Kimyoviy reaksiya tezligi va uning oʻzgarishiga taʼsir etuvchi sharoitlarni oʻrganish fizik kimyoning yoʻnalishlaridan biri – kimyoviy kinetika hisoblanadi. Shuningdek, u ushbu reaksiyalarning mexanizmlarini va ularning termodinamik haqiqiyligini ko'rib chiqadi. Bu tadqiqotlar nafaqat ilmiy maqsadlarda, balki barcha turdagi moddalarni ishlab chiqarishda reaktorlardagi komponentlarning oʻzaro taʼsirini nazorat qilishda ham muhimdir.
Kimyoda tezlik tushunchasi
Reaktsiya tezligi odatda vaqt birligida (Dt) reaktsiyaga kirgan birikmalar konsentratsiyasining ma'lum o'zgarishi deb ataladi. Kimyoviy reaksiya tezligining matematik formulasi quyidagicha:
ᴠ=±DC/Dt.
Reaksiya tezligi, agar u butun hajmda sodir boʻlsa (yaʼni reaksiya bir hil boʻlsa) mol/l∙s va mol/m2∙s bilan oʻlchanadi. agar o'zaro ta'sir fazalarni ajratib turadigan sirtda davom etsa (ya'ni reaksiya geterogen emas). Formuladagi "-" belgisi boshlang'ich reaktivlar kontsentratsiyasi qiymatlarining o'zgarishini anglatadi va "+" belgisi bir xil reaktsiya mahsulotlari konsentratsiyasining o'zgaruvchan qiymatlarini bildiradi.
Turli tezlikdagi reaksiyalarga misollar
Kimyoviy oʻzaro taʼsirlar turli tezliklarda sodir boʻlishi mumkin. Shunday qilib, stalaktitlarning o'sish tezligi, ya'ni k altsiy karbonat hosil bo'lishi 100 yilda atigi 0,5 mm ni tashkil qiladi. Ayrim biokimyoviy reaksiyalar sekin kechadi, masalan, fotosintez va oqsil sintezi. Metalllarning korroziyasi ancha past tezlikda boradi.
Bir soatdan bir necha soatgacha davom etadigan reaksiyalar oʻrtacha tezlik bilan tavsiflanishi mumkin. Bunga misol qilib, mahsulotlar tarkibidagi birikmalarning parchalanishi va o'zgarishi bilan birga bo'lgan pishirishni keltirish mumkin. Alohida polimerlarni sintez qilish reaksiya aralashmasini ma'lum vaqt davomida isitishni talab qiladi.
Tezligi ancha yuqori boʻlgan kimyoviy reaksiyalarga misol sifatida neytrallanish reaksiyasi, natriy bikarbonatning sirka kislotasi eritmasi bilan oʻzaro taʼsiri, karbonat angidrid chiqishi bilan birga boʻlishi mumkin. Bariy nitratning natriy sulfat bilan o'zaro ta'sirini ham eslatib o'tishimiz mumkin, bunda erimaydigan bariy sulfat cho'kmasi kuzatiladi.
Koʻp sonli reaksiyalar chaqmoq tezligida davom etishi va portlash bilan birga boʻlishi mumkin. Klassik misol - kaliyning suv bilan o'zaro ta'siri.
Kimyoviy reaksiya tezligiga ta'sir qiluvchi omillar
Ta'kidlash joizki, bir xil moddalar bir-biri bilan har xil tezlikda reaksiyaga kirishishi mumkin. Shunday qilib, masalan, gazsimon kislorod va vodorod aralashmasi uzoq vaqt davomida o'zaro ta'sir belgilarini ko'rsatmasligi mumkin, ammo qachonidishni silkitib yoki uni urib, reaktsiya portlovchi bo'ladi. Shuning uchun kimyoviy kinetika kimyoviy reaktsiya tezligiga ta'sir qilish qobiliyatiga ega bo'lgan ba'zi omillarni aniqladi. Bunga quyidagilar kiradi:
- o'zaro ta'sir qiluvchi moddalarning tabiati;
- reagentlar konsentratsiyasi;
- harorat oʻzgarishi;
- katalizator mavjudligi;
- bosimning oʻzgarishi (gazsimon moddalar uchun);
- moddalarning aloqa qilish sohasi (agar heterojen reaktsiyalar haqida gapiradigan bo'lsak).
Materiya tabiatining ta'siri
Kimyoviy reaksiyalar tezligidagi bunday sezilarli farq turli aktivlanish energiyalari bilan izohlanadi (Ea). Bu reaktsiya sodir bo'lishi uchun to'qnashuv paytida molekula tomonidan talab qilinadigan o'rtacha qiymatga nisbatan ma'lum bir ortiqcha energiya miqdori sifatida tushuniladi. U kJ/mol bilan o'lchanadi va qiymatlar odatda 50-250 oralig'ida bo'ladi.
Agar har qanday reaksiya uchun Ea=150 kJ/mol boʻlsa, u holda n da boʻlishi odatda qabul qilinadi. y. u amalda oqmaydi. Bu energiya moddalar molekulalari orasidagi itarilishni bartaraf etishga va dastlabki moddalardagi bog'lanishlarni zaiflashtirishga sarflanadi. Boshqacha qilib aytganda, aktivlanish energiyasi moddalardagi kimyoviy bog'lanishning mustahkamligini tavsiflaydi. Faollashtirish energiyasining qiymati bo'yicha siz kimyoviy reaksiya tezligini oldindan hisoblashingiz mumkin:
- Ea<
- 40<Ea<120, oʻrtacha taxminreaktsiya, chunki molekulalarning to'qnashuvining faqat yarmi samarali bo'ladi (masalan, ruxning xlorid kislotasi bilan reaksiyasi);
- Ea>120, zarrachalar toʻqnashuvining juda kichik qismigina reaksiyaga olib keladi va uning tezligi past boʻladi.
Konsentratsiyaning ta'siri
Reaksiya tezligining konsentratsiyaga bogʻliqligi eng aniq massa taʼsir qonuni (LMA) bilan tavsiflanadi:
Kimyoviy reaksiya tezligi reaksiyaga kirishuvchi moddalar kontsentratsiyasining mahsulotiga toʻgʻridan-toʻgʻri proportsional boʻlib, ularning qiymatlari stexiometrik koeffitsientlariga mos keladigan darajada qabul qilinadi.
Bu qonun elementar bir bosqichli reaksiyalar yoki murakkab mexanizm bilan tavsiflangan moddalarning oʻzaro taʼsirining istalgan bosqichi uchun javob beradi.
Agar siz kimyoviy reaksiya tezligini aniqlamoqchi boʻlsangiz, uning tenglamasi shartli ravishda quyidagicha yozilishi mumkin:
aA+ bB=ps, keyin, qonunning yuqoridagi formulasiga ko'ra tezlikni quyidagi tenglama orqali topish mumkin:
V=k·[A]a·[B]b, bu yerda
a va b - stexiometrik koeffitsientlar, [A] va [B] - boshlang'ich birikmalar konsentratsiyasi, k - ko'rib chiqilayotgan reaksiya tezligi konstantasi.
Kimyoviy reaksiya tezligi koeffitsientining ma'nosi shundan iboratki, agar birikmalar konsentratsiyasi birliklarga teng bo'lsa, uning qiymati tezlikka teng bo'ladi. Shuni ta'kidlash kerakki, ushbu formula bo'yicha to'g'ri hisoblash uchun reagentlarning agregat holatini hisobga olish kerak. Qattiq konsentratsiyamoddalar birlikka teng qabul qilinadi va tenglamaga kiritilmaydi, chunki u reaksiya davomida doimiy bo'lib qoladi. Shunday qilib, MDM bo'yicha hisob-kitobga faqat suyuq va gazsimon moddalarning konsentratsiyasi kiritilgan. Shunday qilib, oddiy moddalardan kremniy dioksidini olish reaktsiyasi uchun
tenglama bilan tavsiflangan.
Si(tv)+ n2(g)=SiS2(tv), tezlik formula bilan aniqlanadi:
V=k·[L2].
Odatdagi vazifa
Agar boshlang'ich birikmalarning konsentratsiyasi ikki barobar oshirilsa, azot oksidi kislorod bilan kimyoviy reaksiya tezligi qanday o'zgaradi?
Yechimi: Bu jarayon reaksiya tenglamasiga mos keladi:
2in + n2=2in2.
Boshlang'ich (ᴠ1) va yakuniy (ᴠ2) reaksiya tezligi uchun ifodalarni yozing:
ᴠ1=k·[In]2·[n2] va
ᴠ2=k·(2·[In])2·2·[n2]=k 4[In]2 2[L2].
Keyin, chap va oʻng qismlarni ajrating:
ᴠ1/ᴠ2 =(k 4[In]2 2[n2]) / (k·[ĝn]2·[Ο2]).
Konsentratsiya qiymatlari va tezlik konstantalari kamayadi, qoldiriladi:
ᴠ2/ᴠ1 =4 2/1=8.
Javob: 8 marta oshirildi.
Harorat effekti
Kimyoviy reaksiya tezligining bogʻliqligiharoratni golland olimi J. H. Van't Xoff empirik tarzda aniqlagan. U haroratning har 10 gradus ko'tarilishi bilan ko'p reaktsiyalar tezligi 2-4 marta ortishini aniqladi. Bu qoida uchun quyidagi matematik ifoda mavjud:
ᴠ2 =ᴠ1 g(Τ2-p1)/10, bu yerda
ᴠ1 va ᴠ2 - bu haroratlarda mos keladigan tezliklar: D1 va P.2;
g - harorat koeffitsienti, 2–4 ga teng.
Shu bilan birga, bu qoida haroratning ma'lum bir reaksiya tezligi qiymatiga ta'sir qilish mexanizmini tushuntirmaydi va barcha naqshlar to'plamini tavsiflamaydi. Haroratning oshishi bilan zarralarning xaotik harakati kuchayadi va bu ularning to'qnashuvlarining ko'p sonini qo'zg'atadi, degan xulosaga kelish mantiqan. Biroq, bu molekulyar to'qnashuvlarning samaradorligiga ayniqsa ta'sir qilmaydi, chunki u asosan faollashuv energiyasiga bog'liq. Shuningdek, zarrachalar to'qnashuvi samaradorligida ularning bir-biriga fazoviy mos kelishi muhim rol o'ynaydi.
Reaksiyaga kirishuvchi moddalarning tabiatini hisobga olgan holda kimyoviy reaksiya tezligining haroratga bogʻliqligi Arrhenius tenglamasiga boʻysunadi:
k=A0 e-Ea/RO, bu yerda
Ao – multiplikator;
Ea – faollashtirish energiyasi.
Van't-Xoff qonunidagi muammoga misol
Temperatura koeffitsienti son jihatdan 3 ga teng boʻlgan kimyoviy reaksiya tezligi 27 marta oshishi uchun haroratni qanday oʻzgartirish kerak?
Qaror.
formulasidan foydalanamiz
ᴠ2 =ᴠ1 g(Τ2-P1)/10.
Shartdan ᴠ2/ᴠ1 =27 va g=3. D D=D ni topishingiz kerak.2–Τ1.
Asl formulani oʻzgartirib, biz quyidagilarni olamiz:
V2/V1=gDD/10.
Oʻzgartirish qiymatlari: 27=3DD/10.
Bu yerdan D/10=3 va DD=30 ekanligi aniq.
Javob: haroratni 30 darajaga oshirish kerak.
Katalizatorlar ta'siri
Fizik kimyoda kimyoviy reaksiyalar tezligi kataliz deb ataladigan boʻlim tomonidan ham faol oʻrganiladi. U qanday qilib va nima uchun ma'lum moddalarning nisbatan kichik miqdori boshqalarning o'zaro ta'sir qilish tezligini sezilarli darajada oshirishi bilan qiziqadi. Reaksiyani tezlashtira oladigan, lekin o'zi iste'mol qilinmaydigan moddalar katalizatorlar deb ataladi.
Katalizatorlar kimyoviy oʻzaro taʼsir mexanizmini oʻz-oʻzidan oʻzgartirishi, yangi oʻtish holatlarining paydo boʻlishiga hissa qoʻshishi isbotlangan, ular energiya toʻsiqlari balandligining pastligi bilan ajralib turadi. Ya'ni, ular faollashuv energiyasining pasayishiga va shuning uchun zarrachalarning samarali ta'siri sonining ko'payishiga yordam beradi. Katalizator energiya jihatidan imkonsiz bo'lgan reaktsiyaga olib kelishi mumkin emas.
Shunday qilib, vodorod periks kislorod va suv hosil qilish uchun parchalanishi mumkin:
N2L2=N2l + n 2.
Ammo bu reaktsiya juda sekin va bizning dorixonalarimizda u o'zgarmagan holda mavjud.ancha vaqt ko'rish. Faqat juda eski peroksid flakonlarini ochib, tomir devorlariga kislorod bosimidan kelib chiqqan kichik popni ko'rishingiz mumkin. Bir necha dona magniy oksidi qo‘shilsa, faol gazlar paydo bo‘ladi.
Peroksid parchalanishining xuddi shunday reaktsiyasi, lekin katalaza ta'sirida, yaralarni davolashda sodir bo'ladi. Tirik organizmlarda biokimyoviy reaktsiyalar tezligini oshiradigan juda ko'p turli xil moddalar mavjud. Ular fermentlar deb ataladi.
Inhibitorlar reaktsiyalar jarayoniga teskari ta'sir ko'rsatadi. Biroq, bu har doim ham yomon emas. Inhibitorlar metall mahsulotlarini korroziyadan himoya qilish, oziq-ovqat mahsulotlarini saqlash muddatini uzaytirish, masalan, yog'larning oksidlanishini oldini olish uchun ishlatiladi.
Madda bilan aloqa qilish hududi
Agar o'zaro ta'sir turli agregat holatlarga ega bo'lgan birikmalar yoki bir hil muhit hosil qila olmaydigan moddalar (aralashmaydigan suyuqliklar) o'rtasida sodir bo'lsa, bu omil kimyoviy reaksiya tezligiga ham sezilarli ta'sir qiladi. Buning sababi shundaki, geterogen reaktsiyalar bevosita o'zaro ta'sir qiluvchi moddalarning fazalari orasidagi chegarada amalga oshiriladi. Shubhasiz, bu chegara qanchalik keng bo‘lsa, shuncha ko‘p zarrachalar to‘qnashish imkoniyatiga ega bo‘ladi va reaksiya shunchalik tez bo‘ladi.
Masalan, mayda chiplar koʻrinishidagi yogʻoch yogʻochga qaraganda tezroq yonadi. Xuddi shu maqsadda ko'plab qattiq moddalar eritmaga qo'shilishdan oldin mayda kukunga aylanadi. Shunday qilib, kukunli bo'r (k altsiy karbonat) xlorid kislota bilan tezroq ta'sir qiladi,bir xil massa bo'lagidan ko'ra. Biroq, bu usul maydonni oshirishdan tashqari, moddaning kristall panjarasining xaotik sinishiga olib keladi, ya'ni u zarrachalarning reaktivligini oshiradi.
Matematik jihatdan geterogen kimyoviy reaksiya tezligi birlik sirtda vaqt birligida (Dt) sodir boʻladigan moddaning (Dn) miqdorining oʻzgarishi sifatida topiladi
(S): V=DN/(S Dt).
Bosimning ta'siri
Tizimdagi bosimning oʻzgarishi reaksiyada gazlar ishtirok etgandagina taʼsir qiladi. Bosimning oshishi moddaning molekulalarining hajm birligiga ko'payishi bilan birga keladi, ya'ni uning konsentratsiyasi proportsional ravishda ortadi. Aksincha, bosimning pasayishi reaktiv konsentratsiyasining ekvivalent pasayishiga olib keladi. Bunday holda, ZDM ga mos keladigan formula kimyoviy reaksiya tezligini hisoblash uchun mos keladi.
Vazifa.
tenglama bilan tavsiflangan reaksiya tezligi qanday bo'ladi
2in + l2=2in2, agar yopiq tizimning hajmi uch marta kamaytirilsa (T=const)?
Qaror. Ovoz pasayganda, bosim mutanosib ravishda ortadi. Dastlabki (V1) va yakuniy (V2) reaksiya tezligi uchun ifodalarni yozamiz:
V1 =k·[NΟ]2·[Ο2] va
V2 =k·(3·[NN])2 3·[L2]=k 9[In]2 3[L2].
Yangi tezlik necha marta katta ekanligini aniqlash uchundastlab, iboralarning chap va o'ng qismlarini ajratishingiz kerak:
V1/V2 =(k 9[In]2· 3 [L2]) / (k·[ĝğ]2·[Ο2]).
Konsentratsiya qiymatlari va tezlik konstantalari kamayadi, qoldiriladi:
V2/V1 =9 3/1=27.
Javob: tezlik 27 marta oshdi.
Xulosa qilib shuni ta'kidlash kerakki, moddalarning o'zaro ta'sir qilish tezligiga, to'g'rirog'i, ularning zarrachalarining to'qnashuvi soni va sifatiga ko'plab omillar ta'sir qiladi. Avvalo, bu aktivlanish energiyasi va molekulalarning geometriyasi bo'lib, ularni tuzatish deyarli mumkin emas. Qolgan shartlarga kelsak, reaktsiya tezligini oshirish uchun:
- reaksiya muhitining haroratini oshirish;
- boshlovchi birikmalar konsentratsiyasini oshirish;
- tizimdagi bosimni oshiring yoki gazlar haqida gap ketganda uning hajmini kamaytiring;
- bir-biriga oʻxshamaydigan moddalarni bitta agregatsiya holatiga keltiring (masalan, suvda erishi orqali) yoki ularning aloqa maydonini oshiring.
