На головну

Кінетика хімічних реакцій

  1. IV. Теплові ефекти хімічних реакцій. Термохимические рівняння і розрахунки
  2. V. Хімічна кінетика і хімічна рівновага
  3. VIII. Іонні рівняння реакцій
  4. Антидоти небезпечних хімічних речовин
  5. Біотін- кофермент реакцій карбоксилювання
  6. Болат ?ориту ?рдісіні? кінетікаси
  7. У хімічних процесах

Вчення про хімічні процеси складається з двох частин:
1) хімічної термодинаміки; 2) хімічної кінетики.

Як уже було показано раніше, хімічна термодинаміка вивчає перетворення різних видів енергії при здійсненні хімічних реакцій. Вона дозволяє кількісно визначити тепловий ефект хімічної реакції, можливість самовільного її протікання в тому чи іншому напрямку і умови, при яких беруть участь в реакції речовини будуть знаходитися в стані рівноваги. Причому вивчення процесів, що відбуваються з позиції термодинаміки не вимагає знань про їх механізмі, будову молекул вихідних речовин і продуктів реакції.

Обмеженість хімічної термодинаміки полягає в тому, що отримані з її допомогою результатів часто буває недостатньо, щоб здійснити принципово можливий процес на практиці.

Наприклад, з точки зору термодинаміки, все органічні речовини повинні були б уже при звичайних умовах досить швидко окислюватися молекулярним киснем повітря до вуглекислого газу і води, т. К. Цей процес супроводжується значним зменшенням енергії Гіббса (? G << 0). У зв'язку з цим, існування всього живого на Землі було б неможливо. Але в дійсності дана реакція протікає виключно повільно.

Відповіді на питання, чому так відбувається, і що потрібно зробити, щоб цей і інші процеси здійснити з необхідною швидкістю, дає хімічна кінетика.

Хімічна кінетика (від грецьк.kinetik?s - рушійний) - Розділ фізичної хімії, що вивчає швидкість протікання хімічної реакції в часі, фактори, що впливають на її величину, умови проведення реакції і її можливий механізм з урахуванням будови молекул беруть участь в ній речовин.

Практичне значення її величезна. Так, знаючи закони кінетики і механізм реакції, можна управляти хімічним процесом, повідомляючи йому необхідну швидкість і напрямок. Від цього, в свою чергу, залежить вихід кінцевих продуктів і їх собівартість, продуктивність апаратури в хімічній промисловості.

Від швидкості реакції залежить черговість протікання тих чи інших біохімічних процесів в живих організмах, ефективність дії на них різних лікарських препаратів, терміни і умови зберігання останніх до початку їх застосування.

Слід підкреслити, що управління хімічним процесом з метою його інтенсифікації або, навпаки, пригнічення (уповільнення) є головним завданням хімічної кінетики

Хімічна кінетика складається з двох розділів: 1) формальний кінетики, що дає математичний опис швидкості хімічної реакції в залежності від зовнішніх умов (температури, тиску, концентрації вихідних речовин), але без урахування механізму самої реакції; 2) молекулярної кінетики, що вивчає механізми що протікають реакцій.

Поняття про швидкість хімічної реакції.
Закон діючих мас

В ході протікання необоротних хімічних реакцій вихідні речовини витрачаються, їх зміст (або концентрація) в системі зменшується від початкової величини до нуля. Кінцеві продукти, навпаки, накопичуються, і з плином часу їх концентрація зростає від нуля до своєї максимальної величини (рис.36). Чим за менший проміжок часу здійснюється цей процес, тим з більшою швидкістю протікає хімічна реакція.

1 2

Мал. 36. Зміна концентрації вихідного (1) і кінцевого (2) речовини в залежності від часу протікання реакції

Швидкості хімічних реакцій можуть лежати в самому широкому діапазоні значень. Деякі реакції закінчуються за тисячні частки секунди (горіння і розкладання вибухових речовин, пороху), тривалість інших вимірюється хвилинами, годинами, добами. Геохімічні реакції, що протікають між речовинами в земній корі, відбуваються протягом багатьох тисячоліть.

Розглянуті в хімічній кінетиці процеси доцільно розділити на 2 групи: гомогенні і гетерогенні. Це пов'язано з тим, що характер і спосіб їх протікання в істотній мірі залежать від даної ознаки. Причому, віднесення тієї чи іншої реакції до гомогенної або гетергенной визначається лише агрегатним станом вихідних речовин, а не її кінцевих продуктів.

