DEJAVNIKI, KI VPLIVAJO NA LOČEVANJE IZOTOPOV 9.2. Po definiciji se izotopi elementa razlikujejo po svojih masah, ne pa tudi po kemijskih lastnostih. Natančneje, čeprav sta masi jeder izotopov in njihova zgradba različni, so naboji jeder enaki in zato zunanje elektronske lupine

Izvedba verižne jedrske cepitvene reakcije Zdaj se je z vso močjo pojavilo vprašanje verižne cepitvene reakcije in možnosti pridobivanja uničujoče eksplozivne cepitvene energije. To vprašanje usodno prepletena s svetovno vojno, ki jo je 1. septembra sprožila nacistična Nemčija

In hitrost je relativna! Iz načela relativnosti gibanja sledi, da je govoriti o premočrtnem in enakomernem gibanju telesa z določeno hitrostjo, ne da bi navedli, v katerem od mirujočih laboratorijev se hitrost meri, nima prav tako smisla kot reči

Hitrost zvoka Ste že kdaj od daleč opazovali drvarja, kako podira drevo? Ali pa ste morda v daljavi opazovali mizarja, ki je delal in zabijal žeblje? Morda ste opazili zelo nenavadno stvar: do udarca ne pride, ko se sekira zaleti v drevo oz.

NADZOROVANE TERMONUKLARNE REAKCIJE Med eksplozijami pride do nenadzorovanih termonuklearnih reakcij. vodikove bombe. Privedejo do sproščanja ogromnih količin jedrske energije, ki jo spremlja izjemno uničujoča eksplozija. Zdaj je naloga znanstvenikov najti načine

V labirintih cepitvene reakcije Leta 1938 sta nemška znanstvenika Otto Hahn in Fritz Strassmann (1902–1980) prišla do neverjetnega odkritja. Odkrili so, da je obstreljevanje urana z nevtroni včasih povzročilo jedra, ki so bila približno dvakrat lažja od prvotnega uranovega jedra. Nadalje

Nenehno se soočamo z različnimi kemijskimi interakcijami. Zgorevanje zemeljskega plina, rjavenje železa, kisanje mleka - to niso vsi procesi, ki so podrobno preučeni v šolski tečaj kemija.

Nekatere reakcije trajajo delčke sekund, medtem ko nekatere interakcije trajajo dneve ali tedne.

Poskusimo ugotoviti odvisnost hitrosti reakcije od temperature, koncentracije in drugih dejavnikov. V novem izobraževalnem standardu za to vprašanje je podan minimalni znesekšolski čas. Preizkusi enotnega državnega izpita vključujejo naloge o odvisnosti hitrosti reakcije od temperature, koncentracije in celo ponujajo računske težave. Mnogi srednješolci imajo določene težave pri iskanju odgovorov na ta vprašanja, zato bomo to temo podrobneje analizirali.

Ustreznost obravnavanega vprašanja

Podatek o hitrosti reakcije ima pomemben praktični in znanstveni pomen. Na primer, pri specifični proizvodnji snovi in ​​izdelkov sta produktivnost opreme in stroški blaga neposredno odvisni od te vrednosti.

Razvrstitev potekajočih reakcij

Obstaja neposredna povezava med stanjem agregacije začetnih komponent in produkti, ki nastanejo med heterogenimi interakcijami.

V kemiji sistem običajno pomeni snov ali njihovo kombinacijo.

Sistem, ki je sestavljen iz ene faze (enakega agregatnega stanja), se šteje za homogen. Kot primer lahko omenimo mešanico plinov in več različnih tekočin.

Heterogeni sistem je sistem, v katerem so reagirajoče snovi v obliki plinov in tekočin, trdne snovi in plini.

Hitrost reakcije ni odvisna samo od temperature, ampak tudi od faze, v kateri se uporabljajo komponente, ki vstopajo v analizirano interakcijo.

Za homogeno sestavo je značilen proces, ki poteka po celotnem volumnu, kar bistveno izboljša njegovo kakovost.

Če so izhodne snovi v različnih faznih stanjih, je največja interakcija opazna na fazni meji. Na primer, ko je aktivna kovina raztopljena v kislini, je nastanek produkta (soli) opazen le na površini njihovega stika.

Matematično razmerje med hitrostjo procesa in različnimi dejavniki

Kako izgleda enačba za odvisnost hitrosti kemijske reakcije od temperature? Pri homogenem procesu je hitrost določena s količino snovi, ki medsebojno deluje ali nastane med reakcijo v prostornini sistema na časovno enoto.

Pri heterogenem procesu je hitrost določena glede na količino snovi, ki reagira ali proizvedena v procesu na enoto površine v najkrajšem časovnem obdobju.

Dejavniki, ki vplivajo na hitrost kemijske reakcije

Narava reagirajočih snovi je eden od razlogov za različne hitrosti procesov. Na primer, alkalijske kovine tvorijo alkalije z vodo pri sobni temperaturi, proces pa spremlja intenzivno sproščanje vodikovega plina. Plemenite kovine (zlato, platina, srebro) niso sposobne takih procesov niti pri sobni temperaturi niti pri segrevanju.

Narava reaktantov je dejavnik, ki se upošteva pri kemična industrija izboljšati donosnost proizvodnje.

Ugotovljena je bila povezava med koncentracijo reagentov in hitrostjo kemijske reakcije. Višja kot je, več delcev bo trčilo, zato bo proces potekal hitreje.

Zakon delovanja mase v matematični obliki opisuje premosorazmerno razmerje med koncentracijo izhodnih snovi in ​​hitrostjo procesa.

Sredi devetnajstega stoletja ga je oblikoval ruski kemik N. N. Beketov. Za vsak proces je določena reakcijska konstanta, ki ni povezana s temperaturo, koncentracijo ali naravo reaktantov.

Da bi pospešili reakcijo, v katero je vključena trdna snov, jo morate zmleti v praškasto stanje.

V tem primeru se površina poveča, kar pozitivno vpliva na hitrost postopka. Uporablja se za dizelsko gorivo poseben sistem vbrizgavanje, zaradi česar se ob stiku z zrakom stopnja zgorevanja mešanice ogljikovodikov znatno poveča.

