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Algunas reacciones tardan fracciones de segundos en ocurrir, mientras que algunas interacciones tardan días o semanas.

Intentemos identificar la dependencia de la velocidad de reacción de la temperatura, la concentración y otros factores. En el nuevo estándar educativo para esta pregunta se da cantidad minima tiempo escolar. Las pruebas del Examen Estatal Unificado incluyen tareas sobre la dependencia de la velocidad de reacción de la temperatura, la concentración e incluso ofrecen problemas de cálculo. Muchos estudiantes de secundaria experimentan ciertas dificultades para encontrar respuestas a estas preguntas, por lo que analizaremos este tema en detalle.

Relevancia del tema bajo consideración.

La información sobre la velocidad de reacción tiene un importante significado práctico y científico. Por ejemplo, en la producción específica de sustancias y productos, la productividad de los equipos y el costo de los bienes dependen directamente de este valor.

Clasificación de reacciones en curso.

Existe una relación directa entre el estado de agregación de los componentes iniciales y los productos formados durante interacciones heterogéneas.

En química, un sistema suele significar una sustancia o una combinación de ellas.

Un sistema que consta de una fase (el mismo estado de agregación) se considera homogéneo. Como ejemplo podemos mencionar una mezcla de gases y varios líquidos diferentes.

Un sistema heterogéneo es un sistema en el que los reactivos se encuentran en forma de gases y líquidos. sólidos y gases.

La velocidad de reacción depende no sólo de la temperatura, sino también de la fase en la que se utilizan los componentes que entran en la interacción analizada.

Una composición homogénea se caracteriza por el proceso que se desarrolla en todo el volumen, lo que mejora significativamente su calidad.

Si las sustancias de partida se encuentran en diferentes estados de fase, entonces la interacción máxima se observa en la interfaz de fase. Por ejemplo, cuando un metal activo se disuelve en un ácido, la formación de un producto (sal) se observa sólo en la superficie de su contacto.

Relación matemática entre la velocidad del proceso y varios factores.

¿Cómo es la ecuación para la dependencia de la velocidad de una reacción química de la temperatura? Para un proceso homogéneo, la velocidad está determinada por la cantidad de sustancia que interactúa o se forma durante la reacción en el volumen del sistema por unidad de tiempo.

Para un proceso heterogéneo, la velocidad se determina en términos de la cantidad de sustancia que reacciona o se produce en el proceso por unidad de área en un período mínimo de tiempo.

Factores que afectan la velocidad de una reacción química.

La naturaleza de las sustancias que reaccionan es una de las razones de las diferentes velocidades de los procesos. Por ejemplo, los metales alcalinos forman álcalis con agua a temperatura ambiente y el proceso va acompañado de una intensa liberación de gas hidrógeno. Los metales nobles (oro, platino, plata) no son capaces de realizar tales procesos ni a temperatura ambiente ni cuando se calientan.

La naturaleza de los reactivos es un factor que se tiene en cuenta en industria química para mejorar la rentabilidad de la producción.

Se reveló una relación entre la concentración de reactivos y la velocidad de la reacción química. Cuanto más alto sea, más partículas chocarán, por lo tanto, el proceso avanzará más rápido.

La ley de acción de masas describe matemáticamente una relación directamente proporcional entre la concentración de las sustancias de partida y la velocidad del proceso.

Fue formulado a mediados del siglo XIX por el químico ruso N. N. Beketov. Para cada proceso se determina una constante de reacción que no está relacionada con la temperatura, la concentración o la naturaleza de los reactivos.

Para acelerar la reacción en la que participa una sustancia sólida, es necesario molerla hasta obtener un estado de polvo.

En este caso, la superficie aumenta, lo que repercute positivamente en la velocidad del proceso. Utilizado para combustible diesel. sistema especial inyección, por lo que, cuando entra en contacto con el aire, la velocidad de combustión de la mezcla de hidrocarburos aumenta significativamente.

Calefacción

La dependencia de la velocidad de una reacción química de la temperatura se explica por la teoría cinética molecular. Le permite calcular el número de colisiones entre moléculas de reactivo bajo ciertas condiciones. Si dispone de dicha información, en condiciones normales todos los procesos deberían realizarse al instante.

Pero si consideras ejemplo concreto Dependiendo de la velocidad de reacción en función de la temperatura, resulta que para la interacción es necesario primero romper los enlaces químicos entre los átomos para que a partir de ellos se formen nuevas sustancias. Esto requiere un gasto energético importante. ¿Cuál es la dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura? La energía de activación determina la posibilidad de ruptura de las moléculas; es precisamente esta energía la que caracteriza la realidad de los procesos. Sus unidades son kJ/mol.

Si la energía es insuficiente, la colisión será ineficaz, por lo que no va acompañada de la formación de una nueva molécula.

Representación gráfica

La dependencia de la velocidad de una reacción química con la temperatura se puede representar gráficamente. Cuando se calienta, aumenta el número de colisiones entre partículas, lo que acelera la interacción.

¿Cómo se ve una gráfica de velocidad de reacción versus temperatura? La energía de las moléculas se muestra horizontalmente y el número de partículas con una alta reserva de energía se indica verticalmente. Una gráfica es una curva mediante la cual se puede juzgar la velocidad de una interacción particular.

Cuanto mayor es la diferencia de energía con respecto al promedio, más lejos se encuentra el punto de la curva del máximo y menor es el porcentaje de moléculas que tienen dicha reserva de energía.

Aspectos importantes

¿Es posible escribir una ecuación para la dependencia de la constante de velocidad de reacción con la temperatura? Su aumento se refleja en un aumento de la velocidad del proceso. Esta dependencia se caracteriza por un cierto valor llamado coeficiente de temperatura de la velocidad del proceso.

Para cualquier interacción, se reveló la dependencia de la constante de velocidad de reacción de la temperatura. Si aumenta 10 grados, la velocidad del proceso aumenta de 2 a 4 veces.

