نرخ واکنش در شیمی: تعریف و وابستگی آن به عوامل مختلف

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 17:45

نرخ واکنش مقداری است که تغییر غلظت واکنش دهنده ها را در یک دوره زمانی مشخص نشان می دهد. برای تخمین اندازه آن، لازم است شرایط اولیه فرآیند را تغییر دهید.

برهم کنش های همگن

سرعت واکنش بین برخی از ترکیباتی که به شکل کل یکسان هستند به حجم مواد گرفته شده بستگی دارد. از نقطه نظر ریاضی، می توان رابطه بین سرعت یک فرآیند همگن و تغییر غلظت در واحد زمان را بیان کرد.

نمونه ای از چنین تعاملی، اکسیداسیون نیتریک اکسید (2) به اکسید نیتریک (4) است.

فرایندهای ناهمگن

سرعت واکنش برای مواد شروع کننده در حالت های مختلف تجمع با تعداد مول معرف های شروع کننده در واحد سطح در واحد زمان مشخص می شود.

برهمکنش‌های ناهمگن مشخصه سیستم‌هایی است که حالت‌های مجموع متفاوتی دارند.

به طور خلاصه، توجه می کنیم که سرعت واکنش نشان دهنده تغییر در تعداد مول های معرف های اولیه (محصولات واکنش) برایدوره زمانی، در رابط واحد یا در واحد حجم.

تمرکز

بیایید عوامل اصلی مؤثر بر سرعت واکنش را در نظر بگیریم. بیایید با تمرکز شروع کنیم. چنین وابستگی با قانون کنش جمعی بیان می شود. رابطه مستقیمی بین محصول غلظت موادی که بر هم کنش می‌کنند، بر حسب ضرایب استریوشیمیایی آنها، و سرعت واکنش وجود دارد.

معادله aA + bB=cC + dD را در نظر بگیرید، که در آن A، B، C، D مایع یا گاز هستند. برای فرآیند فوق، معادله جنبشی را می توان با در نظر گرفتن ضریب تناسب نوشت که برای هر برهمکنش مقدار خاص خود را دارد.

به عنوان دلیل اصلی افزایش سرعت، می توان به افزایش تعداد برخورد ذرات واکنش دهنده در واحد حجم اشاره کرد.

دما

تأثیر دما بر سرعت واکنش را در نظر بگیرید. فرآیندهایی که در سیستم های همگن رخ می دهند تنها زمانی امکان پذیر است که ذرات با هم برخورد کنند. اما همه برخوردها منجر به تشکیل محصولات واکنش نمی شود. فقط در صورتی که ذرات دارای انرژی افزایش یافته باشند. هنگامی که معرف ها گرم می شوند، افزایش انرژی جنبشی ذرات مشاهده می شود، تعداد مولکول های فعال افزایش می یابد، بنابراین، افزایش سرعت واکنش مشاهده می شود. رابطه بین شاخص دما و سرعت فرآیند توسط قانون van't Hoff تعیین می شود: هر افزایش دما به میزان 10 درجه سانتی گراد منجر به افزایش 2-4 برابری سرعت فرآیند می شود.

کاتالیزور

با توجه به عوامل مؤثر بر سرعت واکنش، بیایید روی موادی تمرکز کنیم که می توانند سرعت فرآیند را افزایش دهند، یعنی روی کاتالیزورها. بسته به وضعیت تجمع کاتالیزور و واکنش دهنده ها، چندین نوع کاتالیز متمایز می شود:

شکل همگن، که در آن واکنش دهنده ها و کاتالیزور حالت تجمع یکسانی دارند؛
وقتی واکنش دهنده ها و کاتالیزور در یک فاز باشند، ناهمگن است.

نیکل، پلاتین، رودیوم، پالادیوم را می توان به عنوان نمونه هایی از موادی که برهمکنش ها را تسریع می کنند، متمایز کرد.

مهارکننده ها موادی هستند که واکنش را کاهش می دهند.