Ogrevanje

Odvisnost hitrosti kemijske reakcije od temperature pojasnjuje molekularno kinetična teorija. Omogoča vam izračun števila trkov med molekulami reagenta pod določenimi pogoji. Če ste oboroženi s takšnimi informacijami, bi morali v normalnih pogojih vsi procesi potekati takoj.

Ampak, če upoštevate konkreten primer glede na hitrost reakcije na temperaturo se izkaže, da je za interakcijo potrebno najprej prekiniti kemične vezi med atomi, da iz njih nastanejo nove snovi. To zahteva znatno porabo energije. Kakšna je odvisnost hitrosti reakcije od temperature? Aktivacijska energija določa možnost razpada molekul, prav ta energija je tista, ki označuje realnost procesov. Njene enote so kJ/mol.

Če je energija nezadostna, bo trk neučinkovit, zato ga ne spremlja nastanek nove molekule.

Grafični prikaz

Odvisnost hitrosti kemijske reakcije od temperature lahko predstavimo grafično. Pri segrevanju se poveča število trkov med delci, kar pospeši interakcijo.

Kako izgleda graf hitrosti reakcije v odvisnosti od temperature? Vodoravno je prikazana energija molekul, navpično pa število delcev z visoko rezervo energije. Graf je krivulja, po kateri lahko ocenimo hitrost določene interakcije.

Večja kot je razlika v energiji od povprečja, dlje se točka krivulje nahaja od maksimuma in manjši odstotek molekul ima takšno rezervo energije.

Pomembni vidiki

Ali je mogoče zapisati enačbo za odvisnost konstante hitrosti reakcije od temperature? Njegovo povečanje se odraža v povečanju hitrosti procesa. Za to odvisnost je značilna določena vrednost, imenovana temperaturni koeficient hitrosti procesa.

Za katero koli interakcijo je bila razkrita odvisnost konstante hitrosti reakcije od temperature. Če se poveča za 10 stopinj, se hitrost procesa poveča za 2-4 krat.

Odvisnost hitrosti homogenih reakcij od temperature je mogoče predstaviti v matematični obliki.

Za večino interakcij pri sobni temperaturi je koeficient v območju od 2 do 4. Na primer, pri temperaturnem koeficientu 2,9 povečanje temperature za 100 stopinj pospeši proces za skoraj 50.000-krat.

Odvisnost hitrosti reakcije od temperature je enostavno razložiti z različnimi aktivacijskimi energijami. Med ionskimi procesi, ki so določeni samo z interakcijo kationov in anionov, ima minimalno vrednost. Številni poskusi kažejo na takojšen pojav takih reakcij.

Pri visoki aktivacijski energiji bo le majhno število trkov med delci povzročilo interakcijo. Pri povprečni aktivacijski energiji bodo reaktanti medsebojno delovali s povprečno hitrostjo.

Naloge o odvisnosti hitrosti reakcije od koncentracije in temperature se obravnavajo le na višji stopnji izobraževanja in otrokom pogosto povzročajo resne težave.

Merjenje hitrosti procesa

Tisti procesi, ki zahtevajo znatno aktivacijsko energijo, vključujejo začetno pretrganje ali oslabitev vezi med atomi v začetnih snoveh. V tem primeru preidejo v določeno vmesno stanje, imenovano aktivirani kompleks. Je nestabilno stanje, precej hitro razpade na reakcijske produkte, proces spremlja sproščanje dodatne energije.

V najpreprostejši obliki je aktivirani kompleks konfiguracija atomov z oslabljenimi starimi vezmi.

Inhibitorji in katalizatorji

Analizirajmo odvisnost hitrosti encimske reakcije od temperature medija. Takšne snovi delujejo kot pospeševalci procesov.

Sami niso udeleženci v interakciji; njihovo število po končanem procesu ostane nespremenjeno. Medtem ko katalizatorji pomagajo povečati hitrost reakcije, inhibitorji, nasprotno, upočasnijo ta proces.

Bistvo tega je v tvorbi vmesnih spojin, zaradi česar opazimo spremembo hitrosti procesa.

Zaključek

Na svetu se vsako minuto zgodijo različne kemične interakcije. Kako ugotoviti odvisnost hitrosti reakcije od temperature? Arrheniusova enačba je matematična razlaga razmerja med konstanto hitrosti in temperaturo. Daje predstavo o tistih vrednostih aktivacijske energije, pri katerih je možno uničenje ali oslabitev vezi med atomi v molekulah in porazdelitev delcev v nove kemične snovi.

Zahvaljujoč molekularni kinetični teoriji je mogoče predvideti verjetnost interakcij med začetne komponente, izračunajte hitrost postopka. Med tistimi dejavniki, ki vplivajo na hitrost reakcije, so poseben pomen ima spremembo temperature, odstotek koncentracije medsebojno delujočih snovi, kontaktno površino, prisotnost katalizatorja (inhibitorja), pa tudi naravo medsebojno delujočih komponent.

Koncept "hitrosti" se v literaturi pogosto pojavlja. Iz fizike je znano, da večjo razdaljo, ki jo materialno telo (človek, vlak, vesoljska ladja) prevozi v določenem času, večja je hitrost tega telesa.

Kako izmeriti hitrost kemične reakcije, ki »ne gre nikamor« in ne premaga nobene razdalje? Da bi odgovorili na to vprašanje, morate ugotoviti, kaj Nenehno spremembe v kaj kemijska reakcija? Ker je vsaka kemična reakcija proces spreminjanja snovi, prvotna snov v njej izgine in se spremeni v produkte reakcije. Tako se med kemijsko reakcijo vedno spremeni količina snovi, zmanjša se število delcev izhodnih snovi in ​​s tem njena koncentracija (C).

Naloga enotnega državnega izpita. Hitrost kemične reakcije je sorazmerna s spremembo:

1. koncentracija snovi na časovno enoto;
2. količina snovi na enoto prostornine;
3. masa snovi na prostorninsko enoto;
4. prostornina snovi med reakcijo.

Zdaj primerjajte svoj odgovor s pravilnim:

hitrost kemijske reakcije je enaka spremembi koncentracije reaktanta na časovno enoto

Kje C 1 in Od 0- koncentracije reaktantov, končne oziroma začetne; t 1 in t 2- čas poskusa, končno oziroma začetno časovno obdobje.

vprašanje Katera vrednost je po vašem mnenju večja: C 1 oz Od 0? t 1 oz t 0?