La dependencia de la velocidad de reacciones homogéneas con la temperatura se puede representar en forma matemática.

Para la mayoría de las interacciones a temperatura ambiente, el coeficiente está en el rango de 2 a 4. Por ejemplo, con un coeficiente de temperatura de 2,9, un aumento de temperatura de 100 grados acelera el proceso casi 50.000 veces.

La dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura puede explicarse fácilmente por diferentes energías de activación. Tiene un valor mínimo durante los procesos iónicos, que están determinados únicamente por la interacción de cationes y aniones. Numerosos experimentos indican la aparición instantánea de tales reacciones.

Con una energía de activación alta, sólo una pequeña cantidad de colisiones entre partículas conducirán a la interacción. Con una energía de activación promedio, los reactivos interactuarán a una velocidad promedio.

Las tareas sobre la dependencia de la velocidad de reacción de la concentración y la temperatura se consideran sólo en el nivel educativo superior y, a menudo, causan serias dificultades a los niños.

Medir la velocidad de un proceso

Aquellos procesos que requieren una energía de activación significativa implican una ruptura inicial o un debilitamiento de los enlaces entre los átomos de las sustancias de partida. En este caso, pasan a un determinado estado intermedio llamado complejo activado. Es un estado inestable, se descompone con bastante rapidez en productos de reacción, el proceso va acompañado de la liberación de energía adicional.

En su forma más simple, un complejo activado es una configuración de átomos con enlaces antiguos debilitados.

Inhibidores y catalizadores.

Analicemos la dependencia de la velocidad de la reacción enzimática de la temperatura del medio. Estas sustancias funcionan como aceleradores de procesos.

Ellos mismos no participan en la interacción; su número permanece sin cambios una vez finalizado el proceso. Mientras que los catalizadores ayudan a aumentar la velocidad de reacción, los inhibidores, por el contrario, ralentizan este proceso.

La esencia de esto radica en la formación de compuestos intermedios, como resultado de lo cual se observa un cambio en la velocidad del proceso.

Conclusión

Cada minuto se producen diversas interacciones químicas en el mundo. ¿Cómo establecer la dependencia de la velocidad de reacción de la temperatura? La ecuación de Arrhenius es una explicación matemática de la relación entre la constante de velocidad y la temperatura. Da una idea de aquellos valores de energía de activación a los que es posible la destrucción o el debilitamiento de los enlaces entre átomos en las moléculas y la distribución de partículas en nuevas sustancias químicas.

Gracias a la teoría cinética molecular, es posible predecir la probabilidad de interacciones entre componentes iniciales, calcula la velocidad del proceso. Entre los factores que afectan la velocidad de reacción se encuentran significado especial tiene un cambio de temperatura, concentración porcentual de sustancias que interactúan, área de superficie de contacto, la presencia de un catalizador (inhibidor), así como la naturaleza de los componentes que interactúan.

El concepto de "velocidad" se encuentra con bastante frecuencia en la literatura. Se sabe por la física que cuanto mayor es la distancia que recorre un cuerpo material (una persona, un tren, una nave espacial) en un determinado período de tiempo, mayor es la velocidad de este cuerpo.

¿Cómo medir la velocidad de una reacción química que “no va a ninguna parte” y no recorre ninguna distancia? Para responder a esta pregunta es necesario averiguar qué Siempre cambios en cualquier reacción química? Dado que cualquier reacción química es un proceso de cambio de sustancia, la sustancia original desaparece en ella y se convierte en productos de reacción. Así, durante una reacción química, la cantidad de una sustancia siempre cambia, el número de partículas de las sustancias de partida disminuye y, por tanto, su concentración (C).

Tarea del Examen Estatal Unificado. La velocidad de una reacción química es proporcional al cambio:

1. concentración de una sustancia por unidad de tiempo;
2. cantidad de sustancia por unidad de volumen;
3. masa de una sustancia por unidad de volumen;
4. Volumen de sustancia durante la reacción.

Ahora compara tu respuesta con la correcta:

La velocidad de una reacción química es igual al cambio en la concentración del reactivo por unidad de tiempo.

Dónde C 1 Y Desde 0- concentraciones de reactivos, final e inicial, respectivamente; t 1 Y t 2- el momento del experimento, el período de tiempo final e inicial, respectivamente.

Pregunta.¿Qué valor crees que es mayor? C 1 o Desde 0? t 1 o t 0?

Dado que los reactivos siempre se consumen en una reacción dada, entonces

Por tanto, la relación entre estas cantidades es siempre negativa y la velocidad no puede ser una cantidad negativa. Por lo tanto, aparece un signo menos en la fórmula, que simultáneamente indica que la velocidad cualquier Las reacciones a lo largo del tiempo (en condiciones constantes) siempre son disminuye.

Entonces, la velocidad de la reacción química es:

Surge la pregunta: ¿en qué unidades se debe medir la concentración de reactivos (C) y por qué? Para responderla, es necesario comprender qué condición es. principal para que se produzca cualquier reacción química.

Para que las partículas reaccionen, al menos deben chocar. Es por eso cuanto mayor es el número de partículas* (número de moles) por unidad de volumen, cuanto más frecuentemente chocan, mayor es la probabilidad de que se produzca una reacción química.

* Lea sobre qué es un “topo” en la lección 29.1.

Por lo tanto, al medir velocidades procesos quimicos usar concentración molar sustancias en mezclas reactivas.

La concentración molar de una sustancia muestra cuántos moles de ella hay en 1 litro de solución.

Entonces, cuanto mayor es la concentración molar de las sustancias que reaccionan, más partículas hay por unidad de volumen, más a menudo chocan y mayor (en igualdad de condiciones) será la velocidad de la reacción química. Por lo tanto, la ley básica de la cinética química (esta es la ciencia de la velocidad de las reacciones químicas) es ley de acción de masas.

La velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos.

Para una reacción de tipo A + B →... matemáticamente esta ley se puede expresar de la siguiente manera:

Si la reacción es más compleja, por ejemplo, 2A + B → o, lo que es lo mismo, A + A + B → ..., entonces

Así, apareció un exponente en la ecuación de velocidad. « dos» , que corresponde al coeficiente 2 en la ecuación de reacción. Para más ecuaciones complejas Como regla general, no se utilizan exponentes grandes. Esto se debe al hecho de que la probabilidad de una colisión simultánea de, digamos, tres moléculas A y dos moléculas B es extremadamente pequeña. Por lo tanto, muchas reacciones ocurren en varias etapas, durante las cuales no chocan más de tres partículas, y cada etapa del proceso avanza a una cierta velocidad. Esta velocidad y su ecuación cinética se determinan experimentalmente.

Las ecuaciones de velocidad de reacción química anteriores (3) o (4) son válidas sólo para homogéneo reacciones, es decir, para reacciones en las que las sustancias que reaccionan no están separadas por la superficie. Por ejemplo, una reacción ocurre en una solución acuosa y ambos reactivos son altamente solubles en agua o cualquier mezcla de gases.

Otra cosa es cuando sucede heterogéneo reacción. En este caso, existe una interfaz entre las sustancias que reaccionan, por ejemplo, dióxido de carbono. gas reacciona con el agua soluciónálcalis. En este caso, es igualmente probable que reaccione cualquier molécula de gas, ya que estas moléculas se mueven de forma rápida y caótica. ¿Qué pasa con las partículas de solución líquida? Estas partículas se mueven extremadamente lentamente y las partículas alcalinas que están "en el fondo" prácticamente no tienen posibilidades de reaccionar con el dióxido de carbono a menos que la solución se agite constantemente. Sólo reaccionarán aquellas partículas que “se encuentran en la superficie”. entonces para heterogéneo reacciones -

la velocidad de reacción depende del tamaño de la superficie de la interfaz, que aumenta con la molienda.

Por lo tanto, muy a menudo las sustancias reaccionantes se trituran (por ejemplo, se disuelven en agua), los alimentos se mastican cuidadosamente y, durante el proceso de cocción, se muelen, se pasan por una picadora de carne, etc. ¡digerible!

Así, con velocidad máxima(en igualdad de condiciones) se producen reacciones homogéneas en soluciones y entre gases (si estos gases reaccionan en condiciones ambientales), y en soluciones donde las moléculas están ubicadas "cerca", y la molienda es la misma que en los gases (y aún más !), - la velocidad de reacción es mayor.

Tarea del Examen Estatal Unificado.¿Cuál de las reacciones ocurre con más mayor velocidad a temperatura ambiente:

1. carbono con oxígeno;
2. hierro con ácido clorhídrico;
3. hierro con solución de ácido acético
4. Soluciones de álcali y ácido sulfúrico.

EN en este caso Necesitamos encontrar qué proceso es homogéneo.

Cabe señalar que la velocidad de una reacción química entre gases o una reacción heterogénea en la que participa un gas también depende de la presión, ya que al aumentar la presión los gases se comprimen y aumenta la concentración de partículas (ver fórmula 2). La velocidad de las reacciones en las que no intervienen gases no se ve afectada por los cambios de presión.

Tarea del Examen Estatal Unificado. La velocidad de reacción química entre la solución ácida y el hierro no se ve afectada.

1. concentración de ácido;
2. molienda de hierro;
3. temperatura de reacción;
4. aumento de presión.

Por último, la velocidad de una reacción también depende de la reactividad de las sustancias. Por ejemplo, si el oxígeno reacciona con una sustancia, entonces, en igualdad de condiciones, la velocidad de reacción será mayor que cuando la misma sustancia interactúa con el nitrógeno. El hecho es que la reactividad del oxígeno es notablemente mayor que la del nitrógeno. Veremos la razón de este fenómeno en la siguiente parte del Autodidacta (Lección 14).

Tarea del Examen Estatal Unificado. La reacción química entre el ácido clorhídrico y

1. cobre;
2. hierro;
3. magnesio;
4. zinc

Cabe señalar que no todas las colisiones de moléculas conducen a su interacción química (reacción química). En una mezcla de gases de hidrógeno y oxígeno, en condiciones normales, se producen varios miles de millones de colisiones por segundo. Pero los primeros signos de la reacción (gotas de agua) aparecerán en el matraz sólo después de unos años. En tales casos dicen que la reacción prácticamente no funciona. pero ella posible, de lo contrario, ¿cómo explicar el hecho de que cuando esta mezcla se calienta a 300 °C, el matraz se empaña rápidamente y a una temperatura de 700 °C se producirá una terrible explosión? No en vano se llama “gas explosivo” a una mezcla de hidrógeno y oxígeno.

Pregunta.¿Por qué crees que la velocidad de reacción aumenta tanto cuando se calienta?

La velocidad de reacción aumenta porque, en primer lugar, aumenta el número de colisiones de partículas y, en segundo lugar, el número de activo colisiones. Son las colisiones activas de partículas las que conducen a su interacción. Para que se produzca tal colisión, las partículas deben tener una cierta cantidad de energía.

La energía que deben tener las partículas para que se produzca una reacción química se llama energía de activación.

Esta energía se gasta en superar las fuerzas repulsivas entre electrones externosátomos y moléculas y la destrucción de lo “viejo” enlaces químicos.

Surge la pregunta: ¿cómo aumentar la energía de las partículas que reaccionan? La respuesta es simple: aumentar la temperatura, ya que al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de movimiento de las partículas y, en consecuencia, su energía cinética.

Regla van't hoff*:

Por cada aumento de 10 grados en la temperatura, la velocidad de reacción aumenta de 2 a 4 veces.

