Neke kemijske reakcije odvijaju se gotovo trenutno (eksplozija smjese kisika i vodika, reakcije ionske izmjene u vodenoj otopini), druge - brzo (izgaranje tvari, interakcija cinka s kiselinom), a druge - polako (hrđanje željeza, raspadanje organskih ostataka). Poznate su toliko spore reakcije da ih čovjek jednostavno ne može primijetiti. Na primjer, transformacija granita u pijesak i glinu odvija se tisućama godina.

Drugim riječima, kemijske reakcije mogu se odvijati na različite načine ubrzati.

Ali što je brzina reakcije? Koja je točna definicija te količine i, što je najvažnije, njezin matematički izraz?

Brzina reakcije je promjena količine tvari u jedinici vremena u jednoj jedinici volumena. Matematički, ovaj izraz se piše kao:

Gdje n 1 i n 2- količina tvari (mol) u trenutku t 1 odnosno t 2 u sustavu s volumenom V.

Koji će znak plus ili minus (±) stajati ispred izraza brzine ovisi o tome promatramo li promjenu količine koje tvari - produkta ili reaktanta.

Očito, tijekom reakcije dolazi do potrošnje reagensa, odnosno njihov broj se smanjuje, stoga za reagense izraz (n 2 - n 1) uvijek ima vrijednost manju od nule. Budući da brzina ne može biti negativna vrijednost, u ovom slučaju ispred izraza mora se staviti znak minus.

Ako gledamo promjenu količine produkta, a ne reagensa, tada ispred izraza za izračunavanje brzine nije potreban znak minus, jer je izraz (n 2 - n 1) u ovom slučaju uvijek pozitivan. , jer količina produkta kao rezultat reakcije može se samo povećati.

Omjer količine tvari n na volumen u kojem se ta količina tvari nalazi, naziva se molarna koncentracija IZ:

Stoga, koristeći koncept molarne koncentracije i njezin matematički izraz, možemo napisati drugi način za određivanje brzine reakcije:

Brzina reakcije je promjena molarne koncentracije tvari kao rezultat kemijska reakcija za jednu jedinicu vremena:

Čimbenici koji utječu na brzinu reakcije

Često je iznimno važno znati što određuje brzinu pojedine reakcije i kako na nju utjecati. Na primjer, industrija prerade nafte doslovno se bori za svakih dodatnih pola posto proizvoda u jedinici vremena. Uostalom, s obzirom na goleme količine prerađene nafte, čak pola posto se slije u veliku godišnju financijsku dobit. U nekim je slučajevima iznimno važno usporiti bilo kakvu reakciju, posebice koroziju metala.

Dakle, o čemu ovisi brzina reakcije? Začudo, to ovisi o mnogo različitih parametara.

Da bismo razumjeli ovo pitanje, zamislimo prije svega što se događa kao rezultat kemijske reakcije, na primjer:

Gore napisana jednadžba odražava proces u kojem molekule tvari A i B, sudarajući se jedna s drugom, tvore molekule tvari C i D.

Odnosno, nesumnjivo, da bi se reakcija odvijala, potreban je barem sudar molekula polaznih tvari. Očito, ako povećamo broj molekula po jedinici volumena, broj sudara će se povećati na isti način na koji se povećava učestalost vaših sudara s putnicima u prepunom autobusu u usporedbi s polupraznim.

Drugim riječima, brzina reakcije raste s porastom koncentracije reaktanata.

U slučaju kada su jedan ili nekoliko reaktanata plinovi, brzina reakcije raste s povećanjem tlaka, budući da je tlak plina uvijek izravno proporcionalan koncentraciji njegovih sastavnih molekula.

Međutim, sudar čestica je nužan, ali ne i dovoljan uvjet za odvijanje reakcije. Činjenica je da je, prema izračunima, broj sudara molekula tvari koje reagiraju pri njihovoj razumnoj koncentraciji toliko velik da se sve reakcije moraju odvijati u trenu. Međutim, to se u praksi ne događa. Što je bilo?

Činjenica je da neće svaki sudar molekula reaktanata nužno biti učinkovit. Mnogi sudari su elastični – molekule se odbijaju jedna od druge poput loptica. Da bi se reakcija odvijala, molekule moraju imati dovoljnu kinetičku energiju. Minimalna energija koju molekule reaktanata moraju imati da bi se reakcija odvijala naziva se aktivacijska energija i označava se s E a. U sustavu koji se sastoji od velikog broja molekula postoji energetska raspodjela molekula, neke od njih imaju nisku energiju, neke imaju visoku i srednju energiju. Od svih tih molekula, samo mali dio molekula ima energiju veću od energije aktivacije.

Kao što je poznato iz kolegija fizike, temperatura je zapravo mjera kinetičke energije čestica koje čine tvar. Odnosno, što se čestice koje čine tvar brže kreću, to je njezina temperatura viša. Dakle, očito, povećanjem temperature bitno povećavamo kinetičku energiju molekula, zbog čega se povećava udio molekula s energijama većim od E a, a njihov će sraz dovesti do kemijske reakcije.

Činjenicu pozitivnog utjecaja temperature na brzinu reakcije empirijski je utvrdio još u 19. stoljeću nizozemski kemičar Van't Hoff. Na temelju svojih istraživanja formulirao je pravilo koje i danas nosi njegovo ime, a zvuči ovako:

Brzina bilo koje kemijske reakcije povećava se 2-4 puta s povećanjem temperature za 10 stupnjeva.

Matematički prikaz ovog pravila je napisan kao:

gdje V 2 i V 1 je brzina pri temperaturi t 2 odnosno t 1, a γ je temperaturni koeficijent reakcije čija je vrijednost najčešće u rasponu od 2 do 4.

Često se brzina mnogih reakcija može povećati korištenjem katalizatori.

Katalizatori su tvari koje ubrzavaju reakciju bez da se troše.

Ali kako katalizatori uspijevaju povećati brzinu reakcije?

Prisjetimo se energije aktivacije E a . Molekule s energijama manjim od energije aktivacije ne mogu djelovati jedna s drugom u odsutnosti katalizatora. Katalizatori mijenjaju putanju kojom se odvija reakcija, slično kao što će iskusni vodič popločati rutu ekspedicije ne izravno kroz planinu, već uz pomoć zaobilaznih staza, zbog čega čak i oni sateliti koji nisu imali dovoljno energija za uspon na planinu moći će se pomaknuti na drugu njezinu stranu.

Unatoč činjenici da se katalizator ne troši tijekom reakcije, ipak aktivno sudjeluje u njoj, tvoreći intermedijarne spojeve s reagensima, ali se na kraju reakcije vraća u prvobitno stanje.

Uz gore navedene čimbenike koji utječu na brzinu reakcije, ako postoji sučelje između tvari koje reagiraju (heterogena reakcija), brzina reakcije također će ovisiti o kontaktnoj površini reaktanata. Na primjer, zamislite granulu metalnog aluminija koja je bačena u epruvetu s Vodena otopina klorovodične kiseline. Aluminij je aktivni metal koji može reagirati s neoksidirajućim kiselinama. S klorovodičnom kiselinom, jednadžba reakcije je sljedeća:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

Aluminij je kruta tvar, što znači da reagira samo s klorovodičnom kiselinom na svojoj površini. Očito, ako povećamo površinu prvo valjanjem aluminijske granule u foliju, time osiguravamo veći broj atoma aluminija dostupnih za reakciju s kiselinom. Kao rezultat toga, brzina reakcije će se povećati. Slično tome, povećanje površine krutine može se postići mljevenjem u prah.

Također, na brzinu heterogene reakcije u kojoj krutina reagira s plinovitom ili tekućom tvari često pozitivno utječe miješanje, što je posljedica činjenice da se kao rezultat miješanja nakupljene molekule produkata reakcije uklanjaju iz reakcijsku zonu i novi dio molekula reagensa se “donosi”.

Posljednje što treba primijetiti je također veliki utjecaj na brzinu reakcije i prirodu reagensa. Na primjer, što je alkalijski metal niže u periodnom sustavu, to brže reagira s vodom, fluor među svim halogenima najbrže reagira s vodikom, itd.

Ukratko, brzina reakcije ovisi o sljedećim čimbenicima:

1) koncentracija reagensa: što je veća, to je veća brzina reakcije.

2) temperatura: s povećanjem temperature, brzina bilo koje reakcije raste.

3) kontaktna površina reaktanata: što je veća kontaktna površina reaktanata, veća je brzina reakcije.

4) miješanje, ako se reakcija odvija između krutine i tekućine ili plina, miješanje je može ubrzati.

Brzina reakcije određuje se promjenom molarne koncentracije jednog od reaktanata:

V \u003d ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) \u003d ± (DC / Dt)

Gdje su C 1 i C 2 molarne koncentracije tvari u trenucima t 1 odnosno t 2 (znak (+) - ako je brzina određena produktom reakcije, znak (-) - izvornom tvari).

Reakcije nastaju kada se molekule reaktanata sudare. Njegova brzina određena je brojem sudara i vjerojatnošću da će dovesti do transformacije. Broj sudara određen je koncentracijama tvari koje reagiraju, a vjerojatnost reakcije određena je energijom sudarajućih molekula.
Čimbenici koji utječu na brzinu kemijskih reakcija.
1. Priroda reaktanata. Važnu ulogu igraju priroda kemijskih veza i struktura molekula reagensa. Reakcije se odvijaju u smjeru razaranja slabijih veza i stvaranja tvari s jačom vezom. Stoga su potrebne visoke energije za kidanje veza u molekulama H 2 i N 2 ; takve molekule nisu jako reaktivne. Za kidanje veza u visoko polarnim molekulama (HCl, H 2 O) potrebno je manje energije, a brzina reakcije mnogo je veća. Reakcije između iona u otopinama elektrolita odvijaju se gotovo trenutno.
Primjeri
Fluor reagira eksplozivno s vodikom na sobnoj temperaturi; brom reagira s vodikom sporo čak i kada se zagrije.
Kalcijev oksid snažno reagira s vodom, oslobađajući toplinu; bakrov oksid – ne reagira.

2. Koncentracija. S porastom koncentracije (broja čestica po jedinici volumena) češće dolazi do sudara molekula reaktanata – povećava se brzina reakcije.
Zakon aktivnih masa (K. Guldberg, P. Waage, 1867.)
Brzina kemijske reakcije izravno je proporcionalna umnošku koncentracija reaktanata.

AA + bB + . . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

Konstanta brzine reakcije k ovisi o prirodi reaktanata, temperaturi i katalizatoru, ali ne ovisi o koncentracijama reaktanata.
Fizičko značenje konstante brzine je da je jednaka brzini reakcije pri jediničnim koncentracijama reaktanata.
Za heterogene reakcije, koncentracija krute faze nije uključena u izraz brzine reakcije.

3. Temperatura. Za svakih 10°C povećanja temperature, brzina reakcije se povećava za faktor 2-4 (Van't Hoffovo pravilo). S povećanjem temperature od t 1 do t 2, promjena brzine reakcije može se izračunati formulom:

		(t 2 - t 1) / 10
Vt 2 / Vt 1	= g

(gdje su Vt 2 i Vt 1 brzine reakcije pri temperaturama t 2 odnosno t 1; g je temperaturni koeficijent ove reakcije).
Van't Hoffovo pravilo primjenjivo je samo u uskom temperaturnom rasponu. Točnija je Arrheniusova jednadžba:

• e-Ea/RT

gdje
A je konstanta koja ovisi o prirodi reaktanata;
R je univerzalna plinska konstanta;

Ea je energija aktivacije, tj. energija koju moraju imati molekule koje se sudaraju da bi sudar rezultirao kemijskom transformacijom.
Energetski dijagram kemijske reakcije.

egzotermna reakcija	Endotermna reakcija

A - reagensi, B - aktivirani kompleks (prijelazno stanje), C - produkti.
Što je veća energija aktivacije Ea, to se više povećava brzina reakcije s povećanjem temperature.

4. Kontaktna površina reaktanata. Za heterogene sustave (kada su tvari u različitim agregacijskim stanjima), što je veća kontaktna površina, reakcija se brže odvija. Krutinama se površina može povećati mljevenjem, a topivim tvarima otapanjem.

