La velocità di una reazione chimica dipende da molti fattori, tra cui la natura dei reagenti, la loro concentrazione, la temperatura e la presenza di catalizzatori. Consideriamo questi fattori.
1). Natura dei reagenti. Se esiste un'interazione tra sostanze con un legame ionico, la reazione procede più velocemente rispetto a tra sostanze con un legame covalente.
2.) Concentrazione dei reagenti. Perché avvenga una reazione chimica è necessario che le molecole delle sostanze reagenti entrino in collisione. Cioè, le molecole devono avvicinarsi così tanto l'una all'altra che gli atomi di una particella subiscono l'azione dei campi elettrici dell'altra. Solo in questo caso saranno possibili le transizioni elettroniche e i corrispondenti riarrangiamenti degli atomi, a seguito dei quali si formeranno molecole di nuove sostanze. Pertanto, la velocità delle reazioni chimiche è proporzionale al numero di collisioni che si verificano tra le molecole e il numero di collisioni, a sua volta, è proporzionale alla concentrazione dei reagenti. Sulla base di materiale sperimentale, gli scienziati norvegesi Guldberg e Waage e, indipendentemente da loro, lo scienziato russo Beketov nel 1867 formularono la legge fondamentale della cinetica chimica: legge dell’azione di massa(ZDM): a temperatura costante, la velocità di una reazione chimica è direttamente proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti per la potenza dei loro coefficienti stechiometrici. Per il caso generale:
la legge dell’azione di massa ha la forma:
Viene chiamata la registrazione della legge dell'azione di massa per una data reazione equazione cinetica fondamentale della reazione. Nell'equazione cinetica di base, k è la costante della velocità di reazione, che dipende dalla natura dei reagenti e dalla temperatura.
La maggior parte delle reazioni chimiche sono reversibili. Durante tali reazioni, i loro prodotti, accumulandosi, reagiscono tra loro per formare le sostanze di partenza:
Velocità di reazione diretta:
Velocità di feedback:
Al momento dell’equilibrio:
Quindi la legge dell’azione di massa in uno stato di equilibrio assume la forma:
,
dove K è la costante di equilibrio della reazione.
3) Effetto della temperatura sulla velocità di reazione. La velocità delle reazioni chimiche, di regola, aumenta quando la temperatura viene superata. Consideriamolo usando l'esempio dell'interazione dell'idrogeno con l'ossigeno.
2H2 + O2 = 2H2O
A 20°C la velocità di reazione è praticamente nulla e occorrerebbero 54 miliardi di anni affinché l'interazione progredisca del 15%. A 500 0 C, ci vorranno 50 minuti per formare acqua e a 700 0 C la reazione avviene istantaneamente.
Viene espressa la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura non la regola di Hoff: con un aumento della temperatura di 10 o, la velocità di reazione aumenta di 2–4 volte. La regola di Van't Hoff è scritta:
4) Effetto dei catalizzatori. La velocità delle reazioni chimiche può essere controllata utilizzando catalizzatori– sostanze che modificano la velocità di una reazione e rimangono dopo la reazione in quantità invariate. La modifica della velocità di una reazione in presenza di un catalizzatore è chiamata catalisi. Distinguere positivo(la velocità di reazione aumenta) e negativo(la velocità di reazione diminuisce) catalisi. A volte durante una reazione si forma un catalizzatore; tali processi sono chiamati autocatalitici. Esistono catalisi omogenea ed eterogenea.
A omogeneo Nella catalisi, il catalizzatore e i reagenti si trovano nella stessa fase. Per esempio:
A eterogeneo Nella catalisi, il catalizzatore e i reagenti si trovano in fasi diverse. Per esempio:
La catalisi eterogenea è associata a processi enzimatici. Tutti i processi chimici che avvengono negli organismi viventi sono catalizzati da enzimi, che sono proteine con determinate funzioni specializzate. Nelle soluzioni in cui hanno luogo processi enzimatici, non esiste un tipico ambiente eterogeneo, a causa dell'assenza di un'interfaccia di fase chiaramente definita. Tali processi sono indicati come catalisi microeterogenea.