Ker se reaktanti v dani reakciji vedno porabijo, potem

Tako je razmerje teh količin vedno negativno in hitrost ne more biti negativna količina. Zato se v formuli pojavi znak minus, kar hkrati pomeni, da je hitrost kaj reakcije v času (pod stalnimi pogoji) so vedno zmanjša.

Torej je hitrost kemične reakcije:

Postavlja se vprašanje: v katerih enotah naj se meri koncentracija reaktantov (C) in zakaj? Če želite odgovoriti nanj, morate razumeti, kaj je stanje glavni za morebitno kemično reakcijo.

Da lahko delci reagirajo, morajo vsaj trčiti. Zato večje kot je število delcev* (število molov) na prostorninsko enoto, pogosteje ko trčijo, večja je verjetnost kemijske reakcije.

* Preberite, kaj je "krt" v lekciji 29.1.

Zato pri merjenju hitrosti kemični procesi uporaba molska koncentracija snovi v reakcijskih mešanicah.

Molska koncentracija snovi kaže, koliko molov snovi vsebuje 1 liter raztopine

Torej, večja kot je molska koncentracija reagirajočih snovi, več delcev je na prostorninsko enoto, pogosteje trčijo in večja je (če so vse druge stvari enake) hitrost kemijske reakcije. Zato je osnovni zakon kemijske kinetike (to je veda o hitrosti kemijskih reakcij). zakon množičnega delovanja.

Hitrost kemijske reakcije je premo sorazmerna z zmnožkom koncentracij reaktantov.

Za reakcijo tipa A + B →... se ta zakon matematično lahko izrazi na naslednji način:

Če je reakcija bolj zapletena, na primer 2A + B → ali, kar je enako, A + A + B → ..., potem

Tako se je v enačbi hitrosti pojavil eksponent « dva» , kar ustreza koeficientu 2 v reakcijski enačbi. Za več kompleksne enačbe Veliki eksponenti se praviloma ne uporabljajo. To je posledica dejstva, da je verjetnost hkratnega trka recimo treh molekul A in dveh molekul B izjemno majhna. Zato številne reakcije potekajo v več fazah, med katerimi trčijo največ trije delci, vsaka stopnja procesa pa poteka z določeno hitrostjo. Ta hitrost in enačba kinetične hitrosti zanjo sta določeni eksperimentalno.

Zgornje enačbe hitrosti kemijske reakcije (3) ali (4) veljajo samo za homogena reakcije, tj. za take reakcije, ko reagirajoče snovi niso ločene s površino. Na primer, reakcija poteka v vodni raztopini in oba reaktanta sta dobro topna v vodi ali kateri koli mešanici plinov.

Druga stvar je, kdaj se to zgodi heterogena reakcija. V tem primeru obstaja vmesnik med reagirajočimi snovmi, na primer ogljikov dioksid plin reagira z vodo rešitev alkalije. V tem primeru je enako verjetno, da bo reagirala katera koli molekula plina, saj se te molekule premikajo hitro in kaotično. Kaj pa delci tekoče raztopine? Ti delci se gibljejo izredno počasi in tisti alkalijski delci, ki so »na dnu«, praktično nimajo nobene možnosti, da bi reagirali z ogljikovim dioksidom, razen če raztopino nenehno mešamo. Reagirali bodo le tisti delci, ki »ležijo na površini«. Torej za heterogena reakcije -

hitrost reakcije je odvisna od velikosti vmesne površine, ki se povečuje z mletjem.

Zato se zelo pogosto reakcijske snovi zdrobijo (na primer raztopijo v vodi), hrana se temeljito prežveči in med kuhanjem - zmeljemo, preidemo skozi mlin za meso itd. Živilski izdelek, ki ni zdrobljen, praktično ni prebavljivo!

Tako, z največja hitrost(če so ostale enake) potekajo homogene reakcije v raztopinah in med plini (če ti plini reagirajo pri okoljskih pogojih), ter v raztopinah, kjer se molekule nahajajo "v bližini", mletje pa je enako kot pri plinih (in še bolj !), - hitrost reakcije je večja.

Naloga enotnega državnega izpita. Katera od reakcij se pojavi pri največ večja hitrost pri sobni temperaturi:

1. ogljik s kisikom;
2. železo s klorovodikovo kislino;
3. železo z raztopino ocetne kisline
4. raztopine alkalij in žveplove kisline.

IN v tem primeru ugotoviti moramo, kateri proces je homogen.

Upoštevati je treba, da je hitrost kemijske reakcije med plini ali heterogene reakcije, v kateri sodeluje plin, odvisna tudi od tlaka, saj se z naraščanjem tlaka plini stisnejo in koncentracija delcev se poveča (glej formulo 2). Na hitrost reakcij, v katerih niso udeleženi plini, spremembe tlaka ne vplivajo.

Naloga enotnega državnega izpita. Hitrost kemične reakcije med raztopino kisline in železom ni prizadeta

1. koncentracija kisline;
2. brušenje železa;
3. reakcijska temperatura;
4. povečanje pritiska.

Končno je hitrost reakcije odvisna tudi od reaktivnosti snovi. Na primer, če kisik reagira s snovjo, potem bo ob drugih enakih pogojih hitrost reakcije višja kot pri interakciji iste snovi z dušikom. Dejstvo je, da je reaktivnost kisika opazno večja kot pri dušiku. Razlog za ta pojav si bomo ogledali v naslednjem delu vadnice (14. lekcija).

Naloga enotnega državnega izpita. Kemična reakcija med klorovodikovo kislino in

1. baker;
2. železo;
3. magnezij;
4. cink

Treba je opozoriti, da vsak trk molekul ne vodi do njihove kemične interakcije (kemične reakcije). V plinski mešanici vodika in kisika se v normalnih pogojih zgodi več milijard trkov na sekundo. Toda prvi znaki reakcije (vodne kapljice) se bodo v bučki pojavili šele čez nekaj let. V takih primerih pravijo, da je reakcija praktično ne deluje. Ampak ona mogoče, sicer kako razložiti dejstvo, da se pri segrevanju te mešanice na 300 °C bučka hitro zarosi, pri temperaturi 700 °C pa bo strašno počilo! Ni zaman, da se mešanica vodika in kisika imenuje "eksploziven plin".

vprašanje Kaj mislite, zakaj se hitrost reakcije pri segrevanju tako močno poveča?

Hitrost reakcije se poveča, prvič, ker se poveča število trkov delcev, in drugič, število aktivna trki. Aktivni trki delcev vodijo do njihove interakcije. Da do takšnega trka pride, morajo imeti delci določeno količino energije.

Energija, ki jo morajo imeti delci, da lahko pride do kemične reakcije, se imenuje aktivacijska energija.

Ta energija se porabi za premagovanje odbojnih sil med zunanji elektroni atomov in molekul ter uničenje »starih« kemične vezi.

Postavlja se vprašanje: kako povečati energijo reagirajočih delcev? Odgovor je preprost - povečajte temperaturo, saj se z naraščajočo temperaturo poveča hitrost gibanja delcev in posledično njihova kinetična energija.

Pravilo van't hoff*:

Z zvišanjem temperature za vsakih 10 stopinj se hitrost reakcije poveča za 2-4 krat.

VANT-HOFF Jacob Hendrik(08/30/1852–03/1/1911) - nizozemski kemik. Eden od ustanoviteljev fizikalna kemija in stereokemija. Nobelova nagrada v kemiji št. 1 (1901).

Opozoriti je treba, da je bilo to pravilo (ne zakon!) ugotovljeno eksperimentalno za reakcije, ki so bile "primerne" za merjenje, to je za takšne reakcije, ki niso potekale niti prehitro niti prepočasi in pri temperaturah, ki so bile dostopne eksperimentatorju (ne preveč). visoko in ne prenizko).

vprašanje. Kako je po vašem mnenju najhitreje skuhati krompir: skuhati ali ocvreti na olju?

Da bi pravilno razumeli pomen opisanih pojavov, lahko primerjate reagirajoče molekule s skupino učencev, ki bodo skočili visoko. Če dobijo 1 m visoko oviro, bodo morali učenci teči navzgor (zvišati svojo »temperaturo«), da bodo oviro premagali. Kljub temu bodo vedno obstajali učenci (»neaktivne molekule«), ki te ovire ne bodo mogli premagati.

Kaj storiti? Če se držite načela: "Pameten človek se ne bo povzpel na goro, pameten človek bo obšel goro," potem preprosto spustite oviro, recimo, na 40 cm, potem jo bo lahko premagal vsak študent pregrada. Na molekularni ravni to pomeni: da bi povečali hitrost reakcije, je treba zmanjšati aktivacijsko energijo v danem sistemu.

V resničnih kemijskih procesih to funkcijo opravlja katalizator.

katalizator je snov, ki spremeni hitrost kemijske reakcije, medtem ko ostane nespremenjeno proti koncu kemijske reakcije.

katalizator sodeluje v kemijski reakciji medsebojno deluje z eno ali več izhodnimi snovmi. V tem primeru nastanejo vmesne spojine in spremeni se aktivacijska energija. Če je intermediat bolj aktiven (aktivni kompleks), se aktivacijska energija zmanjša in hitrost reakcije poveča.

Na primer, reakcija med SO 2 in O 2 poteka zelo počasi v normalnih pogojih praktično ne deluje. Toda v prisotnosti NO se hitrost reakcije močno poveča. Prvič NE zelo hitro reagira z O2:

nastali dušikov dioksid hitro reagira z žveplovim (IV) oksidom:

Naloga 5.1. Na tem primeru pokažite, katera snov je katalizator in katera aktivni kompleks.

Nasprotno, če nastane več pasivnih spojin, se lahko aktivacijska energija toliko poveča, da do reakcije v teh pogojih praktično ne pride. Takšni katalizatorji se imenujejo zaviralci.

V praksi se uporabljata obe vrsti katalizatorjev. Torej posebni organski katalizatorji - encimi- sodelujejo v absolutno vseh biokemičnih procesih: prebavi hrane, krčenju mišic, dihanju. Brez encimov življenje ne more obstajati!

Inhibitorji so potrebni za zaščito kovinskih izdelkov pred korozijo in živil, ki vsebujejo maščobe, pred oksidacijo (žarkostjo). Nekatera zdravila vsebujejo tudi inhibitorje, ki zavirajo vitalne funkcije mikroorganizmov in jih s tem uničijo.

Kataliza je lahko homogena ali heterogena. Primer homogene katalize je vpliv NO (ta je katalizator) na oksidacijo žveplovega dioksida. Primer heterogene katalize je delovanje segretega bakra na alkohol:

Ta reakcija poteka v dveh fazah:

Naloga 5.2. Ugotovite, katera snov je v tem primeru katalizator? Zakaj se ta vrsta katalize imenuje heterogena?

V praksi se najpogosteje uporablja heterogena kataliza, kjer kot katalizatorji služijo trdne snovi: kovine, njihovi oksidi itd. Na površini teh snovi so posebne točke (vozlišča kristalne mreže), kjer dejansko poteka katalitična reakcija. Če so te točke prekrite s tujimi snovmi, se kataliza ustavi. Ta snov, škodljiva za katalizator, se imenuje katalitični strup. Druge snovi - promotorji- nasprotno, povečajo katalitično aktivnost.

Katalizator lahko spremeni smer kemijske reakcije, to pomeni, da lahko s spremembo katalizatorja dobite različne produkte reakcije. Tako lahko iz alkohola C 2 H 5 OH v prisotnosti cinkovega in aluminijevega oksida dobimo butadien, v prisotnosti koncentrirane žveplove kisline pa etilen.

Tako se med kemično reakcijo spremeni energija sistema. Če med reakcijo energija se sprosti v obliki toplote Q, se ta postopek imenuje eksotermna:

Za endo termični procesi toplota se absorbira, tj toplotni učinek Q< 0 .

Naloga 5.3. Ugotovite, kateri od predlaganih procesov je eksotermen in kateri endotermen:

Enačba kemijske reakcije, v kateri toplotni učinek, imenujemo termokemijska enačba reakcije. Da bi ustvarili takšno enačbo, je treba izračunati toplotni učinek na 1 mol reaktanta.

Naloga. Pri zgorevanju 6 g magnezija se sprosti 153,5 kJ toplote. Napišite termokemijsko enačbo za to reakcijo.

rešitev. Ustvarimo enačbo za reakcijo in ZGORAJ označimo formule, ki so podane:

Ko sestavimo delež, najdemo želeni toplotni učinek reakcije:

Termokemična enačba za to reakcijo je:

Takšne naloge so podane v nalogah večina Možnosti enotnega državnega izpita! Na primer.

Naloga enotnega državnega izpita. Po enačbi termokemijske reakcije

količina toplote, ki se sprosti pri zgorevanju 8 g metana, je enaka:

Reverzibilnost kemijskih procesov. Le Chatelierjevo načelo

* LE CHATELIER Henri Louis(8.10.1850–17.09.1936) - francoski fizikalni kemik in metalurg. Formulirano običajno pravo premiki ravnovesja (1884).

Reakcije so lahko reverzibilne ali ireverzibilne.

Nepovratno To so reakcije, za katere ne obstajajo pogoji, pod katerimi bi bil možen obratni proces.

Primer takšnih reakcij so reakcije, ki nastanejo pri kisanju mleka ali pri zažganju okusen kotlet. Kako nemogoče je zgrešiti sesekljano meso nazaj skozi mlinček za meso (in spet dobite kos mesa), prav tako je nemogoče "reanimirati" kotlet ali narediti sveže mleko.

Toda vprašajmo se preprosto vprašanje: ali je proces nepovraten?

Da bi odgovorili na to vprašanje, se poskusimo spomniti, ali je mogoče izvesti obratni postopek? ja! Razgradnja apnenca (krede) za pridobivanje živega apna CaO se uporablja v industrijskem obsegu:

Tako je reakcija reverzibilna, saj obstajajo pogoji, pod katerimi oboje postopek:

Poleg tega obstajajo pogoji, pod katerimi hitrost reakcije naprej je enaka hitrosti povratne reakcije.

V teh pogojih se vzpostavi kemijsko ravnovesje. Pri tem se reakcija ne ustavi, vendar je število dobljenih delcev enako številu razpadlih delcev. Zato sposobni kemijsko ravnovesje koncentracije reagirajočih delcev se ne spremenijo. Na primer za naš proces v trenutku kemijskega ravnovesja

znak pomeni ravnotežna koncentracija.

Postavlja se vprašanje, kaj se bo zgodilo z ravnovesjem, če se temperatura poveča ali zniža ali se spremenijo drugi pogoji? Na to vprašanje je mogoče odgovoriti z vedenjem Le Chatelierjevo načelo:

če spremenite pogoje (t, p, c), pod katerimi je sistem v stanju ravnovesja, se bo ravnovesje premaknilo proti procesu, ki upira spremembam.

Z drugimi besedami, ravnotežni sistem se vedno upira vsakemu zunanjemu vplivu, tako kot se muhast otrok, ki dela »nasprotno«, upira volji svojih staršev.

Poglejmo si primer. Naj se vzpostavi ravnovesje v reakciji, pri kateri nastaja amoniak:

Vprašanja. Ali je število molov reagirajočih plinov enako pred in po reakciji? Če pride do reakcije v zaprti prostornini, kdaj je tlak večji: pred ali po reakciji?

Očitno je, da se ta proces zgodi z zmanjšanjem števila molekul plina, kar pomeni pritisk zmanjša med neposredno reakcijo. IN vzvratno reakcije - nasprotno, tlak v mešanici poveča.

Vprašajmo se, kaj bo, če v tem sistemu porast pritisk? Po Le Chatelierjevem principu se bo nadaljevala reakcija, ki »naredi nasprotno«, tj. zniža pritisk. To je neposredna reakcija: manj molekul plina - manjši pritisk.

Torej, pri porast tlaka, se ravnotežje premakne proti neposrednemu procesu, kjer pritisk pade, saj se število molekul zmanjšuje plini

Naloga enotnega državnega izpita. pri porast premiki ravnovesja tlaka prav v sistemu:

Če je posledica reakcije število molekul plinov ne spremeni, potem sprememba tlaka ne vpliva na ravnotežni položaj.

Naloga enotnega državnega izpita. Sprememba tlaka vpliva na premik ravnovesja v sistemu:

Ravnotežni položaj te in vsake druge reakcije je odvisen od koncentracije reagirajočih snovi: s povečanjem koncentracije izhodnih snovi in ​​zmanjševanjem koncentracije nastalih snovi vedno premaknemo ravnotežje proti neposredni reakciji (v desno).

Naloga enotnega državnega izpita.

se premakne v levo, ko:

1. zvišan krvni tlak;
2. znižanje temperature;
3. povečanje koncentracije CO;
4. zmanjšanje koncentracije CO.

Proces sinteze amoniaka je eksotermičen, kar pomeni, da ga spremlja sproščanje toplote, tj dvig temperature v mešanici.

vprašanje Kako se bo premaknilo ravnotežje v tem sistemu, ko padec temperature?

Podobno trdimo, tudi mi sklep: pri zmanjševanju temperature se bo ravnotežje premaknilo v smeri tvorbe amoniaka, saj se pri tej reakciji sprošča toplota in temperatura dvigne.

vprašanje Kako se spremeni hitrost kemijske reakcije, ko se temperatura zniža?

Očitno se bo z znižanjem temperature hitrost obeh reakcij močno zmanjšala, kar pomeni, da boste morali čakati zelo dolgo, da se vzpostavi želeno ravnovesje. Kaj storiti? V tem primeru je potrebno katalizator. Čeprav on ne vpliva na ravnotežni položaj, ampak pospeši nastanek tega stanja.

Naloga enotnega državnega izpita. Kemijsko ravnotežje v sistemu

premakne v smeri tvorbe reakcijskega produkta, ko:

1. zvišan krvni tlak;
2. zvišanje temperature;
3. zmanjšanje tlaka;
4. uporaba katalizatorja.

zaključki

Hitrost kemijske reakcije je odvisna od:

• narava reagirajočih delcev;
• koncentracija ali mejna površina reaktantov;
• temperatura;
• prisotnost katalizatorja.

Ravnotežje se vzpostavi, ko je hitrost prednje reakcije enaka hitrosti povratnega procesa. V tem primeru se ravnotežna koncentracija reaktantov ne spremeni. Stanje kemijskega ravnovesja je odvisno od pogojev in upošteva Le Chatelierjevo načelo.

Kemične reakcije potekajo z različnimi hitrostmi: z nizko hitrostjo med nastajanjem stalaktitov in stalagmitov, s povprečno hitrostjo pri kuhanju hrane, takoj med eksplozijo. V vodnih raztopinah potekajo reakcije zelo hitro.

Določitev hitrosti kemijske reakcije, kot tudi pojasnitev njene odvisnosti od pogojev procesa, je naloga kemijske kinetike - vede o vzorcih kemijskih reakcij skozi čas.

Če kemične reakcije potekajo v homogenem mediju, na primer v raztopini ali v plinski fazi, se medsebojno delovanje reagirajočih snovi pojavi v celotnem volumnu. Takšne reakcije imenujemo homogena.

(v homog) je opredeljena kot sprememba količine snovi na časovno enoto na prostorninsko enoto:

kjer je Δn sprememba števila molov ene snovi (najpogosteje prvotne, lahko pa je tudi produkt reakcije); Δt - časovni interval (s, min); V je prostornina plina ali raztopine (l).

Ker razmerje med količino snovi in ​​prostornino predstavlja molsko koncentracijo C, potem

Tako je hitrost homogene reakcije opredeljena kot sprememba koncentracije ene od snovi na časovno enoto:

če se glasnost sistema ne spremeni.

Če pride do reakcije med snovmi v različnih agregatnih stanjih (na primer med trdna in plinom ali tekočino), ali med snovmi, ki ne morejo tvoriti homogenega medija (na primer med nemešljivimi tekočinami), potem prehaja le na kontaktni površini snovi. Takšne reakcije imenujemo heterogena.

Definirano kot sprememba količine snovi na enoto časa na enoti površine.

kjer je S površina stika snovi (m 2, cm 2).

Sprememba količine snovi, s katero se določi hitrost reakcije, je zunanji dejavnik opazil raziskovalec. Pravzaprav se vsi procesi izvajajo na mikroravni. Očitno je, da nekateri delci reagirajo, morajo najprej trčiti, in to učinkovito: ne razpršiti se kot žogice v različne smeri, ampak tako, da se »stare vezi« v delcih uničijo ali oslabijo, »nove« pa lahko obliki ", za to pa morajo imeti delci zadostno energijo.

Izračunani podatki kažejo, da na primer v plinih trki molekul pri atmosferskem tlaku znašajo milijarde na sekundo, kar pomeni, da bi se morale vse reakcije zgoditi takoj. Ampak to ni res. Izkazalo se je, da ima le zelo majhen del molekul potrebno energijo, da povzroči učinkovite trke.

Najmanjša presežna energija, ki jo mora imeti delec (ali par delcev), da pride do učinkovitega trka, se imenuje aktivacijska energija Ea.

Tako je na poti vseh delcev, ki vstopajo v reakcijo, energijska pregrada, ki je enaka aktivacijski energiji E a. Ko je majhen, ga lahko premaga veliko delcev, hitrost reakcije pa je visoka. V nasprotnem primeru je potreben "potisk". Ko prinesete vžigalico, da prižgete alkoholno svetilko, posredujete dodatno energijo E a, potrebno za učinkovito trčenje molekul alkohola z molekulami kisika (premagovanje ovire).

Hitrost kemijske reakcije je odvisna od številnih dejavnikov. Glavni so: narava in koncentracija reaktantov, tlak (pri reakcijah s plini), temperatura, delovanje katalizatorjev in površina reaktantov v primeru heterogenih reakcij.

Temperatura

Z zvišanjem temperature se v večini primerov hitrost kemične reakcije znatno poveča. V 19. stoletju Nizozemski kemik J. X. van't Hoff je formuliral pravilo:

Vsako povišanje temperature za 10 °C povzroči povišanjehitrost reakcije 2-4 krat(to vrednost imenujemo temperaturni koeficient reakcije).

Z zvišanjem temperature se povprečna hitrost molekul, njihova energija in število trkov nekoliko povečajo, vendar se močno poveča delež »aktivnih« molekul, ki sodelujejo v učinkovitih trkih, ki premagajo energijsko oviro reakcije. Matematično je ta odvisnost izražena z razmerjem:

kjer sta v t 1 in v t 2 reakcijski hitrosti pri končni t 2 oziroma začetni t 1 temperaturi, γ pa je temperaturni koeficient reakcijske hitrosti, ki kaže, kolikokrat se reakcijska hitrost poveča z vsakim povečanjem za 10 °C v temperaturi.

Vendar pa za povečanje hitrosti reakcije zvišanje temperature ni vedno uporabno, saj lahko začnejo izhodne snovi razpadati, topila ali same snovi lahko izhlapijo itd.

Endotermne in eksotermne reakcije

Znano je, da reakcijo metana z atmosferskim kisikom spremlja sproščanje velike količine toplote. Zato se uporablja v vsakdanjem življenju za kuhanje, ogrevanje vode in ogrevanje. Zemeljski plin, ki se v domove dovaja po ceveh, je sestavljen iz 98 % metana. Reakcijo kalcijevega oksida (CaO) z vodo spremlja tudi sproščanje velike količine toplote.

Kaj lahko kažejo ta dejstva? Ko se v produktih reakcije tvorijo nove kemične vezi, več energije, kot je potrebna za prekinitev kemičnih vezi v reagentih. Odvečna energija se sprosti kot toplota in včasih svetloba.

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q (energija (svetloba, toplota));

CaO + H 2 O = Ca (OH) 2 + Q (energija (toplota)).

Takšne reakcije bi morale potekati zlahka (kot se kamen zlahka skotali navzdol).

Reakcije, pri katerih se sprosti energija, imenujemo EKZOTERMALNO(iz latinskega "exo" - ven).

Na primer, številne redoks reakcije so eksotermne. Ena od teh čudovitih reakcij je intramolekularna oksidacijska redukcija, ki poteka znotraj iste soli - amonijevega dikromata (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 (energija).

