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Certaines réactions prennent quelques fractions de secondes, tandis que certaines interactions prennent des jours ou des semaines.

Essayons d'identifier la dépendance de la vitesse de réaction sur la température, la concentration et d'autres facteurs. Dans la nouvelle norme éducative pour cette question est donné quantité minimale temps scolaire. Les tests de l'examen d'État unifié comprennent des tâches sur la dépendance de la vitesse de réaction à la température, à la concentration et proposent même des problèmes de calcul. De nombreux lycéens éprouvent certaines difficultés à trouver des réponses à ces questions, nous allons donc analyser ce sujet en détail.

Pertinence de la question examinée

Les informations sur la vitesse de réaction ont une importance pratique et scientifique importante. Par exemple, dans la production spécifique de substances et de produits, la productivité des équipements et le coût des marchandises dépendent directement de cette valeur.

Classification des réactions en cours

Il existe une relation directe entre l'état d'agrégation des composants initiaux et les produits formés lors d'interactions hétérogènes.

En chimie, un système désigne généralement une substance ou une combinaison de celles-ci.

Un système constitué d'une phase (le même état d'agrégation) est considéré comme homogène. A titre d'exemple, on peut citer un mélange de gaz et de plusieurs liquides différents.

Un système hétérogène est un système dans lequel les réactifs sont sous forme de gaz et de liquides. solides et les gaz.

La vitesse de réaction dépend non seulement de la température, mais également de la phase dans laquelle les composants entrant dans l'interaction analysée sont utilisés.

Une composition homogène se caractérise par un processus se déroulant dans tout le volume, ce qui améliore considérablement sa qualité.

Si les substances de départ sont dans des états de phase différents, alors l'interaction maximale est observée à l'interface de phase. Par exemple, lorsqu'un métal actif est dissous dans un acide, la formation d'un produit (sel) s'observe uniquement à la surface de leur contact.

Relation mathématique entre la vitesse du processus et divers facteurs

À quoi ressemble l'équation de la dépendance de la vitesse d'une réaction chimique à la température ? Pour un processus homogène, le taux est déterminé par la quantité de substance qui interagit ou se forme lors de la réaction dans le volume du système par unité de temps.

Pour un processus hétérogène, le taux est déterminé par la quantité de substance réagissant ou produite dans le processus par unité de surface sur une période de temps minimale.

Facteurs affectant la vitesse d'une réaction chimique

La nature des substances en réaction est l'une des raisons des différentes vitesses de processus. Par exemple, les métaux alcalins forment des alcalis avec l'eau à température ambiante, et le processus s'accompagne d'un dégagement intense d'hydrogène gazeux. Les métaux nobles (or, platine, argent) ne sont capables de processus similaires ni à température ambiante ni lorsqu'ils sont chauffés.

La nature des réactifs est un facteur pris en compte dans industrie chimique pour améliorer la rentabilité de la production.

Une relation a été révélée entre la concentration des réactifs et la vitesse de la réaction chimique. Plus il est élevé, plus les particules entreront en collision, donc le processus se déroulera plus rapidement.

La loi de l'action de masse sous forme mathématique décrit une relation directement proportionnelle entre la concentration des substances de départ et la vitesse du processus.

Il a été formulé au milieu du XIXe siècle par le chimiste russe N. N. Beketov. Pour chaque processus, une constante de réaction est déterminée, qui n'est pas liée à la température, à la concentration ou à la nature des réactifs.

Afin d'accélérer la réaction dans laquelle une substance solide est impliquée, vous devez la broyer jusqu'à l'état de poudre.

Dans ce cas, la surface augmente, ce qui a un effet positif sur la vitesse du processus. Utilisé pour le carburant diesel système spécial injection, grâce à laquelle, au contact de l'air, la vitesse de combustion du mélange d'hydrocarbures augmente considérablement.

Chauffage

La dépendance de la vitesse d'une réaction chimique sur la température s'explique par la théorie de la cinétique moléculaire. Il permet de calculer le nombre de collisions entre molécules de réactifs dans certaines conditions. Si vous disposez de telles informations, dans des conditions normales, tous les processus devraient se dérouler instantanément.

Mais si l'on considère exemple spécifique en fonction de la vitesse de réaction en fonction de la température, il s'avère que pour l'interaction, il est d'abord nécessaire de rompre les liaisons chimiques entre les atomes afin que de nouvelles substances se forment à partir d'eux. Cela nécessite une dépense énergétique importante. Quelle est la dépendance de la vitesse de réaction avec la température ? L'énergie d'activation détermine la possibilité de rupture des molécules ; c'est précisément cette énergie qui caractérise la réalité des processus. Ses unités sont le kJ/mol.

Si l’énergie est insuffisante, la collision sera inefficace, elle ne s’accompagne donc pas de la formation d’une nouvelle molécule.

Représentation graphique

La dépendance de la vitesse d'une réaction chimique sur la température peut être représentée graphiquement. Lorsqu'il est chauffé, le nombre de collisions entre particules augmente, ce qui accélère l'interaction.

À quoi ressemble un graphique de la vitesse de réaction en fonction de la température ? L'énergie des molécules est affichée horizontalement et le nombre de particules ayant une réserve d'énergie élevée est indiqué verticalement. Un graphique est une courbe par laquelle on peut juger de la vitesse d’une interaction particulière.

Plus la différence d'énergie par rapport à la moyenne est grande, plus le point de la courbe est éloigné du maximum et plus le pourcentage de molécules disposant d'une telle réserve d'énergie est faible.

Aspects importants

Est-il possible d'écrire une équation pour la dépendance de la constante de vitesse de réaction sur la température ? Son augmentation se traduit par une augmentation de la vitesse du processus. Cette dépendance est caractérisée par une certaine valeur appelée coefficient de température de la vitesse de traitement.

Pour toute interaction, la dépendance de la constante de vitesse de réaction sur la température a été révélée. Si elle augmente de 10 degrés, la vitesse du processus augmente de 2 à 4 fois.

La dépendance de la vitesse des réactions homogènes à la température peut être représentée sous forme mathématique.

