen ytre påvirkning utøves på et system i likevekt, så vil likevekten skifte i retning av reaksjonen som denne handlingen vil svekkes.

Likevektskonstant - dette er et mål på fullstendigheten av reaksjonen, jo større verdien av likevektskonstanten er, desto høyere grad av omdannelse av utgangsmaterialene til reaksjonsprodukter.

K p \u003d C pr \ C ref

ΔG<0 К р >1 C pr > C ref

ΔG>0 K p<1 С пр <С исх

I kapittel 5.2 ble vi kjent med de grunnleggende prinsippene for flyten av kjemiske reaksjoner. De utgjør teorien om elementære interaksjoner.

§ 5.3.1 Teori om elementære interaksjoner

Oppført nedenfor hovedpoeng TEV svar på spørsmålet:

Hva skal til for at kjemiske reaksjoner skal finne sted?

1. En kjemisk reaksjon initieres av aktive partikler av andre reagenser enn mettede molekyler: radikaler, ioner, koordinativt umettede forbindelser. Reaktiviteten til utgangsstoffene bestemmes av tilstedeværelsen av disse aktive partiklene i deres sammensetning.

Kjemi identifiserer tre hovedfaktorer som påvirker en kjemisk reaksjon:

temperatur;
katalysator (hvis nødvendig);
reaktantenes natur.

Av disse er den siste den viktigste. Det er stoffets natur som bestemmer dets evne til å danne visse aktive partikler. Og insentiver hjelper bare til å gjennomføre denne prosessen.

2. Aktive partikler er i termodynamisk likevekt med de opprinnelige mettede molekylene.

3. Aktive partikler samhandler med initiale molekyler ved hjelp av en kjedemekanisme.

4. Interaksjonen mellom den aktive partikkelen og reagensmolekylet skjer i tre stadier: assosiasjon, elektronisk isomerisering og dissosiasjon.

I det første stadiet av en kjemisk reaksjon, assosiasjonsstadiet, blir en aktiv partikkel festet til et mettet molekyl av et annet reagens ved å bruke kjemiske bindinger som er svakere enn kovalente. En assosiert kan dannes ved å bruke van der Waals, hydrogen, donor-akseptor og dynamiske bindinger.

I det andre stadiet av forløpet av en kjemisk reaksjon - stadiet med elektronisk isomerisering, skjer den viktigste prosessen - transformasjonen av en sterk kovalent binding i det innledende reagensmolekylet til et svakere: hydrogen, donor-akseptor, dynamisk og selv van der Waals.

5. Det tredje trinnet i interaksjonen mellom den aktive partikkelen og reagensmolekylet - dissosiasjonen av den isomeriserte assosiasjonen med dannelsen av det endelige reaksjonsproduktet - er det begrensende og langsomste stadiet i hele prosessen.

Det store "trikset" med stoffers kjemiske natur

Det er dette stadiet som bestemmer de totale energikostnadene for hele tretrinnsprosessen av en kjemisk reaksjon. Og her ligger den store "utspekulasjonen" til stoffenes kjemiske natur. Den mest energikrevende prosessen - bruddet av den kovalente bindingen i reagenset - skjedde enkelt og grasiøst, nesten umerkelig i tid sammenlignet med det tredje, hastighetsbegrensende trinnet i reaksjonen. I vårt eksempel ble bindingen i et hydrogenmolekyl med en energi på 430 kJ/mol så lett og naturlig omdannet til en van der Waals-binding med en energi på 20 kJ/mol. Og alt energiforbruket til reaksjonen ble redusert til å bryte denne svake van der Waals-bindingen. Det er derfor energikostnadene som kreves for å bryte en kovalent binding kjemisk er mye mindre enn kostnadene ved termisk ødeleggelse av denne bindingen.

Dermed gir teorien om elementære interaksjoner begrepet "aktiveringsenergi" en streng fysisk betydning. Dette er energien som kreves for å bryte den tilsvarende kjemiske bindingen i tilknyttingen, hvis dannelse går foran sluttproduktet av den kjemiske reaksjonen.

Vi understreker nok en gang enheten i materiens kjemiske natur. Det kan inngå en reaksjon bare i ett tilfelle: når en aktiv partikkel vises. Og temperatur, katalysator og andre faktorer, med alle deres fysiske forskjeller, spiller samme rolle: initiativtakeren.

I. Tegn og betingelser for forekomst av kjemiske reaksjoner

Du kjenner allerede til mange stoffer, har observert deres transformasjoner og de medfølgende transformasjonene. tegn.

av de fleste hovedfunksjon kjemisk reaksjon er dannelsen av nye stoffer. Men dette kan også bedømmes ut fra noen ytre tegn på reaksjonsforløpet.

Ytre tegn på kjemiske reaksjoner:

nedbør
fargeendring
utgassing
utseendet til en lukt
absorpsjon og frigjøring av energi (varme, elektrisitet, lys)

Det er åpenbart det For forekomsten og forløpet av kjemiske reaksjoner er visse forhold nødvendige:

kontakt med initiale stoffer (reagenser)
oppvarming til en viss temperatur
bruk av stoffer som fremskynder en kjemisk reaksjon (katalysatorer)

II. Termisk effekt av en kjemisk reaksjon

DI. Mendeleev påpekte: den viktigste egenskapen til alle kjemiske reaksjoner er endringen i energi i prosessen med deres forekomst.

Hvert stoff har en viss mengde energi lagret i seg. Vi møter denne egenskapen til stoffer allerede til frokost, lunsj eller middag, siden matprodukter lar kroppen vår bruke energien til en rekke kjemiske forbindelser som finnes i mat. I kroppen omdannes denne energien til bevegelse, arbeid, og brukes til å opprettholde en konstant (og ganske høy!) kroppstemperatur.

Frigjøring eller absorpsjon av varme i prosessen med kjemiske reaksjoner skyldes det faktum at energi brukes på prosessen med ødeleggelse av noen stoffer (ødeleggelse av bindinger mellom atomer og molekyler) og frigjøres under dannelsen av andre stoffer (dannelse av bindinger mellom atomer og molekyler).

Energiendringer manifesteres enten i frigjøring eller absorpsjon av varme.

Reaksjoner som frigjør varme kalles eksotermisk (fra det greske "exo" - ut).

Reaksjoner som finner sted med absorpsjon av energi kallesendotermisk (fra det latinske "endo" - inni).

Oftest frigjøres eller absorberes energi i form av varme (sjeldnere, i form av lys eller mekanisk energi). Denne varmen kan måles. Resultatet av målingen uttrykkes i kilojoule (kJ) for én MOL av reaktanten eller (sjeldnere) for molen av reaksjonsproduktet. Mengden varme som frigjøres eller absorberes i en kjemisk reaksjon kalles den termiske effekten av reaksjonen(Q).

Eksoterm reaksjon:

Utgangsmaterialer → reaksjonsprodukter + Q kJ

Endoterm reaksjon:

Utgangsmaterialer → reaksjonsprodukter - Q kJ

Termiske effekter av kjemiske reaksjoner er nødvendig for mange tekniske beregninger. Se for deg selv et øyeblikk som designer av en kraftig rakett som er i stand til å skyte opp romskip og andre nyttelaster i bane.

Anta at du kjenner arbeidet (i kJ) som må brukes for å levere en rakett med last fra jordoverflaten til bane, vet du også arbeidet med å overvinne luftmotstand og andre energikostnader under flyturen. Hvordan beregne nødvendig tilførsel av hydrogen og oksygen, som (i flytende tilstand) brukes i denne raketten som drivstoff og oksidasjonsmiddel?

Uten hjelp av den termiske effekten av reaksjonen av dannelsen av vann fra hydrogen og oksygen, er dette vanskelig å gjøre. Tross alt er den termiske effekten selve energien som skal sette raketten i bane. I rakettens forbrenningskamre omdannes denne varmen til kinetisk energi til varme gassmolekyler (damp), som slipper ut av dysene og skaper jet-through.

I kjemisk industri er det nødvendig med termiske effekter for å beregne mengden varme til oppvarming av reaktorer der endoterme reaksjoner finner sted. I energisektoren, ved bruk av forbrenningsvarmen av drivstoff, beregnes genereringen av termisk energi.

Kostholdseksperter bruker de termiske effektene av matoksidasjon i kroppen for å formulere riktige dietter, ikke bare for pasienter, men også for friske mennesker - idrettsutøvere, arbeidere i ulike yrker. Tradisjonelt, for beregninger, brukes ikke joule her, men andre energienheter - kalorier (1 cal = 4,1868 J). Energiinnholdet i mat refererer til en viss masse av matvarer: til 1 g, til 100 g, eller til og med standardemballasjen til produktet. For eksempel, på etiketten til en krukke med kondensert melk, kan du lese følgende inskripsjon: "kaloriinnhold 320 kcal / 100 g."

Den grenen av kjemi som er opptatt av studiet av termiske effekter og kjemiske reaksjoner kalles termokjemi.

Ligningene for kjemiske reaksjoner der den termiske effekten er indikert kalles termokjemisk.

Evnen til å samhandle med forskjellige kjemiske reagenser bestemmes ikke bare av deres atomære og molekylære struktur, men også av betingelsene for forekomsten av kjemiske reaksjoner. Ved utøvelse av et kjemisk eksperiment ble disse forholdene intuitivt gjenkjent og empirisk tatt i betraktning, men teoretisk sett ble de egentlig ikke studert. I mellomtiden avhenger utbyttet av det resulterende reaksjonsproduktet i stor grad av dem.

Disse forholdene inkluderer først og fremst termodynamiske forhold som karakteriserer avhengigheten av reaksjoner på temperatur, trykk og noen andre faktorer. I enda større grad avhenger arten og spesielt reaksjonshastigheten av de kinetiske forholdene, som bestemmes av tilstedeværelsen av katalysatorer og andre tilsetningsstoffer til reagensene, samt påvirkningen av løsningsmidler, reaktorvegger og andre forhold.

Termodynamiske faktorer som har en betydelig innvirkning på hastigheten på kjemiske reaksjoner er temperaturen og trykket i reaktoren. Selv om enhver reaksjon tar en viss tid å fullføre, kan noen reaksjoner være veldig raske, mens andre kan være ekstremt langsomme. Således tar reaksjonen av dannelsen av et bunnfall av sølvklorid ved blanding av løsninger som inneholder sølv og klorioner flere sekunder. Samtidig kan en blanding av hydrogen og oksygen ved romtemperatur og normalt trykk lagres i årevis uten at det skjer noen reaksjon. Men så snart en elektrisk gnist passerer gjennom blandingen, vil det oppstå en eksplosjon. Dette eksemplet viser at hastigheten på kjemiske reaksjoner påvirkes av mange forskjellige forhold: eksponering for elektrisitet, ultrafiolett og røntgenstråler, konsentrasjonen av reagenser, omrøring av dem og til og med tilstedeværelsen av andre stoffer som ikke deltar i reaksjonen.

I dette tilfellet forløper reaksjoner som oppstår i et homogent system bestående av en enkelt fase, som regel raskere enn i et heterogent system bestående av flere faser. Et typisk eksempel på en homogen reaksjon er reaksjonen av det naturlige forfallet av et radioaktivt stoff, hvis hastighet er proporsjonal med konsentrasjonen av stoffet R. Denne hastigheten kan uttrykkes med differensialligningen:

hvor til - reaksjonshastighetskonstant;

R er konsentrasjonen av stoffet.

En slik reaksjon kalles en førsteordens reaksjon, og tiden som kreves for at den opprinnelige mengden av et stoff skal reduseres til det halve kalles halvt liv.

Hvis reaksjonen skjer som et resultat av samspillet mellom to molekyler Å B, da vil hastigheten være proporsjonal med antall kollisjoner. Det har blitt funnet at dette tallet er proporsjonalt med konsentrasjonen av molekyler A og B. Deretter kan vi bestemme hastigheten på en annenordens reaksjon i differensialform:

Hastigheten er svært avhengig av temperaturen. Empiriske studier har fastslått at for nesten alle kjemiske reaksjoner dobles hastigheten for temperaturøkning med 10 °C omtrent. Imidlertid observeres også avvik fra denne empiriske regelen, når hastigheten bare kan øke 1,5 ganger, og omvendt, øker reaksjonshastigheten i noen tilfeller, for eksempel under denaturering av eggalbumin (når du koker egg), 50 ganger. Imidlertid bør man ikke glemme at disse forholdene kan påvirke naturen og resultatet av kjemiske reaksjoner med en viss struktur av molekylene til kjemiske forbindelser.

De mest aktive i denne forbindelse er forbindelser med variabel sammensetning med svekkede bindinger mellom komponentene. Det er på dem at virkningen av forskjellige katalysatorer først og fremst er rettet, noe som betydelig akselererer løpet av kjemiske reaksjoner. Termodynamiske faktorer som temperatur og trykk har mindre effekt på reaksjoner. Til sammenligning kan vi gi reaksjonen av syntesen av ammoniakk fra nitrogen og hydrogen. Til å begynne med kunne det ikke gjennomføres verken ved hjelp av høyt trykk eller høy temperatur, og kun bruk av spesialbehandlet jern som katalysator førte til suksess for første gang. Imidlertid er denne reaksjonen forbundet med store teknologiske vanskeligheter, som ble overvunnet etter at den metallorganiske katalysatoren ble brukt. I dens nærvær skjer ammoniakksyntese ved en normal temperatur på 18 ° C og normalt atmosfærisk trykk, noe som åpner for store muligheter ikke bare for produksjon av gjødsel, men i fremtiden en slik endring i den genetiske strukturen til korn (rug og hvete). ) når de ikke trenger nitrogengjødsel. Enda større muligheter og utsikter oppstår ved bruk av katalysatorer i andre grener av den kjemiske industrien, spesielt i "fin" og "tung" organisk syntese.

Uten å gi flere eksempler på den ekstremt høye effektiviteten til katalysatorer i å akselerere kjemiske reaksjoner, bør vi være spesielt oppmerksomme på det faktum at fremveksten og utviklingen av liv på jorden ville være umulig uten eksistensen av enzymer fungerer som i hovedsak levende katalysatorer.

Til tross for at enzymer har felles egenskaper som er iboende i alle katalysatorer, er de imidlertid ikke identiske med sistnevnte, siden de fungerer i levende systemer. Derfor løper alle forsøk på å bruke opplevelsen av levende natur til å akselerere kjemiske prosesser i den uorganiske verden inn i alvorlige begrensninger. Vi kan bare snakke om å modellere noen av funksjonene til enzymer og bruke disse modellene for teoretisk analyse av aktiviteten til levende systemer, og også delvis for praktisk anvendelse av isolerte enzymer for å fremskynde noen kjemiske reaksjoner.

Gjennom livet blir vi konstant konfrontert med fysiske og kjemiske fenomener. Naturlige fysiske fenomener er så kjente for oss at vi ikke har lagt stor vekt på dem på lenge. Det foregår hele tiden kjemiske reaksjoner i kroppen vår. Energien som frigjøres under kjemiske reaksjoner brukes konstant i hverdagen, i produksjonen og ved oppskyting av romfartøy. Mange av materialene som tingene rundt oss er laget av, er ikke tatt i naturen i ferdig form, men er laget ved hjelp av kjemiske reaksjoner. I hverdagen gir det ikke mye mening for oss å forstå hva som skjedde. Men når man studerer fysikk og kjemi på et tilstrekkelig nivå, er denne kunnskapen uunnværlig. Hvordan skille fysiske fenomener fra kjemiske? Er det noen tegn som kan hjelpe å gjøre dette?

I kjemiske reaksjoner dannes det nye stoffer fra noen stoffer, som er forskjellige fra de opprinnelige. Ved forsvinningen av tegnene til det første og utseendet til tegnene til det andre, samt ved frigjøring eller absorpsjon av energi, konkluderer vi med at en kjemisk reaksjon har skjedd.

Hvis en kobberplate er kalsinert, vises et svart belegg på overflaten; blåsing av karbondioksid gjennom kalkvann gir et hvitt bunnfall; når ved brenner, dukker det opp vanndråper på de kalde veggene i karet; når magnesium brennes, oppnås et hvitt pulver.

Det viser seg at tegnene på kjemiske reaksjoner er en endring i farge, lukt, dannelsen av et bunnfall, utseendet til en gass.

Når man vurderer kjemiske reaksjoner, er det nødvendig å være oppmerksom ikke bare på hvordan de fortsetter, men også på betingelsene som må oppfylles for at reaksjonen skal starte og fortsette.

Så, hvilke betingelser må være oppfylt for at en kjemisk reaksjon skal begynne?

For dette er det først og fremst nødvendig å bringe de reagerende stoffene i kontakt (kombiner, bland dem). Jo mer knuste stoffene, jo større er kontaktflaten deres, jo raskere og mer aktivt fortsetter reaksjonen mellom dem. For eksempel er sukkerklumper vanskelig å antenne, men knust og sprayet i luften brenner det ut i løpet av brøkdeler av et sekund, og danner en slags eksplosjon.

Ved hjelp av oppløsning kan vi bryte stoffet i bittesmå partikler. Noen ganger letter den foreløpige oppløsningen av utgangsstoffene den kjemiske reaksjonen mellom stoffene.

I noen tilfeller er kontakten av stoffer, som for eksempel jern med fuktig luft, nok til at det oppstår en reaksjon. Men oftere enn ikke er en kontakt med stoffer ikke nok for dette: Noen andre betingelser må oppfylles.

Så kobber reagerer ikke med atmosfærisk oksygen ved en lav temperatur på omtrent 20˚-25˚С. For å forårsake reaksjonen av kombinasjonen av kobber med oksygen, er det nødvendig å ty til oppvarming.

Oppvarming påvirker forekomsten av kjemiske reaksjoner på forskjellige måter. Noen reaksjoner krever kontinuerlig oppvarming. Oppvarmingen stopper - den kjemiske reaksjonen stopper. For eksempel er konstant oppvarming nødvendig for å dekomponere sukker.

I andre tilfeller kreves oppvarming bare for at reaksjonen skal skje, det gir en impuls, og deretter fortsetter reaksjonen uten oppvarming. For eksempel observerer vi slik oppvarming under forbrenning av magnesium, tre og andre brennbare stoffer.

blog.site, med hel eller delvis kopiering av materialet, kreves en lenke til kilden.