Druga stvar je zračnost. Podobni so kotalitvi kamna po hribu. Še vedno ni bilo mogoče pridobiti metana iz CO 2 in vode, zato je za pridobivanje živega apna CaO iz kalcijevega hidroksida Ca(OH) 2 potrebno močno segrevanje. Ta reakcija se pojavi samo s stalnim pretokom energije od zunaj:

Ca(OH) 2 = CaO + H 2 O - Q (energija (toplota))

To nakazuje, da pretrganje kemičnih vezi v Ca(OH) 2 zahteva več energije, kot se je lahko sprosti med tvorbo novih kemičnih vezi v molekulah CaO in H 2 O.

Reakcije, pri katerih se energija absorbira, imenujemo ENDOTHERMNI(iz "endo" - navznoter).

Koncentracija reaktantov

Sprememba tlaka, ko v reakciji sodelujejo plinaste snovi, povzroči tudi spremembo koncentracije teh snovi.

Da pride do kemičnih interakcij med delci, morajo ti učinkovito trčiti. Višja kot je koncentracija reaktantov, več je trkov in posledično večja je hitrost reakcije.

Na primer, acetilen zelo hitro gori v čistem kisiku. V tem primeru se razvije temperatura, ki zadostuje za taljenje kovine. Na podlagi velike količine eksperimentalnega materiala sta leta 1867 Norvežana K. Guldenberg in P. Waage ter neodvisno od njiju leta 1865 oblikovala osnovni zakon kemijske kinetike, ki je določil odvisnost hitrosti reakcije od koncentracije reagirajočih snovi.

Hitrost kemijske reakcije je sorazmerna zmnožku koncentracij reagirajočih snovi, vzetih po potencah, enakih njihovim koeficientom v reakcijski enačbi. Ta zakon se imenuje tudi

zakon množičnega delovanja.

Za reakcijo A + B = D bo ta zakon izražen na naslednji način:

Za reakcijo 2A + B = D bo ta zakon izražen na naslednji način:

Tu sta C A, C B koncentraciji snovi A in B (mol/l); k 1 in k 2 sta proporcionalna koeficienta, imenovana konstante hitrosti reakcije.

Fizikalnega pomena konstante reakcijske hitrosti ni težko ugotoviti – številčno je enaka reakcijski hitrosti, pri kateri so koncentracije reaktantov 1 mol/l oziroma je njihov produkt enak enoti. V tem primeru je jasno, da je konstanta hitrosti reakcije odvisna le od temperature in ni odvisna od koncentracije snovi. Zakon množičnega delovanja ne upošteva koncentracije reaktantov v trdnem stanju

, ker reagirajo na površinah in so njihove koncentracije običajno konstantne.

Na primer, za reakcijo zgorevanja premoga je treba izraz hitrosti reakcije zapisati na naslednji način:

to pomeni, da je hitrost reakcije sorazmerna samo s koncentracijo kisika.

Če enačba reakcije opisuje samo celotno kemijsko reakcijo, ki poteka v več stopnjah, potem je lahko hitrost takšne reakcije na kompleksen način odvisna od koncentracij izhodnih snovi. Ta odvisnost je določena eksperimentalno ali teoretično na podlagi predlaganega reakcijskega mehanizma.

Hitrost reakcije je mogoče povečati z uporabo posebnih snovi, ki spremenijo mehanizem reakcije in jo usmerijo po energijsko ugodnejši poti z nižjo aktivacijsko energijo. Imenujejo se katalizatorji (iz latinskega katalysis - uničenje).

Katalizator deluje kot izkušen vodnik, ki skupine turistov ne vodi skozi visok prelaz v gorah (premagovanje zahteva veliko truda in časa in ni dostopno vsakomur), temveč po njemu znanih obvoznih poteh, po katerih veliko lažje in hitreje se da premagati goro.

Res je, da po krožni poti ne prideš točno tja, kamor vodi glavni prelaz. Ampak včasih je ravno to potrebno! Točno tako delujejo katalizatorji, ki se imenujejo selektivni. Jasno je, da ni potrebe po sežiganju amoniaka in dušika, vendar se pri proizvodnji dušikove kisline uporablja dušikov oksid (II).

katalizatorji- to so snovi, ki sodelujejo v kemijski reakciji in spreminjajo njeno hitrost oziroma smer, na koncu reakcije pa ostanejo kvantitativno in kvalitativno nespremenjene.

Spreminjanje hitrosti kemijske reakcije ali njene smeri z uporabo katalizatorja se imenuje kataliza. Katalizatorji se pogosto uporabljajo v različnih industrijah in prometu (katalizatorji, ki pretvorijo dušikove okside iz izpušnih plinov avtomobilov v neškodljiv dušik).

Obstajata dve vrsti katalize.

Homogena kataliza, pri katerem so tako katalizator kot reaktanti v istem agregatnem stanju (fazi).

Heterogena kataliza, v katerem so katalizator in reaktanti v različnih fazah. Na primer, razgradnja vodikovega peroksida v prisotnosti trdnega katalizatorja manganovega (IV) oksida:

Sam katalizator se zaradi reakcije ne porabi, če pa se na njegovo površino adsorbirajo druge snovi (imenujemo jih katalitični strupi), postane površina nedelujoča in potrebna je regeneracija katalizatorja. Zato pred izvedbo katalitične reakcije izhodne snovi temeljito prečistimo.

Na primer, pri proizvodnji žveplove kisline s kontaktno metodo se uporablja trden katalizator - vanadijev (V) oksid V 2 O 5:

Pri proizvodnji metanola se uporablja trden "cink-kromov" katalizator (8ZnO Cr 2 O 3 x CrO 3):

Biološki katalizatorji – encimi – delujejo zelo učinkovito. Avtor: kemična narava to so beljakovine. Zahvaljujoč njim se v živih organizmih pri nizkih temperaturah z veliko hitrostjo odvijajo kompleksne kemične reakcije.

Znane so še druge zanimive snovi - inhibitorji (iz latinščine inhibere - odložiti). Reagirajo z aktivnimi delci pri visoki hitrosti in tvorijo nizko aktivne spojine. Posledično se reakcija močno upočasni in nato ustavi. Inhibitorji so pogosto posebej dodani različne snovi za preprečevanje neželenih procesov.

Na primer, raztopine vodikovega peroksida se stabilizirajo z inhibitorji.

Narava reagirajočih snovi (njihova sestava, struktura)

Pomen aktivacijske energije je dejavnik, prek katerega vpliva narava reagirajočih snovi na hitrost reakcije.

Če je aktivacijska energija nizka (< 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.

Če je aktivacijska energija visoka(> 120 kJ/mol), to pomeni, da le majhen del trkov med medsebojno delujočimi delci povzroči reakcijo. Hitrost takšne reakcije je torej zelo nizka. Na primer, napredovanje reakcije sinteze amoniaka pri običajnih temperaturah je skoraj nemogoče opaziti.

Če imajo aktivacijske energije kemičnih reakcij vmesne vrednosti (40120 kJ / mol), bodo hitrosti takšnih reakcij povprečne. Takšne reakcije vključujejo interakcijo natrija z vodo ali etilnim alkoholom, razbarvanje bromove vode z etilenom, interakcijo cinka s klorovodikovo kislino itd.

Stična površina reagirajočih snovi

Hitrost reakcij, ki se odvijajo na površini snovi, torej heterogenih, je ob drugih enakih pogojih odvisna od lastnosti te površine. Znano je, da se kreda v prahu veliko hitreje raztopi v solni kislini kot kos krede enake teže.

Povečanje hitrosti reakcije je predvsem posledica povečanje kontaktne površine izhodnih snovi, kot tudi številni drugi razlogi, na primer kršitev strukture "pravilne" kristalne mreže. To vodi do dejstva, da so delci na površini nastalih mikrokristalov veliko bolj reaktivni kot enaki delci na "gladki" površini.

V industriji se za izvajanje heterogenih reakcij uporablja "fluidizirana plast" za povečanje kontaktne površine reagirajočih snovi, dovajanje izhodnih snovi in ​​odstranjevanje produktov. Na primer, pri proizvodnji žveplove kisline se piriti žgejo z uporabo "vrtinčene postelje".

Referenčni material za opravljanje testa:

Mendelejeva tabela

Tabela topnosti

OPREDELITEV

Kemijska kinetika– preučevanje hitrosti in mehanizmov kemijskih reakcij.

Preučevanje reakcijskih hitrosti, pridobivanje podatkov o dejavnikih, ki vplivajo na hitrost kemijske reakcije, kot tudi preučevanje mehanizmov kemijskih reakcij se izvajajo eksperimentalno.

OPREDELITEV

Hitrost kemijske reakcije– sprememba koncentracije ene od reagirajočih snovi ali produktov reakcije na časovno enoto pri konstantnem volumnu sistema.

Hitrosti homogenih in heterogenih reakcij so definirane različno.

Definicijo mere hitrosti kemijske reakcije lahko zapišemo v matematični obliki. Naj bo hitrost kemijske reakcije v homogenem sistemu, n B število molov katere koli snovi, ki nastane pri reakciji, V prostornina sistema in čas. Nato v meji:

To enačbo je mogoče poenostaviti - razmerje med količino snovi in ​​prostornino je molska koncentracija snovi n B / V = ​​​​c B, od koder je dn B / V = ​​​​dc B in končno:

V praksi se koncentracije ene ali več snovi merijo v določenih časovnih intervalih. Koncentracije izhodnih snovi se s časom zmanjšujejo, koncentracije produktov pa naraščajo (slika 1).

riž. 1. Sprememba koncentracije izhodne snovi (a) in reakcijskega produkta (b) skozi čas

Dejavniki, ki vplivajo na hitrost kemijske reakcije

Dejavniki, ki vplivajo na hitrost kemijske reakcije so: narava reaktantov, njihove koncentracije, temperatura, prisotnost katalizatorjev v sistemu, tlak in prostornina (v plinski fazi).

Vpliv koncentracije na hitrost kemijske reakcije je povezan z osnovnim zakonom kemijske kinetike - zakonom o masnem delovanju (LMA): hitrost kemijske reakcije je premo sorazmerna zmnožku zvišanih koncentracij reagirajočih snovi. na potenco njihovih stehiometričnih koeficientov. ZDM ne upošteva koncentracije snovi v trdni fazi v heterogenih sistemih.

Za reakcijo mA +nB = pC +qD bo matematični izraz ZDM zapisan:

K × C A m × C B n

K × [A] m × [B] n,

kjer je k konstanta hitrosti kemijske reakcije, ki je hitrost kemijske reakcije pri koncentraciji reaktantov 1 mol/l. Za razliko od hitrosti kemijske reakcije k ni odvisen od koncentracije reaktantov. Višji kot je k, hitreje poteka reakcija.

Odvisnost hitrosti kemijske reakcije od temperature določa Van't Hoffovo pravilo. Van't Hoffovo pravilo: za vsakih deset stopinj dviga temperature se hitrost večine kemičnih reakcij poveča za približno 2- do 4-krat. Matematični izraz:

(T 2) = (T 1) × (T2-T1)/10,

kjer je van’t Hoffov temperaturni koeficient, ki kaže, kolikokrat se poveča hitrost reakcije, ko se temperatura poveča za 10 o C.

Molekularnost in vrstni red reakcije

Molekularnost reakcije je določena z najmanjšim številom molekul, ki hkrati interagirajo (sodelujejo v elementarnem dejanju). Obstajajo:

- monomolekularne reakcije (primer so reakcije razgradnje)

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

K × C, -dC/dt = kC

Vendar niso vse reakcije, ki sledijo tej enačbi, monomolekularne.

- bimolekularno

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

- trimolekularni (zelo redki).

Molekularnost reakcije določa njen pravi mehanizem. S pisanjem enačbe reakcije je nemogoče določiti njegovo molekularnost.

Vrstni red reakcije je določen z obliko kinetične enačbe reakcije. Enak je vsoti eksponentov stopenj koncentracije v tej enačbi. Na primer:

CaCO 3 = CaO + CO 2

K × C 1 2 × C 2 – tretji red

Vrstni red reakcije je lahko frakcijski. V tem primeru se določi eksperimentalno. Če reakcija poteka v eni stopnji, potem vrstni red reakcije in njena molekularnost sovpadata, če poteka v več stopnjah, potem je vrstni red določen z najpočasnejšo stopnjo in je enak molekularnosti te reakcije.

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1