VANT-HOFF Jacob Hendrik(30/08/1852–1/03/1911) - químico holandés. Uno de los fundadores quimica fisica y estereoquímica. Premio Nobel en química No. 1 (1901).

Cabe señalar que esta regla (¡no una ley!) se estableció experimentalmente para reacciones que eran "convenientes" para la medición, es decir, para reacciones que no transcurrían ni demasiado rápido ni demasiado lento y a temperaturas accesibles para el experimentador (no demasiado). alto y no demasiado bajo).

Pregunta. ¿Cuál crees que es la forma más rápida de cocinar patatas: hervirlas o freírlas en una capa de aceite?

Para comprender adecuadamente el significado de los fenómenos descritos, puedes comparar las moléculas que reaccionan con un grupo de estudiantes que están a punto de saltar alto. Si se les da una barrera de 1 m de altura, entonces los estudiantes tendrán que correr hacia arriba (aumentar su “temperatura”) para superar la barrera. Sin embargo, siempre habrá estudiantes (“moléculas inactivas”) que no podrán superar esta barrera.

¿Qué hacer? Si se adhiere al principio: "Una persona inteligente no escalará una montaña, una persona inteligente pasará por alto una montaña", entonces simplemente debe bajar la barrera, digamos, a 40 cm. Entonces cualquier estudiante podrá superarla. barrera. A nivel molecular esto significa: Para aumentar la velocidad de reacción, es necesario reducir la energía de activación en un sistema dado..

En procesos químicos reales, esta función la realiza un catalizador.

Catalizador Es una sustancia que cambia la velocidad de una reacción química sin dejar de permanecer. sin alterar hacia el final de la reacción química.

Catalizador participa en una reacción química, interactuando con una o más sustancias de partida. En este caso, se forman compuestos intermedios y cambia la energía de activación. Si el intermedio es más activo (complejo activo), entonces la energía de activación disminuye y la velocidad de reacción aumenta.

Por ejemplo, la reacción entre SO 2 y O 2 ocurre muy lentamente en condiciones normales. prácticamente no funciona. Pero en presencia de NO, la velocidad de reacción aumenta considerablemente. Primero NO rapidísimo reacciona con O2:

dióxido de nitrógeno resultante rápido reacciona con óxido de azufre (IV):

Tarea 5.1. Usando este ejemplo, muestre qué sustancia es un catalizador y cuál es un complejo activo.

Por el contrario, si se forman más compuestos pasivos, la energía de activación puede aumentar tanto que la reacción prácticamente no se produce en estas condiciones. Estos catalizadores se denominan inhibidores.

En la práctica se utilizan ambos tipos de catalizadores. Catalizadores orgánicos tan especiales: enzimas- participar en absolutamente todos los procesos bioquímicos: digestión de alimentos, contracción muscular, respiración. ¡La vida no puede existir sin enzimas!

Los inhibidores son necesarios para proteger los productos metálicos de la corrosión y los alimentos que contienen grasas de la oxidación (rancidez). Algunos medicamentos también contienen inhibidores que inhiben las funciones vitales de los microorganismos y, por lo tanto, los destruyen.

La catálisis puede ser homogénea o heterogénea. Un ejemplo de catálisis homogénea es el efecto del NO (este es un catalizador) sobre la oxidación del dióxido de azufre. Un ejemplo de catálisis heterogénea es la acción del cobre calentado sobre el alcohol:

Esta reacción ocurre en dos etapas:

Tarea 5.2.¿Determinar qué sustancia es el catalizador en este caso? ¿Por qué este tipo de catálisis se llama heterogénea?

En la práctica, se utiliza con mayor frecuencia la catálisis heterogénea, donde sustancias sólidas sirven como catalizadores: metales, sus óxidos, etc. En la superficie de estas sustancias hay puntos especiales (nodos de la red cristalina), donde realmente ocurre la reacción catalítica. Si estos puntos están cubiertos de sustancias extrañas, la catálisis se detiene. Esta sustancia, perjudicial para el catalizador, se llama veneno catalítico. Otras sustancias - promotores- por el contrario, potencian la actividad catalítica.

Un catalizador puede cambiar la dirección de una reacción química, es decir, cambiando el catalizador se pueden obtener diferentes productos de reacción. Así, a partir del alcohol C 2 H 5 OH en presencia de óxidos de zinc y aluminio se puede obtener butadieno y, en presencia de ácido sulfúrico concentrado, se puede obtener etileno.

Por tanto, durante una reacción química, la energía del sistema cambia. Si durante la reacción se libera energía en forma de calor q, este proceso se llama exotérmico:

Para endo procesos térmicos el calor se absorbe, es decir, efecto térmico q< 0 .

Tarea 5.3. Determine cuál de los procesos propuestos es exotérmico y cuál es endotérmico:

La ecuación de una reacción química en la que efecto térmico, se llama ecuación termoquímica de la reacción. Para crear dicha ecuación, es necesario calcular el efecto térmico por 1 mol de reactivo.

Tarea. Cuando se queman 6 g de magnesio, se liberan 153,5 kJ de calor. Escribe una ecuación termoquímica para esta reacción.

Solución. Creemos una ecuación para la reacción e indiquemos ARRIBA las fórmulas que se dan:

Habiendo calculado la proporción, encontramos el efecto térmico deseado de la reacción:

La ecuación termoquímica para esta reacción es:

Estas tareas se dan en las tareas. mayoría Opciones del examen estatal unificado! Por ejemplo.

Tarea del Examen Estatal Unificado. Según la ecuación de reacción termoquímica.

la cantidad de calor liberada al quemar 8 g de metano es igual a:

Reversibilidad de los procesos químicos. El principio de Le Chatelier

* LE CHATELIER Henri Louis(8.10.1850–17.09.1936) - Físicoquímico y metalúrgico francés. formulado ley común Cambios de equilibrio (1884).

Las reacciones pueden ser reversibles o irreversibles.