5. Kataliza. Tvari koje sudjeluju u reakcijama i povećavaju njihovu brzinu, ostajući nepromijenjene do kraja reakcije, nazivaju se katalizatori. Mehanizam djelovanja katalizatora povezan je sa smanjenjem aktivacijske energije reakcije zbog stvaranja intermedijarnih spojeva. Na homogena kataliza reagensi i katalizator čine jednu fazu (u istom su agregatnom stanju), s heterogena kataliza- različite faze (u različitim su agregatnim stanjima). U nekim slučajevima moguće je drastično usporiti tijek nepoželjnih kemijskih procesa dodavanjem inhibitora u reakcijski medij (fenomen " negativna kataliza").

1) Priroda reaktanata . Važnu ulogu igraju priroda kemijskih veza i struktura molekula reagensa. Reakcije se odvijaju u smjeru razaranja slabijih veza i stvaranja tvari s jačom vezom. Dakle, za raskid veza u molekulama H 2 i N 2 potrebne su visoke energije; takve molekule nisu jako reaktivne. Za kidanje veza u visoko polarnim molekulama ( HCl, H 2 O) zahtijeva manje energije i brzina reakcije je puno brža. Reakcije između iona u otopinama elektrolita odvijaju se gotovo trenutno.

Primjeri

Fluor reagira eksplozivno s vodikom na sobnoj temperaturi; brom reagira s vodikom sporo čak i kada se zagrije.

Kalcijev oksid snažno reagira s vodom, oslobađajući toplinu; bakrov oksid – ne reagira.

2) Koncentracija . S porastom koncentracije (broja čestica po jedinici volumena) češće dolazi do sudara molekula reaktanata – povećava se brzina reakcije.

Zakon aktivnih masa (K. Guldberg, str. Waage, 1867.)

Jedan od osnovnih zakona fizikalne kemije; utvrđuje ovisnost brzine kemijske reakcije o koncentracijama tvari koje reagiraju i omjer između koncentracija (ili aktivnosti) produkata reakcije i početnih tvari u stanju kemijske ravnoteže. Norveški znanstvenici K. Guldberg i P. Vaage, koji su formulirali D. m. u 1864-67, nazvali su "djelujuću masu" tvari njezinu količinu po jedinici volumena, tj. koncentraciju, otuda i naziv zakona.

Pri konstantnoj temperaturi, brzina kemijske reakcije izravno je proporcionalna umnošku koncentracija reaktanata, uzetih u potencijama jednakim stehiometrijskim koeficijentima u reakcijskoj jednadžbi.

Za monomolekulsku reakciju brzina reakcije  određena je koncentracijom molekula tvari A:

gdje k je koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva konstanta brzine reakcija; [A] - molarna koncentracija tvari A.

U slučaju bimolekularne reakcije, njegova brzina određena je koncentracijom molekula ne samo tvari A, već i tvari B:

U slučaju trimolekulske reakcije, brzina reakcije izražena je jednadžbom:

Općenito, ako se reakcija odvija u isto vrijeme t molekula tvari A i n molekula tvari B, tj.

tA + pV = C,

jednadžba brzine reakcije je:

Oblik jednadžbe određen je činjenicom da je nužan uvjet za elementarni čin reakcije sudaranje molekula polaznih tvari, tj. njihov susret u nekom malom volumenu (reda veličine molekula ). Vjerojatnost pronalaska molekule A u određenom trenutku u određenom malom volumenu proporcionalna je [A], tj. što je veća koncentracija tvari koje reagiraju, veća je brzina reakcije u određenom trenutku.

Konstanta brzine reakcije k ovisi o prirodi reaktanata, temperaturi i katalizatoru, au slučaju tekuće otopine i o tlaku; potonja je ovisnost značajna samo pri visokim tlakovima, ali ne ovisi o koncentracijama reagensa.

Fizičko značenje konstante brzine je da je jednaka brzini reakcije pri jediničnim koncentracijama reaktanata.

Za heterogene reakcije, koncentracija krute faze nije uključena u izraz brzine reakcije.