Pour la plupart des interactions à température ambiante, le coefficient est compris entre 2 et 4. Par exemple, avec un coefficient de température de 2,9, une augmentation de la température de 100 degrés accélère le processus de près de 50 000 fois.

La dépendance de la vitesse de réaction à la température peut facilement s’expliquer par différentes énergies d’activation. Il a une valeur minimale lors des processus ioniques, qui sont déterminés uniquement par l'interaction des cations et des anions. De nombreuses expériences indiquent l'apparition instantanée de telles réactions.

À une énergie d’activation élevée, seul un petit nombre de collisions entre particules conduira à une interaction. À une énergie d’activation moyenne, les réactifs interagiront à un rythme moyen.

Les tâches sur la dépendance de la vitesse de réaction à la concentration et à la température ne sont envisagées qu'au niveau supérieur de l'enseignement et posent souvent de sérieuses difficultés aux enfants.

Mesurer la vitesse d'un processus

Les processus qui nécessitent une énergie d'activation importante impliquent une rupture initiale ou un affaiblissement des liaisons entre les atomes dans les substances de départ. Dans ce cas, ils passent à un certain état intermédiaire appelé complexe activé. C'est un état instable, se décompose assez rapidement en produits de réaction, le processus s'accompagne de la libération d'énergie supplémentaire.

Dans sa forme la plus simple, un complexe activé est une configuration d’atomes dont les anciennes liaisons sont affaiblies.

Inhibiteurs et catalyseurs

Analysons la dépendance de la vitesse de la réaction enzymatique sur la température du milieu. Ces substances fonctionnent comme des accélérateurs de processus.

Ils ne participent pas eux-mêmes à l'interaction ; leur nombre reste inchangé une fois le processus terminé. Alors que les catalyseurs contribuent à augmenter la vitesse de réaction, les inhibiteurs ralentissent au contraire ce processus.

L'essence de ceci réside dans la formation de composés intermédiaires, ce qui entraîne une modification de la vitesse du processus.

Conclusion

Diverses interactions chimiques se produisent chaque minute dans le monde. Comment établir la dépendance de la vitesse de réaction à la température ? L'équation d'Arrhenius est une explication mathématique de la relation entre la constante de vitesse et la température. Il donne une idée de ces valeurs d'énergie d'activation auxquelles la destruction ou l'affaiblissement des liaisons entre les atomes dans les molécules et la répartition des particules dans de nouvelles substances chimiques sont possibles.

Grâce à la théorie de la cinétique moléculaire, il est possible de prédire la probabilité d'interactions entre composants de démarrage, calculez la vitesse du processus. Parmi les facteurs qui affectent la vitesse de réaction figurent sens spécial a un changement de température, de concentration en pourcentage de substances en interaction, de surface de contact, de présence d'un catalyseur (inhibiteur), ainsi que de la nature des composants en interaction.

La notion de « vitesse » se retrouve assez souvent dans la littérature. Il est connu de la physique que plus la distance parcourue par un corps matériel (une personne, un train, un vaisseau spatial) au cours d'une certaine période de temps est grande, plus la vitesse de ce corps est élevée.

Comment mesurer la vitesse d’une réaction chimique qui « ne mène nulle part » et ne parcourt aucune distance ? Pour répondre à cette question, vous devez savoir ce que Toujours changements dans n'importe lequel réaction chimique? Étant donné que toute réaction chimique est un processus de modification d'une substance, la substance d'origine y disparaît et se transforme en produits de réaction. Ainsi, lors d'une réaction chimique, la quantité d'une substance change toujours, le nombre de particules des substances de départ diminue, et donc son concentration (C).

Tâche d'examen d'État unifié. La vitesse d’une réaction chimique est proportionnelle au changement :

1. concentration d'une substance par unité de temps ;
2. quantité de substance par unité de volume ;
3. masse d'une substance par unité de volume ;
4. volume de substance au cours de la réaction.

Comparez maintenant votre réponse avec la bonne :

la vitesse d'une réaction chimique est égale à la variation de la concentration du réactif par unité de temps

Où C1 Et De 0- concentrations de réactifs, respectivement finales et initiales ; t1 Et t 2- le moment de l'expérience, respectivement la période finale et initiale.

Question. Selon vous, quelle valeur est la plus grande : C1 ou De 0? t1 ou t 0?

Puisque les réactifs sont toujours consommés dans une réaction donnée, alors

Ainsi, le rapport de ces quantités est toujours négatif et la vitesse ne peut pas être une quantité négative. Par conséquent, un signe moins apparaît dans la formule, ce qui indique simultanément que la vitesse n'importe lequel les réactions dans le temps (dans des conditions constantes) sont toujours diminue.

La vitesse de la réaction chimique est donc :

La question se pose : dans quelles unités faut-il mesurer la concentration des réactifs (C) et pourquoi ? Pour y répondre, vous devez comprendre quelle est la condition principal pour qu’une réaction chimique se produise.

Pour que les particules réagissent, il faut au moins qu’elles entrent en collision. C'est pourquoi plus le nombre de particules* (nombre de taupes) par unité de volume est élevé, plus elles entrent en collision souvent, plus la probabilité d'une réaction chimique est élevée.

* Découvrez ce qu'est une « taupe » dans la leçon 29.1.

Par conséquent, lors de la mesure des vitesses procédés chimiques utiliser concentration molaire substances dans les mélanges réactionnels.

La concentration molaire d'une substance montre combien de moles elle est contenue dans 1 litre de solution

Ainsi, plus la concentration molaire des substances en réaction est élevée, plus il y a de particules par unité de volume, plus elles entrent en collision souvent et plus (toutes choses étant égales par ailleurs) la vitesse de la réaction chimique est élevée. Par conséquent, la loi fondamentale de la cinétique chimique (c'est-à-dire la science de la vitesse des réactions chimiques) est loi de l'action de masse.

La vitesse d'une réaction chimique est directement proportionnelle au produit des concentrations des réactifs.

Pour une réaction de type A + B →... mathématiquement cette loi peut s'exprimer comme suit :

Si la réaction est plus complexe, par exemple 2A + B → ou, ce qui revient au même, A + A + B → ..., alors

Ainsi, un exposant est apparu dans l'équation de vitesse « deux» , ce qui correspond au coefficient 2 dans l'équation de réaction. Pour plus équations complexes En règle générale, les grands exposants ne sont pas utilisés. Cela est dû au fait que la probabilité d’une collision simultanée de, disons, trois molécules A et deux molécules B est extrêmement faible. Par conséquent, de nombreuses réactions se produisent en plusieurs étapes, au cours desquelles pas plus de trois particules entrent en collision, et chaque étape du processus se déroule à une certaine vitesse. Cette vitesse et son équation cinétique de vitesse sont déterminées expérimentalement.

Les équations de vitesse de réaction chimique (3) ou (4) ci-dessus ne sont valables que pour homogène réactions, c'est-à-dire pour de telles réactions lorsque les substances en réaction ne sont pas séparées par la surface. Par exemple, une réaction se produit dans une solution aqueuse et les deux réactifs sont hautement solubles dans l’eau ou dans tout mélange de gaz.

C'est une autre affaire quand ça arrive hétérogène réaction. Dans ce cas, il existe une interface entre les substances réactives, par exemple le dioxyde de carbone gaz réagit avec l'eau solution les alcalis. Dans ce cas, n’importe quelle molécule de gaz est également susceptible de réagir, car ces molécules se déplacent rapidement et de manière chaotique. Qu’en est-il des particules de la solution liquide ? Ces particules se déplacent extrêmement lentement et les particules alcalines qui se trouvent « au fond » n'ont pratiquement aucune chance de réagir avec le dioxyde de carbone à moins que la solution ne soit constamment agitée. Seules les particules qui « reposent à la surface » réagiront. Donc pour hétérogène réactions -

la vitesse de réaction dépend de la taille de la surface d'interface, qui augmente avec le broyage.

Par conséquent, très souvent, les substances réactives sont broyées (par exemple dissoutes dans l'eau), les aliments sont soigneusement mâchés et, pendant le processus de cuisson, broyés, passés dans un hachoir à viande, etc. Un produit alimentaire qui n'est pas broyé n'est pratiquement pas digestible!

Ainsi, avec vitesse maximum(toutes choses étant égales par ailleurs) des réactions homogènes se produisent dans les solutions et entre les gaz (si ces gaz réagissent aux conditions ambiantes), et dans les solutions où les molécules sont situées « à proximité », et le broyage est le même que dans les gaz (et même plus !), - la vitesse de réaction est plus élevée.

Tâche d'examen d'État unifié. Laquelle des réactions se produit avec le plus vitesse plus élevéeà température ambiante:

1. carbone avec oxygène;
2. fer à repasser avec acide chlorhydrique;
3. fer à repasser avec une solution d'acide acétique
4. solutions d'alcali et d'acide sulfurique.

DANS dans ce cas nous devons trouver quel processus est homogène.

Il convient de noter que la vitesse d'une réaction chimique entre des gaz ou d'une réaction hétérogène à laquelle participe un gaz dépend également de la pression, car avec l'augmentation de la pression, les gaz sont comprimés et la concentration de particules augmente (voir formule 2). La vitesse des réactions dans lesquelles les gaz ne sont pas impliqués n'est pas affectée par les changements de pression.

Tâche d'examen d'État unifié. La vitesse de réaction chimique entre la solution acide et le fer n'est pas affectée

1. concentration d'acide;
2. broyage du fer;
3. température de réaction ;
4. augmentation de la pression.

Et enfin, la vitesse de la réaction dépend aussi de la réactivité des substances. Par exemple, si l'oxygène réagit avec une substance, alors, toutes choses égales par ailleurs, la vitesse de réaction sera plus élevée que lorsque la même substance interagit avec l'azote. Le fait est que la réactivité de l’oxygène est nettement supérieure à celle de l’azote. Nous examinerons la raison de ce phénomène dans la prochaine partie de l'Auto-enseignant (Leçon 14).

Tâche d'examen d'État unifié. La réaction chimique entre l'acide chlorhydrique et

1. cuivre;
2. fer;
3. magnésium;
4. zinc

Il convient de noter que toutes les collisions de molécules n'entraînent pas leur interaction chimique (réaction chimique). Dans un mélange gazeux d'hydrogène et d'oxygène, dans des conditions normales, plusieurs milliards de collisions se produisent par seconde. Mais les premiers signes de la réaction (gouttelettes d’eau) n’apparaîtront dans le flacon qu’au bout de quelques années. Dans de tels cas, ils disent que la réaction ça ne marche pratiquement pas. Mais elle possible, sinon comment expliquer que lorsque ce mélange est chauffé à 300 °C, le ballon s'embue rapidement, et à une température de 700 °C une terrible explosion se produira ! Ce n’est pas pour rien qu’un mélange d’hydrogène et d’oxygène est appelé « gaz explosif ».

Question. Pourquoi pensez-vous que la vitesse de réaction augmente si fortement lorsqu’elle est chauffée ?

La vitesse de réaction augmente parce que, d'une part, le nombre de collisions de particules augmente, et d'autre part, le nombre de collisions de particules augmente. actif collisions. Ce sont les collisions actives de particules qui conduisent à leur interaction. Pour qu’une telle collision se produise, les particules doivent posséder une certaine quantité d’énergie.

L’énergie que doivent posséder les particules pour qu’une réaction chimique se produise est appelée énergie d’activation.

Cette énergie est dépensée pour vaincre les forces répulsives entre électrons externes atomes et molécules et la destruction des « anciens » liaisons chimiques.

La question se pose : comment augmenter l’énergie des particules en réaction ? La réponse est simple : augmenter la température, car avec l'augmentation de la température, la vitesse de déplacement des particules augmente et, par conséquent, leur énergie cinétique.

Règle Van't Hoff*:

Avec chaque augmentation de température de 10 degrés, la vitesse de réaction augmente de 2 à 4 fois.

VANT-HOFF Jacob Hendrik(30/08/1852-01/03/1911) - chimiste néerlandais. L'un des fondateurs chimie physique et la stéréochimie. prix Nobel en chimie n°1 (1901).

Il convient de noter que cette règle (pas une loi !) a été établie expérimentalement pour des réactions « faciles » à mesurer, c'est-à-dire pour des réactions qui ne se déroulaient ni trop rapidement ni trop lentement et à des températures accessibles à l'expérimentateur (pas trop haut et pas trop bas).

Question. Selon vous, quelle est la façon la plus rapide de cuire des pommes de terre : les faire bouillir ou les faire frire dans une couche d'huile ?

Afin de bien comprendre le sens des phénomènes décrits, vous pouvez comparer les molécules qui réagissent avec un groupe d'élèves qui s'apprêtent à sauter haut. Si on leur donne une barrière de 1 m de haut, alors les élèves devront courir (augmenter leur « température ») pour franchir la barrière. Néanmoins, il y aura toujours des étudiants (« molécules inactives ») qui ne parviendront pas à franchir cette barrière.

Ce qu'il faut faire? Si vous adhérez au principe : « Une personne intelligente ne gravira pas une montagne, une personne intelligente contournera une montagne », alors vous devriez simplement abaisser la barrière, disons, à 40 cm. Ensuite, n'importe quel étudiant pourra surmonter la barrière. barrière. Au niveau moléculaire, cela signifie : afin d'augmenter la vitesse de réaction, il est nécessaire de réduire l'énergie d'activation dans un système donné.

Dans les processus chimiques réels, cette fonction est assurée par un catalyseur.

Catalyseur est une substance qui modifie la vitesse d'une réaction chimique tout en restant inchangé vers la fin de la réaction chimique.

Catalyseur participe dans une réaction chimique, interagissant avec une ou plusieurs substances de départ. Dans ce cas, des composés intermédiaires se forment et l’énergie d’activation change. Si l'intermédiaire est plus actif (complexe actif), alors l'énergie d'activation diminue et la vitesse de réaction augmente.

Par exemple, la réaction entre SO 2 et O 2 se produit très lentement dans des conditions normales ça ne marche pratiquement pas. Mais en présence de NO, la vitesse de réaction augmente fortement. D'abord NON très vite réagit avec l'O2 :

dioxyde d'azote résultant rapide réagit avec l'oxyde de soufre (IV):

Tâche 5.1.À l’aide de cet exemple, montrez quelle substance est un catalyseur et laquelle est un complexe actif.

A l'inverse, si davantage de composés passifs se forment, l'énergie d'activation peut augmenter tellement que la réaction ne se produit pratiquement pas dans ces conditions. De tels catalyseurs sont appelés inhibiteurs.

En pratique, les deux types de catalyseurs sont utilisés. Des catalyseurs organiques donc spéciaux - enzymes- participer à absolument tous les processus biochimiques : digestion des aliments, contraction musculaire, respiration. La vie ne peut pas exister sans enzymes !

Les inhibiteurs sont nécessaires pour protéger les produits métalliques de la corrosion et les aliments contenant des matières grasses de l'oxydation (rancissement). Certains médicaments contiennent également des inhibiteurs qui inhibent les fonctions vitales des micro-organismes et les détruisent ainsi.

La catalyse peut être homogène ou hétérogène. Un exemple de catalyse homogène est l'effet du NO (c'est un catalyseur) sur l'oxydation du dioxyde de soufre. Un exemple de catalyse hétérogène est l'action du cuivre chauffé sur l'alcool :

Cette réaction se déroule en deux étapes :

Tâche 5.2. Déterminer quelle substance est le catalyseur dans ce cas ? Pourquoi ce type de catalyse est-il dit hétérogène ?

Dans la pratique, on utilise le plus souvent la catalyse hétérogène, où des substances solides servent de catalyseurs : métaux, leurs oxydes, etc. À la surface de ces substances se trouvent des points particuliers (nœuds du réseau cristallin) où se produit réellement la réaction catalytique. Si ces points sont recouverts de substances étrangères, alors la catalyse s'arrête. Cette substance, nuisible au catalyseur, est appelée poison catalytique. Autres substances - promoteurs- au contraire, ils renforcent l'activité catalytique.

Un catalyseur peut changer la direction d'une réaction chimique, c'est-à-dire qu'en changeant de catalyseur, vous pouvez obtenir différents produits de réaction. Ainsi, à partir de l'alcool C 2 H 5 OH en présence d'oxydes de zinc et d'aluminium, on peut obtenir du butadiène et de l'éthylène en présence d'acide sulfurique concentré.

Ainsi, lors d’une réaction chimique, l’énergie du système change. Si pendant la réaction l'énergie est libérée sous forme de chaleur Q, un tel processus est appelé exothermique:

Pour endo procédés thermiques la chaleur est absorbée, c'est-à-dire effet thermique Q< 0 .

Tâche 5.3. Déterminez lequel des processus proposés est exothermique et lequel est endothermique :

L'équation d'une réaction chimique dans laquelle effet thermique, est appelée l’équation thermochimique de la réaction. Afin de créer une telle équation, il est nécessaire de calculer l'effet thermique pour 1 mole de réactif.

Tâche. Lorsque 6 g de magnésium sont brûlés, 153,5 kJ de chaleur sont libérés. Écrivez une équation thermochimique pour cette réaction.

Solution. Créons une équation pour la réaction et indiquons CI-DESSUS les formules données :

Après avoir rattrapé la proportion, on retrouve l'effet thermique souhaité de la réaction :

L'équation thermochimique de cette réaction est :

Ces tâches sont données dans les missions majorité Options d'examen d'État unifié! Par exemple.

Tâche d'examen d'État unifié. D'après l'équation de la réaction thermochimique

la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion de 8 g de méthane est égale à :

Réversibilité des processus chimiques. Le principe du Chatelier

* LE CHATELIER Henri Louis(8.10.1850-17.09.1936) - Physicien-chimiste et métallurgiste français. Formulé loi commune changements d'équilibre (1884).

Les réactions peuvent être réversibles ou irréversibles.

Irréversible Il s’agit de réactions pour lesquelles il n’existe aucune condition permettant le processus inverse.

Un exemple de telles réactions sont les réactions qui se produisent lorsque le lait tourne ou lorsqu'il est brûlé. délicieuse côtelette. Comme c'est impossible de rater viande hachée en repassant dans le hachoir à viande (et en récupérant à nouveau un morceau de viande), il est également impossible de « réanimer » la côtelette ou de faire du lait frais.

Mais posons-nous une question simple : le processus est-il irréversible ?

Afin de répondre à cette question, essayons de nous rappeler : est-il possible d'effectuer le processus inverse ? Oui! La décomposition du calcaire (craie) pour obtenir de la chaux vive CaO est utilisée à l'échelle industrielle :

Ainsi, la réaction est réversible, puisqu’il existe des conditions dans lesquelles les deux processus:

De plus, il existe des conditions dans lesquelles la vitesse de la réaction directe est égale à la vitesse de la réaction inverse.

Dans ces conditions, l’équilibre chimique s’établit. A ce moment, la réaction ne s'arrête pas, mais le nombre de particules obtenues est égal au nombre de particules décomposées. C'est pourquoi capable équilibre chimique les concentrations de particules réactives ne changent pas. Par exemple, pour notre procédé au moment de l'équilibre chimique

signe signifie concentration à l’équilibre.

La question se pose : qu’arrivera-t-il à l’équilibre si la température augmente ou diminue ou si d’autres conditions sont modifiées ? On peut répondre à cette question en sachant Le principe du Chatelier:

si vous modifiez les conditions (t, p, c) dans lesquelles le système est en état d'équilibre, alors l'équilibre se déplacera vers le processus qui résiste au changement.

Autrement dit, un système d’équilibre résiste toujours à toute influence extérieure, tout comme un enfant capricieux qui fait « le contraire » résiste à la volonté de ses parents.

Regardons un exemple. Soit l'équilibre s'établit dans la réaction produisant de l'ammoniac :

Des questions. Le nombre de moles de gaz réactifs est-il le même avant et après la réaction ? Si une réaction se produit dans un volume fermé, quand la pression est-elle plus élevée : avant ou après la réaction ?

Il est évident que ce processus se produit avec une diminution du nombre de molécules de gaz, ce qui signifie pression diminue lors de la réaction directe. DANS inverse réactions - au contraire, la pression dans le mélange augmente.

Demandons-nous ce qui se passera si dans ce système augmenter pression? Selon le principe de Le Chatelier, la réaction qui « fait le contraire » se déroulera, c'est-à-dire : abaisse pression. Il s'agit d'une réaction directe : moins de molécules de gaz - moins de pression.

Donc, à augmenter pression, l’équilibre se déplace vers le processus direct, où la pression chute, à mesure que le nombre de molécules diminue des gaz

Tâche d'examen d'État unifié.À augmenter changements d’équilibre des pressions droite dans le système :

Si à la suite de la réaction nombre de molécules les gaz ne changent pas, alors un changement de pression n’affecte pas la position d’équilibre.

Tâche d'examen d'État unifié. Un changement de pression affecte le changement d’équilibre du système :

La position d'équilibre de cette réaction et de toute autre réaction dépend de la concentration des substances en réaction : en augmentant la concentration des substances de départ et en diminuant la concentration des substances résultantes, nous déplaçons toujours l'équilibre vers la réaction directe (vers la droite).

Tâche d'examen d'État unifié.

se déplacera vers la gauche lorsque :

1. augmentation de la pression artérielle;
2. diminution de la température;
3. augmentation de la concentration de CO ;
4. diminution de la concentration en CO.

Le processus de synthèse de l'ammoniac est exothermique, c'est-à-dire accompagné d'un dégagement de chaleur, c'est-à-dire hausse de température dans le mélange.

Question. Comment l’équilibre de ce système changera-t-il lorsque chute de température?

En discutant de la même manière, nous faisons conclusion: en diminuant température, l'équilibre se déplacera vers la formation d'ammoniac, puisque dans cette réaction de la chaleur est libérée, et la température se lève.

Question. Comment la vitesse d’une réaction chimique change-t-elle à mesure que la température diminue ?

Évidemment, à mesure que la température diminue, la vitesse des deux réactions diminuera fortement, c'est-à-dire qu'il faudra attendre très longtemps pour que l'équilibre souhaité s'établisse. Ce qu'il faut faire? Dans ce cas il faut catalyseur. Bien qu'il n'affecte pas la position d'équilibre, mais accélère l'apparition de cet état.

Tâche d'examen d'État unifié.Équilibre chimique dans le système

se déplace vers la formation du produit de réaction lorsque :

1. augmentation de la pression artérielle;
2. augmentation de la température;
3. diminution de la pression;
4. utilisation d'un catalyseur.

conclusions

La vitesse d’une réaction chimique dépend :

• la nature des particules qui réagissent ;
• concentration ou zone d'interface des réactifs ;
• température;
• présence d'un catalyseur.

L'équilibre est établi lorsque la vitesse de la réaction directe est égale à la vitesse du processus inverse. Dans ce cas, la concentration à l'équilibre des réactifs ne change pas. L'état d'équilibre chimique dépend des conditions et obéit au principe de Le Chatelier.

Les réactions chimiques se produisent à différentes vitesses : à faible vitesse lors de la formation de stalactites et de stalagmites, à vitesse moyenne lors de la cuisson des aliments, instantanément lors d'une explosion. Les réactions se produisent très rapidement dans les solutions aqueuses.

Déterminer la vitesse d'une réaction chimique, ainsi qu'élucider sa dépendance aux conditions du processus, est la tâche de la cinétique chimique - la science des modèles de réactions chimiques au fil du temps.

Si des réactions chimiques se produisent dans un milieu homogène, par exemple dans une solution ou en phase gazeuse, alors l'interaction des substances en réaction se produit dans tout le volume. De telles réactions sont appelées homogène.