Irreversible Se trata de reacciones para las que no existen condiciones en las que sea posible el proceso inverso.

Un ejemplo de tales reacciones son las reacciones que ocurren cuando la leche se agria o cuando se quema. deliciosa chuleta. Que imposible perderse carne picada De nuevo a través de la picadora de carne (y nuevamente para obtener un trozo de carne), también es imposible "reanimar" la chuleta o hacer leche fresca.

Pero planteémonos una pregunta sencilla: ¿es el proceso irreversible?

Para responder a esta pregunta, intentemos recordar, ¿es posible realizar el proceso inverso? ¡Sí! La descomposición de la piedra caliza (tiza) para obtener cal viva CaO se utiliza a escala industrial:

Por tanto, la reacción es reversible, ya que existen condiciones bajo las cuales ambos proceso:

Además, existen condiciones bajo las cuales la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad de la reacción inversa.

En estas condiciones se establece el equilibrio químico. En este momento, la reacción no se detiene, pero el número de partículas obtenidas es igual al número de partículas descompuestas. Es por eso capaz equilibrio químico las concentraciones de las partículas que reaccionan no cambian. Por ejemplo, para nuestro proceso en el momento del equilibrio químico

signo significa concentración de equilibrio.

Surge la pregunta: ¿qué pasará con el equilibrio si la temperatura aumenta o disminuye o si cambian otras condiciones? Esta pregunta se puede responder sabiendo El principio de Le Chatelier:

Si cambia las condiciones (t, p, c) bajo las cuales el sistema está en estado de equilibrio, entonces el equilibrio se desplazará hacia el proceso que resiste el cambio.

En otras palabras, un sistema de equilibrio siempre resiste cualquier influencia del exterior, del mismo modo que un niño caprichoso que hace “lo contrario” resiste la voluntad de sus padres.

Veamos un ejemplo. Dejemos que se establezca el equilibrio en la reacción que produce amoníaco:

Preguntas.¿El número de moles de gases que reaccionan es el mismo antes y después de la reacción? Si una reacción ocurre en un volumen cerrado, ¿cuándo es mayor la presión: antes o después de la reacción?

Es obvio que este proceso ocurre con una disminución en el número de moléculas de gas, lo que significa presión disminuye durante la reacción directa. EN contrarrestar reacciones - por el contrario, la presión en la mezcla aumenta.

Preguntémonos qué pasará si en este sistema aumentar¿presión? Según el principio de Le Chatelier, se producirá la reacción que “hace lo contrario”, es decir, baja presión. Esta es una reacción directa: menos moléculas de gas, menos presión.

Entonces, en aumentar presión, el equilibrio se desplaza hacia el proceso directo, donde la presión cae, a medida que disminuye el número de moléculas gases

Tarea del Examen Estatal Unificado. En aumentar cambios en el equilibrio de presión bien en el sistema:

Si como resultado de la reacción numero de moleculas los gases no cambian, entonces un cambio de presión no afecta la posición de equilibrio.

Tarea del Examen Estatal Unificado. Un cambio de presión afecta el cambio de equilibrio en el sistema:

La posición de equilibrio de esta y cualquier otra reacción depende de la concentración de las sustancias que reaccionan: al aumentar la concentración de las sustancias iniciales y disminuir la concentración de las sustancias resultantes, siempre desplazamos el equilibrio hacia la reacción directa (hacia la derecha).

Tarea del Examen Estatal Unificado.

se desplazará hacia la izquierda cuando:

1. aumento de la presión arterial;
2. disminución de la temperatura;
3. aumento de la concentración de CO;
4. Disminución de la concentración de CO.

El proceso de síntesis de amoníaco es exotérmico, es decir, va acompañado de liberación de calor, es decir aumento de temperatura en la mezcla.

Pregunta.¿Cómo cambiará el equilibrio en este sistema cuando caída de temperatura?

Argumentando de manera similar, hacemos conclusión: al disminuir temperatura, el equilibrio se desplazará hacia la formación de amoníaco, ya que en esta reacción se libera calor y la temperatura sube.

Pregunta.¿Cómo cambia la velocidad de una reacción química a medida que disminuye la temperatura?

Obviamente, a medida que disminuye la temperatura, la velocidad de ambas reacciones disminuirá drásticamente, es decir, habrá que esperar mucho tiempo para que se establezca el equilibrio deseado. ¿Qué hacer? En este caso es necesario catalizador. aunque el no afecta la posición de equilibrio, pero acelera la aparición de este estado.

Tarea del Examen Estatal Unificado. Equilibrio químico en el sistema.

se desplaza hacia la formación del producto de reacción cuando:

1. aumento de la presión arterial;
2. aumento de temperatura;
3. disminución de la presión;
4. uso de un catalizador.

Conclusiones

La velocidad de una reacción química depende de:

• la naturaleza de las partículas que reaccionan;
• concentración o área de interfaz de reactivos;
• temperatura;
• Presencia de un catalizador.

El equilibrio se establece cuando la velocidad de la reacción directa es igual a la velocidad del proceso inverso. En este caso, la concentración de equilibrio de los reactivos no cambia. El estado de equilibrio químico depende de las condiciones y obedece al principio de Le Chatelier.

Las reacciones químicas ocurren a diferentes velocidades: a baja velocidad durante la formación de estalactitas y estalagmitas, a velocidad media al cocinar alimentos, instantáneamente durante una explosión. Las reacciones ocurren muy rápidamente en soluciones acuosas.

Determinar la velocidad de una reacción química, así como dilucidar su dependencia de las condiciones del proceso, es tarea de la cinética química, la ciencia de los patrones de reacciones químicas a lo largo del tiempo.

Si las reacciones químicas ocurren en un medio homogéneo, por ejemplo en una solución o en fase gaseosa, entonces la interacción de los reactivos se produce en todo el volumen. Este tipo de reacciones se denominan homogéneo.

(v homog) se define como el cambio en la cantidad de sustancia por unidad de tiempo por unidad de volumen:

donde Δn es el cambio en el número de moles de una sustancia (la mayoría de las veces la original, pero también puede ser un producto de reacción); Δt - intervalo de tiempo (s, min); V es el volumen de gas o solución (l).

Dado que la relación entre la cantidad de sustancia y el volumen representa la concentración molar C, entonces

Así, la velocidad de una reacción homogénea se define como el cambio en la concentración de una de las sustancias por unidad de tiempo:

si el volumen del sistema no cambia.

Si se produce una reacción entre sustancias en diferentes estados de agregación (por ejemplo, entre sólido y gas o líquido), o entre sustancias que no pueden formar un medio homogéneo (por ejemplo, entre líquidos inmiscibles), entonces pasa solo sobre la superficie de contacto de las sustancias. Este tipo de reacciones se denominan heterogéneo.

Definido como el cambio en la cantidad de sustancia por unidad de tiempo en una unidad de superficie.

donde S es la superficie de contacto de sustancias (m 2, cm 2).

Un cambio en la cantidad de una sustancia por el cual se determina la velocidad de una reacción es factor externo observado por el investigador. De hecho, todos los procesos se llevan a cabo a nivel micro. Obviamente, para que algunas partículas reaccionen, primero deben chocar, y hacerlo de manera efectiva: no dispersarse como bolas en diferentes direcciones, sino de tal manera que los “viejos enlaces” se destruyan o debiliten en las partículas y los “nuevos” puedan forma ", y para ello las partículas deben tener suficiente energía.

Los datos calculados muestran que, por ejemplo, en los gases, las colisiones de moléculas a presión atmosférica ascienden a miles de millones por segundo, es decir, todas las reacciones deberían ocurrir instantáneamente. Pero eso no es cierto. Resulta que sólo una fracción muy pequeña de moléculas tiene la energía necesaria para provocar colisiones efectivas.

El exceso de energía mínimo que debe tener una partícula (o un par de partículas) para que ocurra una colisión efectiva se llama energía de activación Ea.

Por tanto, en el camino de todas las partículas que entran en la reacción existe una barrera energética igual a la energía de activación E a. Cuando es pequeño, hay muchas partículas que pueden superarlo y la velocidad de reacción es alta. De lo contrario, se requiere un “empujón”. Cuando traes una cerilla para encender una lámpara de alcohol, impartes la energía adicional E a necesaria para la colisión efectiva de las moléculas de alcohol con las moléculas de oxígeno (superando la barrera).

La velocidad de una reacción química depende de muchos factores. Los principales son: la naturaleza y concentración de las sustancias que reaccionan, la presión (en reacciones con gases), la temperatura, la acción de los catalizadores y la superficie de las sustancias que reaccionan en el caso de reacciones heterogéneas.

Temperatura

A medida que aumenta la temperatura, en la mayoría de los casos la velocidad de una reacción química aumenta significativamente. En el siglo XIX El químico holandés J. X. van't Hoff formuló la regla:

Cada aumento de 10°C en la temperatura provoca un aumento en lavelocidad de reacción 2-4 veces(Este valor se llama coeficiente de temperatura de la reacción).

A medida que aumenta la temperatura, la velocidad promedio de las moléculas, su energía y el número de colisiones aumentan ligeramente, pero la proporción de moléculas "activas" que participan en colisiones efectivas que superan la barrera energética de la reacción aumenta considerablemente. Matemáticamente, esta dependencia se expresa mediante la relación:

donde v t 1 y v t 2 son las velocidades de reacción, respectivamente, a las temperaturas final t 2 e inicial t 1, y γ es el coeficiente de temperatura de la velocidad de reacción, que muestra cuántas veces aumenta la velocidad de reacción con cada aumento de 10 °C. en temperatura.

Sin embargo, para aumentar la velocidad de reacción, no siempre es posible aumentar la temperatura, ya que las sustancias de partida pueden comenzar a descomponerse, los disolventes o las propias sustancias pueden evaporarse, etc.

Reacciones endotérmicas y exotérmicas.

Se sabe que la reacción del metano con el oxígeno del aire va acompañada de la liberación de una gran cantidad de calor. Por tanto, se utiliza en la vida cotidiana para cocinar, calentar agua y calentar. El gas natural suministrado a los hogares a través de tuberías está compuesto en un 98% por metano. La reacción del óxido de calcio (CaO) con el agua también va acompañada de la liberación de una gran cantidad de calor.

¿Qué pueden indicar estos hechos? Cuando se forman nuevos enlaces químicos en los productos de reacción, más energía que la necesaria para romper los enlaces químicos de los reactivos. El exceso de energía se libera en forma de calor y, a veces, de luz.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (energía (luz, calor));

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (energía (calor)).

Estas reacciones deberían ocurrir fácilmente (como una piedra rueda fácilmente cuesta abajo).

Las reacciones en las que se libera energía se llaman EXOTÉRMICO(del latín “exo” - fuera).

Por ejemplo, muchas reacciones redox son exotérmicas. Una de estas hermosas reacciones es la oxidación-reducción intramolecular que ocurre dentro de la misma sal: dicromato de amonio (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 (energía).

Otra cosa es la reacción. Son análogos a hacer rodar una piedra cuesta arriba. Todavía no ha sido posible obtener metano a partir de CO 2 y agua, y se requiere un fuerte calentamiento para obtener cal viva CaO a partir de hidróxido de calcio Ca(OH) 2. Esta reacción ocurre sólo con un flujo constante de energía desde el exterior:

Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (energía (calor))

Esto sugiere que romper los enlaces químicos en Ca(OH) 2 requiere más energía de la que se puede liberar durante la formación de nuevos enlaces químicos en las moléculas de CaO y H 2 O.

Las reacciones en las que se absorbe energía se llaman ENDOTERMICO(de “endo” - hacia adentro).

Concentración de reactivos

Un cambio de presión cuando sustancias gaseosas participan en la reacción también conduce a un cambio en la concentración de estas sustancias.

Para que se produzcan interacciones químicas entre partículas, estas deben chocar efectivamente. Cuanto mayor sea la concentración de reactivos, más colisiones y, en consecuencia, mayor será la velocidad de reacción.

Por ejemplo, el acetileno arde muy rápidamente en oxígeno puro. En este caso se desarrolla una temperatura suficiente para fundir el metal. Basándose en una gran cantidad de material experimental, en 1867 los noruegos K. Guldenberg y P. Waage e independientemente de ellos en 1865 el científico ruso N.I Beketov formularon la ley básica de la cinética química, estableciendo la dependencia de la velocidad de reacción de la concentración. de las sustancias que reaccionan.

La velocidad de una reacción química es proporcional al producto de las concentraciones de las sustancias que reaccionan, tomadas en potencias iguales a sus coeficientes en la ecuación de reacción. Esta ley también se llama

Ley de acción de masas.

Para la reacción A + B = D, esta ley se expresará de la siguiente manera:

Para la reacción 2A + B = D, esta ley se expresará de la siguiente manera:

Aquí C A, C B son las concentraciones de las sustancias A y B (mol/l); k 1 y k 2 son coeficientes de proporcionalidad, llamados constantes de velocidad de reacción.

El significado físico de la constante de velocidad de reacción no es difícil de establecer: es numéricamente igual a la velocidad de reacción en la que las concentraciones de los reactivos son 1 mol/l o su producto es igual a la unidad. En este caso, está claro que la constante de velocidad de reacción depende únicamente de la temperatura y no de la concentración de sustancias. Ley de acción de masas No tiene en cuenta la concentración de reactivos en estado sólido.

, porque reaccionan sobre las superficies y sus concentraciones suelen ser constantes.

Por ejemplo, para una reacción de combustión de carbón, la expresión de la velocidad de reacción debe escribirse de la siguiente manera:

es decir, la velocidad de reacción es proporcional sólo a la concentración de oxígeno.

Si la ecuación de reacción describe sólo una reacción química total que se desarrolla en varias etapas, entonces la velocidad de dicha reacción puede depender de forma compleja de las concentraciones de las sustancias de partida. Esta dependencia se determina experimental o teóricamente en función del mecanismo de reacción propuesto.

Es posible aumentar la velocidad de una reacción utilizando sustancias especiales que cambian el mecanismo de reacción y la dirigen por un camino energéticamente más favorable con una energía de activación más baja. Se llaman catalizadores (del latín katalysis - destrucción).

El catalizador actúa como un guía experimentado, guiando a un grupo de turistas no a través de un paso alto en las montañas (superarlo requiere mucho esfuerzo y tiempo y no es accesible para todos), sino por los caminos de circunvalación que conoce, por los cuales Se puede superar la montaña mucho más fácil y rápido.

Es cierto que utilizando la ruta de la rotonda no se puede llegar exactamente a donde conduce el paso principal. ¡Pero a veces esto es exactamente lo que se necesita! Así actúan exactamente los catalizadores llamados selectivos. Está claro que no es necesario quemar amoníaco ni nitrógeno, pero el óxido de nitrógeno (II) se utiliza en la producción de ácido nítrico.

catalizadores- Son sustancias que participan en una reacción química y cambian su velocidad o dirección, pero al final de la reacción permanecen sin cambios cuantitativa y cualitativamente.

Cambiar la velocidad de una reacción química o su dirección utilizando un catalizador se llama catálisis. Los catalizadores se utilizan ampliamente en diversas industrias y en el transporte (convertidores catalíticos que convierten los óxidos de nitrógeno de los gases de escape de los automóviles en nitrógeno inofensivo).

Hay dos tipos de catálisis.

Catálisis homogénea, en el que tanto el catalizador como los reactivos se encuentran en el mismo estado de agregación (fase).

Catálisis heterogénea, en el que el catalizador y los reactivos se encuentran en diferentes fases. Por ejemplo, la descomposición del peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador sólido de óxido de manganeso (IV):

El catalizador en sí no se consume como resultado de la reacción, pero si se adsorben otras sustancias en su superficie (se llaman venenos catalíticos), la superficie se vuelve inoperable y se requiere la regeneración del catalizador. Por tanto, antes de llevar a cabo la reacción catalítica, los materiales de partida se purifican minuciosamente.

Por ejemplo, en la producción de ácido sulfúrico por método de contacto, se utiliza un catalizador sólido: óxido de vanadio (V) V 2 O 5:

En la producción de metanol se utiliza un catalizador sólido de “zinc-cromo” (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

Los catalizadores biológicos (enzimas) funcionan de manera muy eficaz. Por naturaleza química estas son proteínas. Gracias a ellos, en los organismos vivos a bajas temperaturas se producen reacciones químicas complejas a gran velocidad.

Se conocen otras sustancias interesantes: los inhibidores (del latín inhibere - retrasar). Reaccionan con partículas activas a alta velocidad para formar compuestos poco activos. Como resultado, la reacción se ralentiza bruscamente y luego se detiene. Los inhibidores a menudo se añaden específicamente a diferentes sustancias para prevenir procesos no deseados.

Por ejemplo, las soluciones de peróxido de hidrógeno se estabilizan mediante inhibidores.

La naturaleza de las sustancias que reaccionan (su composición, estructura).

Significado energías de activación es el factor a través del cual se afecta la influencia de la naturaleza de las sustancias que reaccionan sobre la velocidad de reacción.

Si la energía de activación es baja (< 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.

Si la energía de activación es alta(> 120 kJ/mol), esto significa que sólo una pequeña fracción de las colisiones entre partículas que interactúan conducen a una reacción. Por tanto, la velocidad de tal reacción es muy baja. Por ejemplo, el progreso de la reacción de síntesis de amoníaco a temperaturas normales es casi imposible de notar.