Primjer

Napiši izraz za zakon djelovanja mase za sljedeće reakcije:

a) N 2(d) + 3 H 2(d) = 2 NH 3(d)

b) 2 C (do) + O 2(d) = 2 CO (G)

1) Tlak 2) Katalizator 3) Koncentracija 4) Oblik posude u kojoj se odvija reakcija
A2. Čimbenik koji utječe na pomak kemijske ravnoteže:
1) Pogled kemijska veza 2) Katalizator 3) Priroda reaktanata 4) Temperatura
A3. S dvostrukim povećanjem koncentracije dušika, brzina izravne reakcije, čija je jednadžba N2(g) + O2(g)↔2NO(g)
1) Neće se promijeniti 2) Povećat će se 2 puta 3) Povećat će se 4 puta 4) Smanjit će se 4 puta
A4. Uz peterostruko povećanje tlaka, brzina izravne reakcije, čija je jednadžba 2NO(g) + O2(g)↔2NO2(g), povećat će se na:
1) 5 puta 2) 25 puta 3) 75 puta 4) 125 puta
A5. S povećanjem temperature za 10 ° C (temperaturni koeficijent je 2), povećava se brzina kemijske reakcije:
1) 2 puta 2) 4 puta 3) 8 puta 4) 16 puta
A6. S povećanjem tlaka, ravnoteža reverzibilne reakcije, čija je jednadžba C2H4(g)+H2O(g)↔C2H5OH(g)
1) Neće se promijeniti 2) Preći će prema produktima reakcije 3) Preći će prema početnim materijalima
A7. Za pomicanje kemijske ravnoteže reverzibilne reakcije 2SO2(g)+O2(g)↔2SO3(g)+Q prema početnim materijalima, potrebno je:
1) Povećajte tlak 2) Povećajte temperaturu 3) Snizite temperaturu 4) Dodajte katalizator
A8. Najveća brzina kemijske reakcije tijekom međudjelovanja tvari čije su formule
1) Zn (granule) + HCl 2) Zn (prašina) + HCl 3) Pb + HCl 4) Fe + HCl
A9. Povećanje temperature pomiče kemijsku ravnotežu udesno u reverzibilnoj reakciji čija je jednadžba:
1) 2H2 + O2 ↔ 2H2O + Q 2) SO2 + H2O ↔ H2SO3 + Q
3) 2NO + O2 ↔ 2NO2 + Q 4) C4H10 ↔ C4H8 + H2 – Q
A10. Brzina kemijske reakcije, čija je jednadžba Mg + 2HCl = MgCl2 + H2, sa smanjenjem koncentracije kiseline svakih 10 s za 0,04 mol / l je:
1) 0,00004 mol/(l s) 2) 0,0004 mol/(l s) 3) 0,004 mol/(l s) 4) 0,04 mol/(l s)
U zadacima B1-B2 spojite. Odgovor napišite kao niz brojeva.
2 boda za točno riješen zadatak.
U 1. Uspostavite korespondenciju između jednadžbe reakcije i formule za određivanje brzine reakcije:
Jednadžba reakcije
Formula za određivanje brzine reakcije
A) C(t) + O2(g) = CO2(g)
1)
B) S(t) + CO2(g) = 2CO(g)
2)
C) Mg(t) + 2HCl(l) = MgCl2(g) + H2(g)
3)
4)
ALI
B
NA
U 2. Uspostavite korespondenciju između faktora i pomaka ravnoteže za reakciju čija je jednadžba C2H4(g)+H2(g)↔C2H6(g) + Q
Faktor
Položaj ravnoteže
A) povećanje pritiska
1) Pomaknite se udesno
B) Povećanje temperature
2) Pomaknite se ulijevo
C) Povećanje koncentracije C2H4
3) Neće se promijeniti
D) Pad koncentracije C2H6
E) Upotreba katalizatora
ALI
B
NA
G
D
Za zadatak C1 dajte potpun detaljan odgovor.
C1 (5 bodova). Zašto, ako pomiješate kruti olovni nitrat (Pb (NO3) 2) i kalijev jodid (KI), znakovi reakcije mogu se uočiti nakon nekoliko sati, a ako se otopine tih soli ocijede, znakovi reakcije će se pojaviti odmah . Napiši jednadžbu reakcije.
C2 (5 bodova). Zapišite shemu kemijske reakcije čija se brzina može izračunati formulom
C3 (6 bodova). Izračunajte koliko se topline oslobodilo ako je izgorjelo 25 kg ugljena? Jednadžba termokemijske reakcije: C + O2 = CO2 + 402,24 kJ