Гомогенними називаються хімічні реакції, у яких вихідні речовини знаходяться в однаковому агрегатному стані або в одній і тій же (рідкої або газоподібної) фазі. При цьому між речовинами відсутня поверхню розділу.

наприклад:

1) 2Н2 (Газ) + Про2 (Газ) = 2 Н2О(Ж.)

гомогенна реакція, що протікає в газовій фазі;

2) KCl (P.-p.) + AgNO3 (P.-p.) = AgСl v (тв.)v + KNO3 (P.-p.)

гомогенна реакція, що протікає в рідкій фазі.

Характерною особливістю гомогенних реакцій є те, що вони здійснюються у всьому обсязі системи, т. Е. Зіткнення молекул або іонів вихідних речовин може статися в будь-який її точці.

Гетерогенними називаються хімічні реакції, в яких вихідні речовини знаходяться в різних фазах і, як правило, відрізняються один від одного агрегатного стану. Але можуть бути гетерогенні реакції, в яких різні фази знаходяться в одному і тому ж агрегатному стані. Наприклад, дві несмешивающиеся між собою рідини: вуглеводень і вода. У таких системах між вихідними речовинами завжди присутній поверхню розділу, на якій і протікає гетерогенна реакція.

наприклад:

1) З(тв.) + Про2 (М) = СО2

2) 2Н2О (Ж.) + Са (Тв.) = Са (ОН)2 (Р.-р.) + Н2 (М)

Гетерогенні реакції, що протікають на поверхні твердого речовини;

3) Н2О (ж.) + 2NO2 (М) = HNO3 (p.-p.) + HNO2 (p.-p.)

Гетерогенна реакція, що протікає на поверхні рідини.

При розгляді біохімічних процесів, що протікають в живому організмі, часто буває важко віднести їх до відповідного типу, т. К. В деяких випадках неможливо однозначно визначити агрегатний стан всіх вихідних речовин. Особливо це стосується реакцій, що протікають всередині або на поверхні біологічних мембран, а також за участю біополімерів (білків, полісахаридів). У той же час, приналежність реакції до гомогенного або гетерогенного типу значно впливає не тільки на величину швидкості, але і на спосіб її визначення.

При цьому під швидкістю (?) гомогенної реакції на увазі зміна числа молей одного з речовин (кінцевого або початкового) за одиницю часу в одиниці об'єму системи:

,

де n1 і n2 - Хімічне кількість речовини, відповідно, в початковий (t1) І кінцевий (t2) момент часу; V - об'єм системи, в якій протікає реакція; ?t - час протікання реакції.

Якщо швидкість реакції визначають по зростанню числа молей одного з кінцевих речовин, то перед рівнянням ставлять знак «+», так як в цьому випадку ?n > 0 (n2 > n1).

Якщо ж швидкість реакції визначають по зменшенню числа молей одного з вихідних речовин, перед рівнянням ставлять знак «-», так як в цьому випадку ?n <0 (n2 < n1), А швидкість хімічної реакції завжди повинна бути позитивною величиною.

Рівняння для розрахунку швидкості гомогенної хімічної реакції можна математично перетворити з урахуванням того, що

,

де С1 і С2 - Молярна концентрація речовини в початковий (t1) І кінцевий (t2) Моменти часу.

Відповідно до отриманої новою формулою під швидкістю гомогенної реакції на увазі зміна молярної концентрації одного з речовин (вихідного або кінцевого) за одиницю часу.

При цьому, якщо швидкість гомогенної реакції визначають на підставі зменшення молярної концентрації одного з вихідних речовин, перед формулою ставлять знак «-».

Швидкість гомогенної реакції має розмірність моль / дм3• с або моль / м3 • с (в системі СІ).

У практиці біохімічних досліджень поряд з молярною концентрацією (моль / л) застосовують і інші концентрації розчинених речовин: по масі - мг / 100 мл; масовій частці -% / 100 мл та ін. Одиницями вимірювання швидкості в такому випадку будуть, відповідно, мг / 100 мл · с,% / 100 мл · с. При необхідності їх можна перевести в одиниці СІ.

Під швидкістю гетерогенної реакції на увазі зміна числа молей одного з речовин (вихідного або кінцевого) за одиницю часу на одиниці площі поверхні розділу агрегатних станів або фаз (Так як гетерогенна реакція протікає не у всьому обсязі системи, а на кордоні розділу агрегатних станів)

,

де S - площа поверхні розділу фаз.