(v homog) est défini comme la variation de la quantité de substance par unité de temps par unité de volume :

où Δn est la variation du nombre de moles d'une substance (le plus souvent l'originale, mais il peut aussi s'agir d'un produit de réaction) ; Δt - intervalle de temps (s, min) ; V est le volume de gaz ou de solution (l).

Puisque le rapport entre la quantité de substance et le volume représente la concentration molaire C, alors

Ainsi, la vitesse d'une réaction homogène est définie comme la variation de la concentration de l'une des substances par unité de temps :

si le volume du système ne change pas.

Si une réaction se produit entre des substances dans différents états d'agrégation (par exemple, entre solide et gaz ou liquide), ou entre des substances incapables de former un milieu homogène (par exemple, entre des liquides non miscibles), alors il ne passe que sur la surface de contact des substances. De telles réactions sont appelées hétérogène.

Défini comme le changement de la quantité de substance par unité de temps sur une surface unitaire.

où S est la surface de contact des substances (m 2, cm 2).

Un changement dans la quantité d'une substance par laquelle la vitesse d'une réaction est déterminée est facteur externe observé par le chercheur. En fait, tous les processus sont réalisés au niveau micro. Évidemment, pour que certaines particules réagissent, elles doivent d'abord entrer en collision, et entrer en collision efficacement : non pas se disperser comme des boules dans des directions différentes, mais de telle manière que les « anciennes liaisons » soient détruites ou affaiblies dans les particules et que de « nouvelles » puissent forme ", et pour cela les particules doivent avoir suffisamment d'énergie.

Les données calculées montrent que, par exemple, dans les gaz, les collisions de molécules à pression atmosphérique se chiffrent en milliards par seconde, c'est-à-dire que toutes les réactions devraient se produire instantanément. Mais ce n'est pas vrai. Il s’avère que seule une très petite fraction des molécules possède l’énergie nécessaire pour conduire à des collisions efficaces.

L'excès d'énergie minimum qu'une particule (ou une paire de particules) doit avoir pour qu'une collision efficace se produise est appelé énergie d'activation Ch.

Ainsi, sur le chemin de toutes les particules entrant dans la réaction, il existe une barrière énergétique égale à l'énergie d'activation E a. Lorsqu'il est petit, de nombreuses particules peuvent le surmonter et la vitesse de réaction est élevée. Sinon, un « push » est requis. Lorsque vous allumez une allumette pour allumer une lampe à alcool, vous transmettez l'énergie supplémentaire E a nécessaire à la collision efficace des molécules d'alcool avec les molécules d'oxygène (surmonter la barrière).

La vitesse d'une réaction chimique dépend de nombreux facteurs. Les principaux sont : la nature et la concentration des substances en réaction, la pression (dans les réactions impliquant des gaz), la température, l'action des catalyseurs et la surface des substances en réaction dans le cas de réactions hétérogènes.

Température

À mesure que la température augmente, dans la plupart des cas, la vitesse d’une réaction chimique augmente considérablement. Dans le 19ème siècle Le chimiste néerlandais J. X. van't Hoff a formulé la règle :

Chaque augmentation de température de 10 °C entraîne une augmentation devitesse de réaction 2 à 4 fois(cette valeur est appelée coefficient de température de la réaction).

À mesure que la température augmente, la vitesse moyenne des molécules, leur énergie et le nombre de collisions augmentent légèrement, mais la proportion de molécules « actives » participant à des collisions efficaces qui surmontent la barrière énergétique de la réaction augmente fortement. Mathématiquement, cette dépendance s'exprime par la relation :

où v t 1 et v t 2 sont les vitesses de réaction, respectivement, aux températures finale t 2 et initiale t 1, et γ est le coefficient de température de la vitesse de réaction, qui montre combien de fois la vitesse de réaction augmente à chaque augmentation de 10 °C en température.

Cependant, pour augmenter la vitesse de réaction, il n'est pas toujours possible d'augmenter la température, car les substances de départ peuvent commencer à se décomposer, les solvants ou les substances elles-mêmes peuvent s'évaporer, etc.

Réactions endothermiques et exothermiques

On sait que la réaction du méthane avec l’oxygène de l’air s’accompagne du dégagement d’une grande quantité de chaleur. Par conséquent, il est utilisé dans la vie quotidienne pour cuisiner, chauffer l’eau et se chauffer. Le gaz naturel fourni aux maisons par des canalisations est composé à 98 % de méthane. La réaction de l'oxyde de calcium (CaO) avec l'eau s'accompagne également du dégagement d'une grande quantité de chaleur.

Que peuvent indiquer ces faits ? Lorsque de nouvelles liaisons chimiques se forment dans les produits de réaction, plusénergie que celle nécessaire pour rompre les liaisons chimiques dans les réactifs. L’excès d’énergie est libéré sous forme de chaleur et parfois de lumière.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (énergie (lumière, chaleur)) ;

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (énergie (chaleur)).

De telles réactions devraient se produire facilement (comme une pierre roule facilement en descente).

Les réactions dans lesquelles de l'énergie est libérée sont appelées EXOTHERMIQUE(du latin « exo » - dehors).

Par exemple, de nombreuses réactions redox sont exothermiques. L'une de ces belles réactions est l'oxydo-réduction intramoléculaire se produisant à l'intérieur du même sel - le dichromate d'ammonium (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 (énergie).

Une autre chose est le contrecoup. C’est comme faire rouler une pierre sur une colline. Il n'a pas encore été possible d'obtenir du méthane à partir du CO 2 et de l'eau, et un fort chauffage est nécessaire pour obtenir de la chaux vive CaO à partir de l'hydroxyde de calcium Ca(OH) 2. Cette réaction se produit uniquement avec un flux constant d'énergie provenant de l'extérieur :

Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (énergie (chaleur))

Cela suggère que la rupture des liaisons chimiques dans Ca(OH) 2 nécessite plus d'énergie que celle qui peut être libérée lors de la formation de nouvelles liaisons chimiques dans les molécules de CaO et H 2 O.

Les réactions dans lesquelles l'énergie est absorbée sont appelées ENDOTHERMIQUE(de "endo" - vers l'intérieur).

Concentration des réactifs

Un changement de pression lorsque des substances gazeuses participent à la réaction entraîne également une modification de la concentration de ces substances.

Pour que des interactions chimiques entre particules se produisent, elles doivent effectivement entrer en collision. Plus la concentration de réactifs est élevée, plus il y a de collisions et, par conséquent, plus la vitesse de réaction est élevée.

Par exemple, l’acétylène brûle très rapidement dans l’oxygène pur. Dans ce cas, une température suffisante pour faire fondre le métal se développe. Sur la base d'une grande quantité de matériel expérimental, en 1867 les Norvégiens K. Guldenberg et P. Waage et indépendamment d'eux en 1865, le scientifique russe N.I. Beketov ont formulé la loi fondamentale de la cinétique chimique, établissant la dépendance de la vitesse de réaction sur la concentration. des substances en réaction.

La vitesse d'une réaction chimique est proportionnelle au produit des concentrations des substances en réaction, prises en puissances égales à leurs coefficients dans l'équation de réaction. Cette loi est aussi appelée

loi de l’action de masse.

Pour la réaction A + B = D, cette loi s'exprimera comme suit :

Pour la réaction 2A + B = D, cette loi s'exprimera comme suit :

Ici C A, C B sont les concentrations des substances A et B (mol/l) ; k 1 et k 2 sont des coefficients de proportionnalité, appelés constantes de vitesse de réaction.

La signification physique de la constante de vitesse de réaction n'est pas difficile à établir : elle est numériquement égale à la vitesse de réaction dans laquelle les concentrations des réactifs sont de 1 mol/l ou leur produit est égal à l'unité. Dans ce cas, il est clair que la constante de vitesse de réaction dépend uniquement de la température et ne dépend pas de la concentration des substances. Loi de l'action de masse ne prend pas en compte la concentration des réactifs à l'état solide

, car ils réagissent sur les surfaces et leurs concentrations sont généralement constantes.

Par exemple, pour une réaction de combustion du charbon, l’expression de la vitesse de réaction doit s’écrire comme suit :

c'est-à-dire que la vitesse de réaction est proportionnelle uniquement à la concentration en oxygène.

Si l'équation de réaction décrit uniquement une réaction chimique totale se déroulant en plusieurs étapes, la vitesse d'une telle réaction peut dépendre de manière complexe des concentrations des substances de départ. Cette dépendance est déterminée expérimentalement ou théoriquement sur la base du mécanisme réactionnel proposé.

Il est possible d'augmenter la vitesse d'une réaction en utilisant des substances spéciales qui modifient le mécanisme de réaction et le dirigent vers une voie énergétiquement plus favorable avec une énergie d'activation plus faible. On les appelle catalyseurs (du latin catalyse - destruction).

Le catalyseur agit comme un guide expérimenté, guidant un groupe de touristes non pas à travers un col élevé en montagne (le franchir demande beaucoup d'efforts et de temps et n'est pas accessible à tout le monde), mais le long de chemins de détour qu'il connaît, le long desquels on peut surmonter la montagne beaucoup plus facilement et plus rapidement.

Certes, en utilisant la route du rond-point, vous ne pouvez pas arriver exactement là où mène le col principal. Mais parfois, c’est exactement ce qu’il faut ! C’est exactement ainsi qu’agissent les catalyseurs dits sélectifs. Il est clair qu'il n'est pas nécessaire de brûler de l'ammoniac et de l'azote, mais l'oxyde d'azote (II) est utilisé dans la production d'acide nitrique.

Catalyseurs- ce sont des substances qui participent à une réaction chimique et changent de vitesse ou de direction, mais à la fin de la réaction elles restent inchangées quantitativement et qualitativement.

Changer la vitesse d’une réaction chimique ou sa direction à l’aide d’un catalyseur est appelé catalyse. Les catalyseurs sont largement utilisés dans diverses industries et transports (convertisseurs catalytiques qui convertissent les oxydes d'azote des gaz d'échappement des voitures en azote inoffensif).

Il existe deux types de catalyse.

Catalyse homogène, dans lequel le catalyseur et les réactifs sont dans le même état d’agrégation (phase).

Catalyse hétérogène, dans lequel le catalyseur et les réactifs sont dans des phases différentes. Par exemple, la décomposition du peroxyde d'hydrogène en présence d'un catalyseur solide à base d'oxyde de manganèse (IV) :

Le catalyseur lui-même n'est pas consommé à la suite de la réaction, mais si d'autres substances sont adsorbées à sa surface (on les appelle poisons catalytiques), la surface devient alors inutilisable et une régénération du catalyseur est nécessaire. Par conséquent, avant d'effectuer la réaction catalytique, les matières premières sont soigneusement purifiées.

Par exemple, dans la production d'acide sulfurique par contact, un catalyseur solide est utilisé - l'oxyde de vanadium (V) V 2 O 5 :

Dans la production de méthanol, un catalyseur solide « zinc-chrome » (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3) est utilisé :

Les catalyseurs biologiques - les enzymes - fonctionnent très efficacement. Par nature chimique ce sont des protéines. Grâce à eux, des réactions chimiques complexes se produisent à grande vitesse dans les organismes vivants à basse température.

D'autres substances intéressantes sont connues - les inhibiteurs (du latin inhibere - retarder). Ils réagissent avec les particules actives à grande vitesse pour former des composés peu actifs. En conséquence, la réaction ralentit fortement puis s’arrête. Les inhibiteurs sont souvent spécifiquement ajoutés à différentes substances pour empêcher les processus indésirables.

Par exemple, les solutions de peroxyde d'hydrogène sont stabilisées à l'aide d'inhibiteurs.

La nature des substances réagissant (leur composition, leur structure)

Signification énergies d'activation est le facteur par lequel l'influence de la nature des substances en réaction sur la vitesse de réaction est affectée.

Si l'énergie d'activation est faible (< 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 l'énergie d'activation est élevée(> 120 kJ/mol), cela signifie que seule une infime fraction des collisions entre particules en interaction conduisent à une réaction. La vitesse d’une telle réaction est donc très faible. Par exemple, la progression de la réaction de synthèse de l’ammoniac à des températures ordinaires est presque impossible à remarquer.

Si les énergies d'activation des réactions chimiques ont des valeurs intermédiaires (40 120 kJ/mol), alors les vitesses de ces réactions seront moyennes. De telles réactions incluent l'interaction du sodium avec l'eau ou l'alcool éthylique, la décoloration de l'eau bromée avec l'éthylène, l'interaction du zinc avec l'acide chlorhydrique, etc.

Surface de contact des substances réactives

La vitesse des réactions se produisant à la surface des substances, c'est-à-dire hétérogènes, dépend, toutes choses égales par ailleurs, des propriétés de cette surface. On sait que la craie en poudre se dissout beaucoup plus rapidement dans l'acide chlorhydrique qu'un morceau de craie de poids égal.

L'augmentation de la vitesse de réaction est principalement due à augmenter la surface de contact des substances de départ, ainsi qu'un certain nombre d'autres raisons, par exemple une violation de la structure du réseau cristallin « correct ». Cela conduit au fait que les particules à la surface des microcristaux résultants sont beaucoup plus réactives que les mêmes particules sur une surface « lisse ».

Dans l'industrie, pour réaliser des réactions hétérogènes, un « lit fluidisé » est utilisé pour augmenter la surface de contact des substances en réaction, l'apport de matières premières et l'élimination des produits. Par exemple, dans la production d’acide sulfurique, la pyrite est cuite à l’aide d’un « lit fluidisé ».

Matériel de référence pour passer le test :

Tableau de Mendeleïev

Tableau de solubilité

DÉFINITION

Cinétique chimique– l’étude des vitesses et des mécanismes des réactions chimiques.

L'étude des vitesses de réaction, l'obtention de données sur les facteurs influençant la vitesse d'une réaction chimique, ainsi que l'étude des mécanismes des réactions chimiques sont réalisées expérimentalement.

DÉFINITION

Taux de réaction chimique– modification de la concentration de l'une des substances réactionnelles ou des produits de réaction par unité de temps avec un volume constant du système.

Les taux de réactions homogènes et hétérogènes sont définis différemment.

La définition d’une mesure de la vitesse d’une réaction chimique peut être écrite sous forme mathématique. Soit la vitesse d'une réaction chimique dans un système homogène, n B le nombre de moles de l'une des substances résultant de la réaction, V le volume du système et le temps. Alors à la limite :

Cette équation peut être simplifiée - le rapport de la quantité d'une substance au volume est la concentration molaire de la substance n B / V = ​​​​​​c B, à partir de laquelle dn B / V = ​​​​​​dc B et enfin :

En pratique, les concentrations d'une ou plusieurs substances sont mesurées à certains intervalles de temps. Les concentrations de substances de départ diminuent avec le temps et les concentrations de produits augmentent (Fig. 1).

Riz. 1. Modification de la concentration de la substance de départ (a) et du produit de réaction (b) au fil du temps

Facteurs affectant la vitesse d'une réaction chimique

Les facteurs qui influencent la vitesse d'une réaction chimique sont : la nature des réactifs, leurs concentrations, la température, la présence de catalyseurs dans le système, la pression et le volume (en phase gazeuse).

L'influence de la concentration sur la vitesse d'une réaction chimique est associée à la loi fondamentale de la cinétique chimique - la loi de l'action de masse (LMA) : la vitesse d'une réaction chimique est directement proportionnelle au produit des concentrations des substances en réaction soulevées à la puissance de leurs coefficients stœchiométriques. Le ZDM ne prend pas en compte la concentration des substances en phase solide dans les systèmes hétérogènes.

Pour la réaction mA +nB = pC +qD l'expression mathématique du ZDM s'écrira :

K × C A m × C B n

K × [A] m × [B] n,

où k est la constante de vitesse d'une réaction chimique, qui est la vitesse d'une réaction chimique à une concentration de réactifs de 1 mol/l. Contrairement à la vitesse d’une réaction chimique, k ne dépend pas de la concentration des réactifs. Plus k est élevé, plus la réaction se déroule rapidement.

La dépendance de la vitesse d'une réaction chimique sur la température est déterminée par la règle de Van't Hoff. La règle de Van't Hoff : pour chaque augmentation de température de dix degrés, la vitesse de la plupart des réactions chimiques augmente d'environ 2 à 4 fois. Expression mathématique :

(T 2) = (T 1) × (T2-T1)/10,

où est le coefficient de température de Van't Hoff, indiquant combien de fois la vitesse de réaction augmente lorsque la température augmente de 10 o C.

Molécularité et ordre de réaction

La molécularité d'une réaction est déterminée par le nombre minimum de molécules qui interagissent simultanément (participent à un acte élémentaire). Il y a:

- réactions monomoléculaires (un exemple est les réactions de décomposition)

N 2 O 5 = 2NO 2 + 1/2O 2

K × C, -dC/dt = kC

Cependant, toutes les réactions obéissant à cette équation ne sont pas monomoléculaires.

- bimoléculaire

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

- trimoléculaire (très rare).

La molécule d'une réaction est déterminée par son véritable mécanisme. Il est impossible de déterminer sa molécule en écrivant l’équation d’une réaction.

L'ordre de la réaction est déterminé par la forme de l'équation cinétique de la réaction. Elle est égale à la somme des exposants des degrés de concentration dans cette équation. Par exemple:

CaCO 3 = CaO + CO 2

K × C 1 2 × C 2 – troisième ordre

L'ordre de la réaction peut être fractionnaire. Dans ce cas, elle est déterminée expérimentalement. Si la réaction se déroule en une seule étape, alors l'ordre de la réaction et sa molécule coïncident, si en plusieurs étapes, alors l'ordre est déterminé par l'étape la plus lente et est égal à la molécule de cette réaction.

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1