Nella vita incontriamo diverse reazioni chimiche. Alcuni di essi, come la ruggine del ferro, possono durare diversi anni. Altri, come la fermentazione dello zucchero in alcol, richiedono diverse settimane. La legna da ardere in una stufa brucia in un paio d'ore e la benzina in un motore brucia in una frazione di secondo.
Per ridurre i costi delle attrezzature, gli impianti chimici aumentano la velocità delle reazioni. E alcuni processi, ad esempio il deterioramento degli alimenti e la corrosione dei metalli, devono essere rallentati.
Velocità di reazione chimica può essere espresso come variazione della quantità di materia (n, modulo) per unità di tempo (t) - confronta la velocità di un corpo in movimento in fisica come variazione delle coordinate per unità di tempo: υ = Δx/Δt. Affinché la velocità non dipenda dal volume del recipiente in cui avviene la reazione, dividiamo l'espressione per il volume delle sostanze reagenti (v), ad es. otteniamo variazione della quantità di una sostanza per unità di tempo per unità di volume, o variazione della concentrazione di una delle sostanze nell'unità di tempo:
n2 − n1Δn
υ = –––––––––– = –––––––– = Δс/Δt (1)
(t2 − t1) vΔt v
dove c = n/v è la concentrazione della sostanza,
Δ (leggi "delta") è una designazione generalmente accettata per una variazione di valore.
Se le sostanze hanno coefficienti diversi nell'equazione, la velocità di reazione per ciascuna di esse calcolata utilizzando questa formula sarà diversa. Ad esempio, 2 moli di anidride solforosa reagiscono completamente con 1 mole di ossigeno in 10 secondi in 1 litro:
2SO2 + O2 = 2SO3
Il tasso di ossigeno sarà: υ = 1: (10 1) = 0,1 mol/l·s
Velocità per l'anidride solforosa: υ = 2: (10 1) = 0,2 mol/l·s- non è necessario memorizzarlo e dirlo durante l'esame, l'esempio è fornito per non confondersi se si pone questa domanda.
La velocità delle reazioni eterogenee (che coinvolgono i solidi) è spesso espressa per unità di superficie delle superfici a contatto:
Δn
υ = –––––– (2)
Δt S
Le reazioni si dicono eterogenee quando i reagenti si trovano in fasi diverse:
- un solido con un altro solido, liquido o gas,
- due liquidi immiscibili
- liquido con gas.
Reazioni omogenee si verificano tra le sostanze in una fase:
- tra liquidi ben miscelati,
- gas,
- sostanze in soluzioni.
Condizioni che influenzano la velocità delle reazioni chimiche
1) La velocità di reazione dipende da natura dei reagenti. In poche parole, sostanze diverse reagiscono a velocità diverse. Ad esempio, lo zinco reagisce violentemente con l'acido cloridrico, mentre il ferro reagisce piuttosto lentamente.
2) Maggiore è la velocità di reazione, più veloce è concentrazione sostanze. Lo zinco reagirà molto più a lungo con un acido altamente diluito.
3) La velocità di reazione aumenta notevolmente con l'aumentare temperatura. Ad esempio, affinché il combustibile bruci, è necessario accenderlo, cioè aumentare la temperatura. Per molte reazioni, un aumento di 10°C della temperatura è accompagnato da un aumento della velocità di 2-4 volte.
4) Velocità eterogeneo le reazioni aumentano con l'aumentare superfici delle sostanze reagenti. I solidi vengono solitamente macinati per questo scopo. Ad esempio, affinché le polveri di ferro e zolfo possano reagire quando riscaldate, il ferro deve presentarsi sotto forma di segatura fine.
Tieni presente che in questo caso la formula (1) è implicita! La formula (2) esprime la velocità per unità di superficie, quindi non può dipendere dall'area.
5) La velocità della reazione dipende dalla presenza di catalizzatori o inibitori.
Catalizzatori- sostanze che accelerano le reazioni chimiche, ma non vengono consumate. Un esempio è la rapida decomposizione del perossido di idrogeno con l'aggiunta di un catalizzatore: ossido di manganese (IV):
2H2O2 = 2H2O + O2
L'ossido di manganese (IV) rimane sul fondo e può essere riutilizzato.
Inibitori- sostanze che rallentano la reazione. Ad esempio, gli inibitori della corrosione vengono aggiunti a un sistema di riscaldamento dell’acqua per prolungare la durata dei tubi e delle batterie. Nelle automobili, gli inibitori della corrosione vengono aggiunti al liquido dei freni e al liquido di raffreddamento.
Qualche altro esempio.
Nella vita incontriamo diverse reazioni chimiche. Alcuni di essi, come la ruggine del ferro, possono durare diversi anni. Altri, come la fermentazione dello zucchero in alcol, richiedono diverse settimane. La legna da ardere in una stufa brucia in un paio d'ore e la benzina in un motore brucia in una frazione di secondo.
Per ridurre i costi delle attrezzature, gli impianti chimici aumentano la velocità delle reazioni. E alcuni processi, ad esempio il deterioramento degli alimenti e la corrosione dei metalli, devono essere rallentati.
Velocità di reazione chimica può essere espresso come variazione della quantità di materia (n, modulo) per unità di tempo (t) - confronta la velocità di un corpo in movimento in fisica come variazione delle coordinate per unità di tempo: υ = Δx/Δt. Affinché la velocità non dipenda dal volume del recipiente in cui avviene la reazione, dividiamo l'espressione per il volume delle sostanze reagenti (v), ad es. otteniamo variazione della quantità di una sostanza per unità di tempo per unità di volume, o variazione della concentrazione di una delle sostanze nell'unità di tempo:
n2 − n1Δn
υ = –––––––––– = –––––––– = Δс/Δt (1)
(t2 − t1) vΔt v
dove c = n/v è la concentrazione della sostanza,
Δ (leggi "delta") è una designazione generalmente accettata per una variazione di valore.
Se le sostanze hanno coefficienti diversi nell'equazione, la velocità di reazione per ciascuna di esse calcolata utilizzando questa formula sarà diversa. Ad esempio, 2 moli di anidride solforosa reagiscono completamente con 1 mole di ossigeno in 10 secondi in 1 litro:
2SO2 + O2 = 2SO3
Il tasso di ossigeno sarà: υ = 1: (10 1) = 0,1 mol/l·s
Velocità per l'anidride solforosa: υ = 2: (10 1) = 0,2 mol/l·s- non è necessario memorizzarlo e dirlo durante l'esame, l'esempio è fornito per non confondersi se si pone questa domanda.
La velocità delle reazioni eterogenee (che coinvolgono i solidi) è spesso espressa per unità di superficie delle superfici a contatto:
Δn
υ = –––––– (2)
Δt S
Le reazioni si dicono eterogenee quando i reagenti si trovano in fasi diverse:
- un solido con un altro solido, liquido o gas,
- due liquidi immiscibili
- liquido con gas.
Reazioni omogenee si verificano tra le sostanze in una fase:
- tra liquidi ben miscelati,
- gas,
- sostanze in soluzioni.
Condizioni che influenzano la velocità delle reazioni chimiche
1) La velocità di reazione dipende da natura dei reagenti. In poche parole, sostanze diverse reagiscono a velocità diverse. Ad esempio, lo zinco reagisce violentemente con l'acido cloridrico, mentre il ferro reagisce piuttosto lentamente.
2) Maggiore è la velocità di reazione, più veloce è concentrazione sostanze. Lo zinco reagirà molto più a lungo con un acido altamente diluito.
3) La velocità di reazione aumenta notevolmente con l'aumentare temperatura. Ad esempio, affinché il combustibile bruci, è necessario accenderlo, cioè aumentare la temperatura. Per molte reazioni, un aumento di 10°C della temperatura è accompagnato da un aumento della velocità di 2-4 volte.
4) Velocità eterogeneo le reazioni aumentano con l'aumentare superfici delle sostanze reagenti. I solidi vengono solitamente macinati per questo scopo. Ad esempio, affinché le polveri di ferro e zolfo possano reagire quando riscaldate, il ferro deve presentarsi sotto forma di segatura fine.
Tieni presente che in questo caso la formula (1) è implicita! La formula (2) esprime la velocità per unità di superficie, quindi non può dipendere dall'area.
5) La velocità della reazione dipende dalla presenza di catalizzatori o inibitori.
Catalizzatori- sostanze che accelerano le reazioni chimiche, ma non vengono consumate. Un esempio è la rapida decomposizione del perossido di idrogeno con l'aggiunta di un catalizzatore: ossido di manganese (IV):
2H2O2 = 2H2O + O2
L'ossido di manganese (IV) rimane sul fondo e può essere riutilizzato.
Inibitori- sostanze che rallentano la reazione. Ad esempio, gli inibitori della corrosione vengono aggiunti a un sistema di riscaldamento dell’acqua per prolungare la durata dei tubi e delle batterie. Nelle automobili, gli inibitori della corrosione vengono aggiunti al liquido dei freni e al liquido di raffreddamento.
Qualche altro esempio.
Le reazioni chimiche avvengono a velocità diverse: a bassa velocità durante la formazione di stalattiti e stalagmiti, a velocità media durante la cottura del cibo, istantaneamente durante un'esplosione. Le reazioni avvengono molto rapidamente nelle soluzioni acquose.
Determinare la velocità di una reazione chimica, così come chiarire la sua dipendenza dalle condizioni del processo, è compito della cinetica chimica, la scienza che studia gli schemi delle reazioni chimiche nel tempo.
Se le reazioni chimiche si verificano in un mezzo omogeneo, ad esempio in una soluzione o in fase gassosa, l'interazione delle sostanze reagenti avviene in tutto il volume. Tali reazioni sono chiamate omogeneo.
(v homog) è definito come la variazione della quantità di sostanza per unità di tempo per unità di volume:
dove Δn è la variazione del numero di moli di una sostanza (molto spesso l'originale, ma può anche essere un prodotto di reazione); Δt - intervallo di tempo (s, min); V è il volume del gas o della soluzione (l).
Poiché il rapporto tra la quantità di sostanza e il volume rappresenta la concentrazione molare C, allora
Pertanto, la velocità di una reazione omogenea è definita come la variazione della concentrazione di una delle sostanze nell'unità di tempo:
se il volume del sistema non cambia.
Se una reazione avviene tra sostanze in diversi stati di aggregazione (ad esempio tra un solido e un gas o un liquido), o tra sostanze che non sono in grado di formare un mezzo omogeneo (ad esempio tra liquidi immiscibili), allora avviene solo su la superficie di contatto delle sostanze. Tali reazioni sono chiamate eterogeneo.
Definito come la variazione della quantità di sostanza per unità di tempo su un'unità di superficie.
dove S è la superficie di contatto delle sostanze (m 2, cm 2).
Una variazione nella quantità di una sostanza in base alla quale viene determinata la velocità di reazione è un fattore esterno osservato dal ricercatore. In effetti, tutti i processi vengono eseguiti a livello micro. Ovviamente, affinché alcune particelle possano reagire, devono prima scontrarsi, e scontrarsi in modo efficace: non sparpagliandosi come palline in direzioni diverse, ma in modo tale che i “vecchi legami” vengano distrutti o indeboliti nelle particelle e quelli “nuovi” possano forma.", e per questo le particelle devono avere energia sufficiente.
I dati calcolati mostrano che, ad esempio, nei gas, le collisioni di molecole a pressione atmosferica ammontano a miliardi al secondo, ovvero tutte le reazioni dovrebbero avvenire istantaneamente. Ma non è vero. Si scopre che solo una piccolissima frazione di molecole possiede l'energia necessaria per provocare collisioni efficaci.
Viene chiamata l'energia minima in eccesso che una particella (o una coppia di particelle) deve avere affinché avvenga una collisione efficace energia di attivazione Ea.
Pertanto, sul percorso di tutte le particelle che entrano nella reazione c'è una barriera energetica pari all'energia di attivazione E a. Quando è piccolo, ci sono molte particelle che possono superarlo e la velocità di reazione è elevata. Altrimenti è necessaria una “spinta”. Quando si accende una lampada ad alcool con un fiammifero, si trasmette l'energia aggiuntiva E necessaria per l'efficace collisione delle molecole di alcol con le molecole di ossigeno (superando la barriera).