Швидкість гетерогенної реакції має розмірність моль / м2 • с.

Часто поверхню твердої речовини є особливо пористої, розвиненою. Точне значення її площі в зв'язку з цим визначити практично неможливо. У таких випадках середню швидкість гетерогенної реакції розраховують формулою

,

де m - маса твердої фази

При цьому швидкість має розмірність моль / кг · с.

За вищенаведеними формулами ми завжди визначаємо, з якою швидкістю витрачається або накопичується тільки одне з речовин, що беруть участь в реакції. Але так як все речовини пов'язані в рівнянні хімічної реакції стехиометрическими коефіцієнтами, зміна кількості або концентрації одного з них призводить до еквівалентного зміни кількості і концентрації всіх інших. Наприклад, нехай швидкість витрачання N2 в хімічній реакції синтезу NH3

N2 + 3H2 = 2NH3

дорівнює 2 моль / дм3 • с. З урахуванням стехіометричних коефіцієнтів швидкість витрачання Н2 становитиме 2 • 3 ??= 6 моль / дм3 • с,
а NH3 буде накопичуватися в системі зі швидкістю 2 • 2 =
4 моль / дм3 • с.

За допомогою наведених вище рівнянь можна розрахувати так звану середню швидкість реакції, тобто швидкість за якийсь відрізок часу ?t. Вважається, що протягом цього інтервалу швидкість залишається незмінною, але це не так. Адже вихідні речовини безперервно витрачаються, а, значить, повинна постійно зменшуватися і швидкість реакції. Тому вводять поняття про істинної або миттєвої швидкості, Тобто швидкості в даний момент часу.

Математично справжню або миттєву швидкість (uіст.) Реакції прийнято виражати відношенням нескінченно малого зміни кількості речовини ? n (або його концентрації ?С) до нескінченно малому відрізку часу ?t, протягом якого відбулася ця зміна, або похідною за часом від хімічного кількості речовини або його концентрації:

Для гомогенних хімічних реакцій справедливо вираз

Відповідно до закону діючих мас, справжня швидкість пропорційна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступенях, рівних їх стехиометрическим коефіцієнтам в рівнянні реакції.

Так, для реакції виду

,

де k - коефіцієнт пропорційності, званий константою швидкості даної хімічної реакції. Він дорівнює швидкості реакції в той момент, коли молярні концентрації вихідних речовин дорівнюють 1 моль / дм3. Константа швидкості не залежить від концентрацій вихідних речовин і при незмінній температурі і відсутності каталізаторів є величина постійна для даної реакції. визначають значення k для кожної реакції дослідним шляхом.

Закон діючих мас на основі великого експериментального матеріалу було сформульовано в 1867 р норвезькими вченими К. Гульберг і П. Ваге, і незалежно від них в 1865 р російським ученим Н. і. Бекетовим. В кінці XIX століття термін «концентрація» ще не був введений і хіміки користувалися замість нього терміном «діючі маси».

Для реакції синтезу HI

H2 (г) + I2 (г) = 2HI

справжню швидкість реакції можна розрахувати за формулою:

При розрахунку швидкості гетерогенної реакції в формулу підставляють тільки концентрації тих речовин, які знаходяться в розчиненому або газоподібному стані, так як концентрація твердої речовини протягом усього реакції вважається величиною постійною і враховується в значенні константи швидкості. наприклад:

С(Тв.) + Про2 (газ) = СО2

Виведене на основі закону діючих мас математичне рівняння, за допомогою якого можна розрахувати швидкість даної хімічної реакції, називається її головним (основним) кінетичним рівнянням.

Кінетична класифікація хімічних реакцій.
Поняття про молекулярної і порядку хімічної реакції




Ступінь дисоціації слабкого електроліту зменшується, якщо внести в його розчин навіть у невеликій кількості сильний електроліт, що містить в своєму складі однойменні іони. | сильні електроліти | Під активністю іонів на увазі ту їх ефективну (умовну) концентрацію, відповідно до якої вони кількісно виявляють себе в розчині. | Дисоціація води. Водневий показник | Теорія кислот і підстав | Визначення буферних систем і їх класифікація | Таким чином, будь-яка кислотно-основна буферна система є рівноважною сумішшю, що складається з донора і акцептора протонів. | Механізм дії буферних систем | буферна ємність | Величина буферної ємності залежить від концентрацій компонентів буферної системи і від їх співвідношення. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати