Реакция жылдамдығы - белгілі бір уақыт аралығында әрекеттесуші заттардың концентрациясының өзгеруін көрсететін мән. Оның өлшемін бағалау үшін процестің бастапқы шарттарын өзгерту қажет.
Біртекті өзара әрекеттесу
Бірдей жиынтық күйдегі кейбір қосылыстар арасындағы реакция жылдамдығы алынған заттардың көлеміне байланысты. Математикалық тұрғыдан біртекті процестің жылдамдығы мен уақыт бірлігіндегі концентрацияның өзгеруі арасындағы байланысты өрнектеуге болады.
Мұндай әрекеттесудің мысалы ретінде азот оксидінің (2) азот оксидіне (4) тотығуын келтіруге болады.
Гетерогенді процестер
Агрегацияның әртүрлі күйіндегі бастапқы заттардың реакция жылдамдығы уақыт бірлігіндегі аудан бірлігіндегі бастапқы реагенттердің моль санымен сипатталады.
Гетерогенді өзара әрекеттесу әр түрлі агрегаттық күйлері бар жүйелерге тән.
Қорытындылай келе, реакция жылдамдығы бастапқы реагенттердің (реакция өнімдерінің) моль санының өзгеруін көрсететінін ескеремізуақыт кезеңі, интерфейс бірлігіне немесе бірлік көлеміне.
Концентрация
Реакция жылдамдығына әсер ететін негізгі факторларды қарастырайық. Концентрациядан бастайық. Мұндай тәуелділік массаның әрекет заңымен көрінеді. Олардың стереохимиялық коэффициенттері бойынша алынған өзара әрекеттесетін заттардың концентрацияларының көбейтіндісі мен реакция жылдамдығы арасында тура пропорционалды байланыс бар.
aA + bB=cC + dD теңдеуін қарастырайық, мұндағы A, B, C, D сұйықтар немесе газдар. Жоғарыда аталған процесс үшін кинетикалық теңдеуді әрбір әрекеттесу үшін өз мәні бар пропорционалдық коэффициентін ескере отырып жазуға болады.
Жылдамдықтың жоғарылауының негізгі себебі ретінде көлем бірлігіне әрекеттесетін бөлшектердің соқтығысуы санының артуын атап өтуге болады.
Температура
Температураның реакция жылдамдығына әсерін қарастырыңыз. Біртекті жүйелерде болатын процестер бөлшектер соқтығысқанда ғана мүмкін болады. Бірақ барлық соқтығыстар реакция өнімдерінің пайда болуына әкелмейді. Бөлшектердің энергиясы жоғарылаған жағдайда ғана. Реагенттерді қыздырған кезде бөлшектердің кинетикалық энергиясының жоғарылауы байқалады, белсенді молекулалардың саны артады, сондықтан реакция жылдамдығының жоғарылауы байқалады. Температура индексі мен процесс жылдамдығы арасындағы байланыс Вант-Хофф ережесімен анықталады: температураның әрбір 10°C жоғарылауы процесс жылдамдығының 2-4 есе артуына әкеледі.
Катализатор
Реакция жылдамдығына әсер ететін факторларды ескере отырып, процестің жылдамдығын арттыра алатын заттарға, яғни катализаторларға тоқталайық. Катализатор мен әрекеттесуші заттардың агрегаттық күйіне байланысты катализдің бірнеше түрі бөлінеді:
- әрекеттесуші заттар мен катализатордың агрегаттық күйі бірдей болатын біртекті пішін;
- реактивтер мен катализатор бір фазада болғанда гетерогенді.
Никель, платина, родий, палладий өзара әрекеттесуді тездететін заттардың мысалдары ретінде ерекшеленуі мүмкін.
Тежегіштер – реакцияны бәсеңдететін заттар.
Байланыс аймағы
Реакция жылдамдығын тағы не анықтайды? Химия бірнеше бөлімдерге бөлінеді, олардың әрқайсысы белгілі бір процестер мен құбылыстарды қарастырады. Физикалық химия курсы жанасу аймағы мен процестің жылдамдығы арасындағы байланысты зерттейді.
Реагенттердің жанасу аймағын ұлғайту үшін оларды белгілі бір мөлшерге дейін ұсақтайды. Ең жылдам әрекеттесу ерітінділерде болады, сондықтан көптеген реакциялар сулы ортада жүреді.
Қатты заттарды ұнтақтау кезінде шараны сақтау керек. Мысалы, пирит (темір сульфиті) шаңға айналғанда, оның бөлшектері пеште агломерацияланады, бұл осы қосылыстың тотығу процесінің жылдамдығына теріс әсер етеді және күкірт диоксидінің шығымы төмендейді.
Реактивтер
Қандай реагенттер әрекеттесетініне байланысты реакция жылдамдығын қалай анықтауға болатынын түсінуге тырысайық? Мысалы, Бекетов электрохимиялық қатарында сутегіге дейін орналасқан активті металдар қышқыл ерітінділерімен әрекеттесе алады, ал H2-тен кейінгілерде мұндай қабілет жоқ. Бұл құбылыстың себебі металдардың әртүрлі химиялық белсенділігінде жатыр.
Қысым
Реакция жылдамдығы бұл мәнмен қалай байланысты? Химия физикамен тығыз байланысты ғылым, сондықтан тәуелділік тура пропорционал, ол газ заңдарымен реттеледі. Шамалар арасында тікелей байланыс бар. Ал химиялық реакцияның жылдамдығы қандай заңмен анықталатынын түсіну үшін агрегация күйін және реагенттердің концентрациясын білу қажет.
Химиядағы жылдамдық түрлері
Лездік және орташа мәндерді бөліп көрсету әдеттегідей. Химиялық әрекеттесудің орташа жылдамдығы белгілі бір уақыт аралығында әрекеттесетін заттардың концентрацияларының айырмашылығы ретінде анықталады.
Алынған мән концентрация төмендегенде теріс, әрекеттесу өнімдерінің концентрациясы жоғарылағанда оң болады.
Шын (лездік) мән – белгілі бір уақыт бірлігіндегі осындай қатынас.
SI жүйесінде химиялық процестің жылдамдығы [моль×m-3×s-1] арқылы өрнектеледі..
Химиядағы мәселелер
Жылдамдықты анықтауға қатысты мәселелердің кейбір мысалдарын қарастырайық.
1-мысал. Inыдыста хлор мен сутегі араласады, содан кейін қоспаны қыздырады. 5 секундтан кейін хлорсутек концентрациясы 0,05 моль/дм3 мәніне ие болды. Хлорсутектің түзілу жылдамдығын есептеңіз (моль/дм3 с).
Өзара әрекеттесуден кейін 5 секундтан кейін хлорсутек концентрациясының өзгеруін соңғы концентрациядан бастапқы мәнді шегеру арқылы анықтау қажет:
C(HCl)=c2 - c1=0,05 - 0=0,05 моль/дм3.
Хлорсутегінің орташа түзілу жылдамдығын есептеңіз:
V=0,05/5=0,010 моль/дм3 ×с.
Мысал 2. Көлемі 3 дм3 ыдыста келесі процесс жүреді:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
Сутектің бастапқы массасы 1 г. Әсерлесу басталғаннан кейін екі секундтан кейін сутегінің массасы 0,4 г мәнге ие болды. Этан түзілудің орташа жылдамдығын есептеңіз (моль/дм 3×s).
Әрекеттескен сутегінің массасы бастапқы мән мен соңғы сан арасындағы айырмашылық ретінде анықталады. Ол 1 - 0,4=0,6 (г) болады. Сутегі мольдерінің санын анықтау үшін оны берілген газдың молярлық массасына бөлу керек: n \u003d 0,6/2 \u003d 0,3 моль. Теңдеу бойынша 2 моль сутегінен 1 моль этан түзіледі, сондықтан 0,3 моль H2-дан 0,15 моль этан аламыз.
Алынған көмірсутек концентрациясын анықтаймыз, 0,05 моль/дм3 аламыз. Содан кейін оның түзілу жылдамдығын есептеуге болады:=0,025 моль/дм3 ×s.
Қорытынды
Химиялық әрекеттесу жылдамдығына әртүрлі факторлар әсер етеді: әрекеттесуші заттардың табиғаты (активтену энергиясы), олардың концентрациясы, катализатордың болуы, ұнтақтау дәрежесі, қысым, сәулелену түрі.
ХІХ ғасырдың екінші жартысында профессор Н. Н. Бекетов бастапқы реагенттердің массалары мен процестің ұзақтығы арасында байланыс бар деген болжам айтты. Бұл гипотеза 1867 жылы норвег химиктері: П. Ваге және К. Гулдберг белгілеген массалық әрекет заңында расталды.
Физикалық химия әртүрлі процестердің механизмі мен жылдамдығын зерттейді. Бір сатыда өтетін қарапайым процестер мономолекулалық процестер деп аталады. Күрделі өзара әрекеттесулер бірнеше қарапайым бірізді әрекеттесуді қамтиды, сондықтан әрбір кезең бөлек қарастырылады.
Энергияны аз шығындайтын реакция өнімдерінің максималды шығымын алу үшін процестің жүруіне әсер ететін негізгі факторларды ескеру қажет.
Мысалы, судың жай заттарға ыдырау процесін жеделдету үшін катализатор қажет, оның рөлін марганец оксиді (4) атқарады.
Реагенттерді таңдауға, оңтайлы қысым мен температураны таңдауға, реагенттер концентрациясына байланысты барлық нюанстар химиялық кинетикада қарастырылады.