La velocità di una reazione chimica dipende da molti fattori. I principali sono: la natura e la concentrazione dei reagenti, la pressione (nelle reazioni che coinvolgono gas), la temperatura, l'azione dei catalizzatori e la superficie dei reagenti nel caso di reazioni eterogenee.
Temperatura
All’aumentare della temperatura, nella maggior parte dei casi la velocità di una reazione chimica aumenta in modo significativo. Nel 19 ° secolo Il chimico olandese J. X. van't Hoff formulò la regola:
Ogni aumento di 10°C della temperatura porta ad un aumento dellavelocità di reazione 2-4 volte(questo valore è chiamato coefficiente di temperatura della reazione).
All’aumentare della temperatura, la velocità media delle molecole, la loro energia e il numero di collisioni aumentano leggermente, ma la percentuale di molecole “attive” che partecipano a collisioni efficaci che superano la barriera energetica della reazione aumenta notevolmente. Matematicamente questa dipendenza è espressa dalla relazione:
dove v t 1 e v t 2 sono le velocità di reazione, rispettivamente, alle temperature finale t 2 e iniziale t 1, e γ è il coefficiente di temperatura della velocità di reazione, che mostra quante volte la velocità di reazione aumenta ad ogni aumento di 10 °C nella temperatura.
Tuttavia, per aumentare la velocità di reazione, non è sempre possibile aumentare la temperatura, poiché le sostanze di partenza potrebbero iniziare a decomporsi, i solventi o le sostanze stesse potrebbero evaporare, ecc.
Reazioni endotermiche ed esotermiche
È noto che la reazione del metano con l'ossigeno atmosferico è accompagnata dal rilascio di una grande quantità di calore. Pertanto, viene utilizzato nella vita di tutti i giorni per cucinare, scaldare l'acqua e riscaldare. Il gas naturale fornito alle case attraverso i tubi è composto per il 98% da metano. La reazione dell'ossido di calcio (CaO) con l'acqua è accompagnata anche dal rilascio di una grande quantità di calore.
Cosa possono indicare questi fatti? Quando si formano nuovi legami chimici nei prodotti della reazione, Di più energia necessaria per rompere i legami chimici nei reagenti. L'energia in eccesso viene rilasciata sotto forma di calore e talvolta di luce.
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (energia (luce, calore));
CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (energia (calore)).
Tali reazioni dovrebbero avvenire facilmente (come una pietra rotola facilmente in discesa).
Vengono chiamate le reazioni in cui viene rilasciata energia ESOTERMICO(dal latino “exo” - fuori).
Ad esempio, molte reazioni redox sono esotermiche. Una di queste bellissime reazioni è l'ossidazione-riduzione intramolecolare che avviene all'interno dello stesso sale - bicromato di ammonio (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 (energia).
Un'altra cosa è il contraccolpo. Sono analoghi al far rotolare una pietra su una collina. Non è ancora stato possibile ottenere metano dalla CO 2 e dall'acqua, ed è necessario un forte riscaldamento per ottenere la calce viva CaO dall'idrossido di calcio Ca(OH) 2. Questa reazione avviene solo con un flusso costante di energia dall'esterno:
Ca(OH)2 = CaO + H2O - Q (energia (calore))
Ciò suggerisce che la rottura dei legami chimici nel Ca(OH) 2 richiede più energia di quella che può essere rilasciata durante la formazione di nuovi legami chimici nelle molecole di CaO e H 2 O.
Vengono chiamate le reazioni in cui viene assorbita energia ENDOTERMICO(da “endo” - verso l'interno).
Concentrazione dei reagenti
Una variazione di pressione quando alla reazione partecipano sostanze gassose porta anche a una variazione della concentrazione di queste sostanze.
Perché si verifichino interazioni chimiche tra le particelle, queste devono effettivamente scontrarsi. Maggiore è la concentrazione dei reagenti, maggiori saranno le collisioni e, di conseguenza, maggiore sarà la velocità di reazione. Ad esempio, l'acetilene brucia molto rapidamente nell'ossigeno puro. In questo caso si sviluppa una temperatura sufficiente a fondere il metallo. Sulla base di una grande quantità di materiale sperimentale, nel 1867 i norvegesi K. Guldenberg e P. Waage e indipendentemente da loro nel 1865, lo scienziato russo N. I. Beketov formulò la legge fondamentale della cinetica chimica, stabilendo la dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione delle sostanze reagenti.
La velocità di una reazione chimica è proporzionale al prodotto delle concentrazioni delle sostanze reagenti, prese a potenze pari ai loro coefficienti nell'equazione di reazione.
Questa legge è anche chiamata legge dell’azione di massa.
Per la reazione A + B = D, questa legge sarà espressa come segue:
Per la reazione 2A + B = D, questa legge sarà espressa come segue:
Qui CA, C B sono le concentrazioni delle sostanze A e B (mol/l); k 1 e k 2 sono coefficienti di proporzionalità, chiamati costanti di velocità di reazione.
Il significato fisico della costante di velocità di reazione non è difficile da stabilire: è numericamente uguale alla velocità di reazione in cui le concentrazioni dei reagenti sono 1 mol/lo il loro prodotto è uguale all'unità. In questo caso è chiaro che la costante di velocità di reazione dipende solo dalla temperatura e non dalla concentrazione delle sostanze.
Legge dell'azione di massa non tiene conto della concentrazione dei reagenti allo stato solido, perché reagiscono sulle superfici e le loro concentrazioni sono generalmente costanti.
Ad esempio, per una reazione di combustione del carbone, l'espressione della velocità di reazione dovrebbe essere scritta come segue:
cioè, la velocità di reazione è proporzionale solo alla concentrazione di ossigeno.
Se l'equazione di reazione descrive solo una reazione chimica totale che avviene in più fasi, la velocità di tale reazione può dipendere in modo complesso dalle concentrazioni delle sostanze di partenza. Questa dipendenza è determinata sperimentalmente o teoricamente in base al meccanismo di reazione proposto.
Azione dei catalizzatori
È possibile aumentare la velocità di una reazione utilizzando sostanze speciali che modificano il meccanismo della reazione e la indirizzano lungo un percorso energeticamente più favorevole con un'energia di attivazione inferiore. Si chiamano catalizzatori (dal latino katalysis - distruzione).
Il catalizzatore funge da guida esperta, guidando un gruppo di turisti non attraverso un passo alto in montagna (superarlo richiede molto impegno e tempo e non è accessibile a tutti), ma lungo i sentieri di circonvallazione a lui noti, lungo i quali si può superare la montagna molto più facilmente e velocemente.
È vero, utilizzando il percorso rotatorio non è possibile arrivare esattamente dove conduce il passo principale. Ma a volte questo è esattamente ciò che serve! Questo è esattamente il modo in cui agiscono i catalizzatori chiamati selettivi. È chiaro che non è necessario bruciare ammoniaca e azoto, ma nella produzione di acido nitrico viene utilizzato l'ossido nitrico (II).
Catalizzatori- si tratta di sostanze che partecipano a una reazione chimica e ne cambiano la velocità o la direzione, ma alla fine della reazione rimangono invariate quantitativamente e qualitativamente.
La modifica della velocità di una reazione chimica o della sua direzione utilizzando un catalizzatore è chiamata catalisi. I catalizzatori sono ampiamente utilizzati in varie industrie e nei trasporti (convertitori catalitici che convertono gli ossidi di azoto dei gas di scarico delle automobili in azoto innocuo).
Esistono due tipi di catalisi.
Catalisi omogenea, in cui sia il catalizzatore che i reagenti si trovano nello stesso stato di aggregazione (fase).
Catalisi eterogenea, in cui il catalizzatore e i reagenti si trovano in fasi diverse. Ad esempio, la decomposizione del perossido di idrogeno in presenza di un catalizzatore solido di ossido di manganese (IV):
Il catalizzatore stesso non si consuma a seguito della reazione, ma se altre sostanze vengono adsorbite sulla sua superficie (chiamate veleni catalitici), la superficie diventa inutilizzabile ed è necessaria la rigenerazione del catalizzatore. Pertanto, prima di effettuare la reazione catalitica, i materiali di partenza vengono accuratamente purificati.
Ad esempio, nella produzione di acido solforico mediante metodo di contatto, viene utilizzato un catalizzatore solido: ossido di vanadio (V) V 2 O 5:
Nella produzione di metanolo viene utilizzato un catalizzatore solido “zinco-cromo” (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):
I catalizzatori biologici - gli enzimi - funzionano in modo molto efficace. Per natura chimica sono proteine. Grazie a loro, reazioni chimiche complesse si verificano ad alta velocità negli organismi viventi a basse temperature.
Sono note altre sostanze interessanti: gli inibitori (dal latino inhibere - ritardare). Reagiscono con particelle attive ad alta velocità per formare composti a bassa attività. Di conseguenza, la reazione rallenta bruscamente e poi si ferma. Gli inibitori vengono spesso aggiunti specificamente a varie sostanze per prevenire processi indesiderati.
Ad esempio, le soluzioni di perossido di idrogeno vengono stabilizzate utilizzando inibitori.
La natura delle sostanze reagenti (loro composizione, struttura)
Senso energie di attivazioneè il fattore attraverso il quale viene influenzata l'influenza della natura delle sostanze reagenti sulla velocità di reazione.
Se l'energia di attivazione è bassa (< 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.
Se l'energia di attivazione è alta(> 120 kJ/mol), ciò significa che solo una piccola frazione di collisioni tra particelle interagenti porta a una reazione. La velocità di tale reazione è quindi molto bassa. Ad esempio, l’avanzamento della reazione di sintesi dell’ammoniaca a temperature normali è quasi impossibile da notare.
Se le energie di attivazione delle reazioni chimiche hanno valori intermedi (40120 kJ/mol), la velocità di tali reazioni sarà media. Tali reazioni includono l'interazione del sodio con acqua o alcol etilico, la decolorazione dell'acqua di bromo con etilene, l'interazione dello zinco con acido cloridrico, ecc.
Superficie di contatto delle sostanze reagenti
La velocità delle reazioni che si verificano sulla superficie delle sostanze, cioè eterogenee, dipende, a parità di altre condizioni, dalle proprietà di questa superficie. È noto che il gesso in polvere si dissolve nell'acido cloridrico molto più velocemente di un pezzo di gesso di uguale peso.
L'aumento della velocità di reazione è dovuto principalmente a aumentando la superficie di contatto delle sostanze di partenza, così come una serie di altri motivi, ad esempio una violazione della struttura del reticolo cristallino "corretto". Ciò porta al fatto che le particelle sulla superficie dei microcristalli risultanti sono molto più reattive delle stesse particelle su una superficie “liscia”.
Nell'industria, per realizzare reazioni eterogenee, si utilizza un “letto fluidizzato” per aumentare la superficie di contatto delle sostanze reagenti, l'apporto di sostanze di partenza e l'allontanamento dei prodotti. Ad esempio, nella produzione di acido solforico, le piriti vengono cotte utilizzando un “letto fluidizzato”.
Materiale di riferimento per sostenere il test:
Tavolo Mendeleev
Tabella di solubilità
Una reazione chimica è la trasformazione di una sostanza in un'altra.
Qualunque sia il tipo di reazioni chimiche, vengono effettuate a velocità diverse. Ad esempio, le trasformazioni geochimiche nelle viscere della Terra (formazione di idrati cristallini, idrolisi dei sali, sintesi o decomposizione dei minerali) avvengono per migliaia, milioni di anni. E reazioni come la combustione di polvere da sparo, idrogeno, salnitro e sale di Berthollet avvengono in frazioni di secondi.
La velocità di una reazione chimica si riferisce alla variazione della quantità di reagenti (o prodotti di reazione) per unità di tempo. Il concetto più comunemente usato velocità media di reazione (Δc p) nell'intervallo di tempo.
v av = ± ∆C/∆t
Per i prodotti ∆С > 0, per le sostanze di partenza -∆С< 0. Наиболее употребляемая единица измерения - моль на литр в секунду (моль/л*с).
La velocità di ciascuna reazione chimica dipende da molti fattori: la natura delle sostanze reagenti, la concentrazione delle sostanze reagenti, i cambiamenti nella temperatura di reazione, il grado di macinazione delle sostanze reagenti, i cambiamenti di pressione e l'introduzione di un catalizzatore nel mezzo di reazione.
Natura dei reagenti influenza significativamente la velocità di una reazione chimica. Ad esempio, considera l'interazione di alcuni metalli con un componente permanente: l'acqua. Definiamo i metalli: Na, Ca, Al, Au. Il sodio reagisce molto violentemente con l'acqua a temperatura ordinaria, rilasciando una grande quantità di calore.
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 + Q;
Il calcio reagisce meno vigorosamente con l'acqua a temperature ordinarie:
Ca + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + H 2 + Q;
L'alluminio reagisce con l'acqua già a temperature elevate:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)z + ZH2 - Q;
E l'oro è uno dei metalli inattivi, non reagisce con l'acqua né a temperature normali né a temperature elevate.
La velocità di una reazione chimica dipende direttamente da concentrazioni di reagenti . Quindi, per la reazione:
C2H4 + 3O2 = 2CO2 + 2H2O;
L’espressione per la velocità di reazione è:
v = k**[O2]3 ;
Dove k è la costante di velocità di una reazione chimica, numericamente uguale alla velocità di tale reazione, a condizione che le concentrazioni dei componenti reagenti siano pari a 1 g/mol; i valori di [C 2 H 4 ] e [O 2 ] 3 corrispondono alle concentrazioni delle sostanze reagenti elevate alla potenza dei loro coefficienti stechiometrici. Maggiore è la concentrazione di [C 2 H 4 ] o [O 2 ], maggiore è il numero di collisioni di molecole di queste sostanze nell'unità di tempo e quindi maggiore è la velocità della reazione chimica.
Anche le velocità delle reazioni chimiche, di regola, dipendono direttamente sulla temperatura di reazione . Naturalmente, con l'aumentare della temperatura, aumenta l'energia cinetica delle molecole, il che porta anche a maggiori collisioni di molecole nell'unità di tempo. Numerosi esperimenti hanno dimostrato che per ogni variazione di temperatura di 10 gradi, la velocità di reazione cambia di 2-4 volte (regola di Van't Hoff):
dove VT 2 è la velocità della reazione chimica a T 2; V ti è la velocità della reazione chimica a T 1 ; g è il coefficiente di temperatura della velocità di reazione.
Influenza grado di macinazione delle sostanze
anche la velocità di reazione dipende direttamente. Quanto più fini sono le particelle delle sostanze reagenti, tanto più entrano in contatto tra loro nell'unità di tempo e maggiore è la velocità della reazione chimica. Pertanto, di norma, le reazioni tra sostanze o soluzioni gassose procedono più velocemente che allo stato solido.
Le variazioni di pressione influenzano la velocità di reazione tra le sostanze allo stato gassoso. Trovandosi in un volume chiuso a temperatura costante, la reazione procede alla velocità V 1. Se in questo sistema aumentiamo la pressione (quindi riduciamo il volume), aumenteranno le concentrazioni delle sostanze reagenti, la collisione delle loro molecole per unità di tempo aumenterà, la velocità di reazione aumenterà fino a V 2 (v 2 > v 1).
Catalizzatori sono sostanze che modificano la velocità di una reazione chimica, ma rimangono invariate al termine della reazione chimica. L'influenza dei catalizzatori sulla velocità di una reazione è chiamata catalisi. I catalizzatori possono sia accelerare un processo chimico dinamico sia rallentarlo. Quando le sostanze interagenti e il catalizzatore si trovano nello stesso stato di aggregazione si parla di catalisi omogenea, mentre nel caso di catalisi eterogenea i reagenti e il catalizzatore si trovano in stati di aggregazione diversi. Il catalizzatore e i reagenti formano un complesso intermedio. Ad esempio, per una reazione:
Il catalizzatore (K) forma un complesso con A o B - AK, VK, che rilascia K in seguito all'interazione con una particella libera A o B:
AK + B = AB + K
VK + A = VA + K;
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