Si las energías de activación de las reacciones químicas tienen valores intermedios (40120 kJ/mol), entonces las velocidades de dichas reacciones serán medias. Tales reacciones incluyen la interacción del sodio con agua o alcohol etílico, la decoloración del agua con bromo con etileno, la interacción del zinc con ácido clorhídrico, etc.

Superficie de contacto de sustancias reaccionantes.

La velocidad de las reacciones que ocurren en la superficie de sustancias, es decir, heterogéneas, depende, en igualdad de condiciones, de las propiedades de esta superficie. Se sabe que la tiza en polvo se disuelve mucho más rápido en ácido clorhídrico que un trozo de tiza del mismo peso.

El aumento en la velocidad de reacción se debe principalmente a aumentar la superficie de contacto de las sustancias de partida, así como una serie de otras razones, por ejemplo, una violación de la estructura de la red cristalina "correcta". Esto lleva al hecho de que las partículas en la superficie de los microcristales resultantes son mucho más reactivas que las mismas partículas en una superficie "lisa".

En la industria, para llevar a cabo reacciones heterogéneas, se utiliza un “lecho fluidizado” para aumentar la superficie de contacto de las sustancias que reaccionan, el suministro de sustancias de partida y la eliminación de productos. Por ejemplo, en la producción de ácido sulfúrico, las piritas se queman utilizando un "lecho fluidizado".

Material de referencia para realizar el examen:

Tabla periódica

tabla de solubilidad

DEFINICIÓN

Cinética química– el estudio de las velocidades y mecanismos de las reacciones químicas.

El estudio de las velocidades de reacción, la obtención de datos sobre los factores que influyen en la velocidad de una reacción química, así como el estudio de los mecanismos de las reacciones químicas se llevan a cabo de forma experimental.

DEFINICIÓN

Velocidad de reacción química– cambio en la concentración de uno de los reactivos o productos de reacción por unidad de tiempo con un volumen constante del sistema.

Las velocidades de reacciones homogéneas y heterogéneas se definen de manera diferente.

La definición de una medida de la velocidad de una reacción química se puede escribir en forma matemática. Sea la velocidad de una reacción química en un sistema homogéneo, n B sea el número de moles de cualquiera de las sustancias resultantes de la reacción, V sea el volumen del sistema y sea el tiempo. Luego en el límite:

Esta ecuación se puede simplificar: la relación entre la cantidad de una sustancia y el volumen es la concentración molar de la sustancia n B / V = ​​c B, de donde dn B / V = ​​dc B y finalmente:

En la práctica, las concentraciones de una o más sustancias se miden en determinados intervalos de tiempo. Las concentraciones de sustancias de partida disminuyen con el tiempo y las concentraciones de productos aumentan (Fig. 1).

Arroz. 1. Cambio en la concentración de la sustancia de partida (a) y del producto de reacción (b) con el tiempo.

Factores que afectan la velocidad de una reacción química.

Los factores que influyen en la velocidad de una reacción química son: la naturaleza de los reactivos, sus concentraciones, temperatura, presencia de catalizadores en el sistema, presión y volumen (en fase gaseosa).

La influencia de la concentración en la velocidad de una reacción química está asociada con la ley básica de la cinética química: la ley de acción de masas (LMA): la velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de las sustancias reaccionantes elevadas. elevado a la potencia de sus coeficientes estequiométricos. El ZDM no tiene en cuenta la concentración de sustancias en la fase sólida en sistemas heterogéneos.

Para la reacción mA +nB = pC +qD la expresión matemática del ZDM se escribirá:

K × C A m × C B n

K × [A] m × [B] n,

donde k es la constante de velocidad de una reacción química, que es la velocidad de una reacción química a una concentración de reactivos de 1 mol/l. A diferencia de la velocidad de una reacción química, k no depende de la concentración de los reactivos. Cuanto mayor es k, más rápida es la reacción.

La dependencia de la velocidad de una reacción química de la temperatura está determinada por la regla de Van't Hoff. Regla de Van't Hoff: por cada aumento de diez grados en la temperatura, la velocidad de la mayoría de las reacciones químicas aumenta aproximadamente de 2 a 4 veces. Expresión matemática:

(T 2) = (T 1) × (T2-T1)/10,

¿Dónde está el coeficiente de temperatura de Van't Hoff, que muestra cuántas veces aumenta la velocidad de reacción cuando la temperatura aumenta 10 o C?

Molecularidad y orden de reacción.

La molecularidad de una reacción está determinada por el número mínimo de moléculas que interactúan simultáneamente (participan en un acto elemental). Hay:

- reacciones monomoleculares (un ejemplo son las reacciones de descomposición)

N2O5 = 2NO2 + 1/2O2

K × C, -dC/dt = kC

Sin embargo, no todas las reacciones que obedecen a esta ecuación son monomoleculares.

- bimolecular

CH 3 COOH + C 2 H 5 OH = CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O

K × C 1 × C 2 , -dC/dt = k × C 1 × C 2

- trimolecular (muy raro).

La molecularidad de una reacción está determinada por su verdadero mecanismo. Es imposible determinar su molecularidad escribiendo la ecuación de una reacción.

El orden de la reacción está determinado por la forma de la ecuación cinética de la reacción. Es igual a la suma de los exponentes de los grados de concentración en esta ecuación. Por ejemplo:

CaCO 3 = CaO + CO 2

K × C 1 2 × C 2 - tercer orden

El orden de la reacción puede ser fraccionario. En este caso, se determina experimentalmente. Si la reacción avanza en una etapa, entonces el orden de la reacción y su molecularidad coinciden, si es en varias etapas, entonces el orden está determinado por la etapa más lenta y es igual a la molecularidad de esta reacción.

Ejemplos de resolución de problemas

EJEMPLO 1