منطقه تماس

چه چیز دیگری سرعت واکنش را تعیین می کند؟ شیمی به چندین بخش تقسیم می شود که هر کدام به بررسی فرآیندها و پدیده های خاصی می پردازد. دوره شیمی فیزیک رابطه بین ناحیه تماس و سرعت فرآیند را بررسی می کند.

به منظور افزایش سطح تماس معرف ها، آنها را به اندازه معینی خرد می کنند. سریع ترین برهمکنش در محلول ها اتفاق می افتد، به همین دلیل است که بسیاری از واکنش ها در یک محیط آبی انجام می شود.

هنگام آسیاب کردن مواد جامد، اندازه گیری باید رعایت شود. به عنوان مثال، هنگامی که پیریت (سولفیت آهن) به گرد و غبار تبدیل می شود، ذرات آن در یک کوره پخته می شوند که بر سرعت اکسیداسیون این ترکیب تأثیر منفی می گذارد و بازده دی اکسید گوگرد کاهش می یابد.

Reagents

بیایید سعی کنیم بفهمیم که چگونه می توان سرعت واکنش را بسته به اینکه کدام معرف برهم کنش دارند، تعیین کنیم؟ به عنوان مثال، فلزات فعال واقع در سری الکتروشیمیایی Beketov قبل از هیدروژن قادر به برهمکنش با محلول های اسیدی هستند و آنهایی که بعد از H_{2 هستند چنین توانایی ندارند. دلیل این پدیده در فعالیت شیمیایی متفاوت فلزات نهفته است.}

فشار

سرعت واکنش چگونه با این مقدار مرتبط است؟ شیمی علمی است که ارتباط نزدیکی با فیزیک دارد، بنابراین این وابستگی مستقیماً متناسب است و توسط قوانین گاز تنظیم می شود. رابطه مستقیمی بین مقادیر وجود دارد. و برای اینکه بفهمیم کدام قانون سرعت یک واکنش شیمیایی را تعیین می کند، باید وضعیت تجمع و غلظت معرف ها را دانست.

انواع سرعت در شیمی

مرسوم است که مقادیر آنی و متوسط را جدا کنید. میانگین نرخ برهمکنش شیمیایی به عنوان تفاوت در غلظت واکنش دهنده ها در یک دوره زمانی تعریف می شود.

مقدار به‌دست‌آمده وقتی غلظت کاهش می‌یابد منفی و وقتی غلظت محصولات متقابل افزایش می‌یابد مثبت است.

مقدار واقعی (آنی) چنین نسبتی در یک واحد زمان معین است.

در سیستم SI، سرعت یک فرآیند شیمیایی بر حسب [mol×m^-3×s^{-1 بیان می شود..}

مشکلات در شیمی

بیایید به چند نمونه از مشکلات مربوط به تعیین سرعت نگاه کنیم.

مثال 1. درکلر و هیدروژن را در ظرفی با هم مخلوط کرده، سپس مخلوط را حرارت می دهند. پس از 5 ثانیه، غلظت کلرید هیدروژن مقدار 0.05 mol/dm³ به دست آورد. میانگین سرعت تشکیل هیدروژن کلرید (mol/dm^{3 s) را محاسبه کنید.}

لازم است 5 ثانیه پس از برهمکنش تغییر غلظت هیدروژن کلرید را با کم کردن مقدار اولیه از غلظت نهایی تعیین کنیم:

C(HCl)=c2 - c1=0.05 - 0=0.05 mol/dm3.

محاسبه میانگین سرعت تشکیل کلرید هیدروژن:

V=0.05/5=0.010 mol/dm3 ×s.

مثال 2. در ظرفی با حجم dm 33، فرآیند زیر رخ می دهد:

C₂H₂ + 2H₂=C_{2 H}6_.

جرم اولیه هیدروژن 1 گرم است. دو ثانیه پس از شروع برهمکنش، جرم هیدروژن مقدار 0.4 گرم به دست آورد. متوسط نرخ تولید اتان (mol/dm) را محاسبه کنید. 3×s).

جرم هیدروژنی که واکنش داده است به عنوان تفاوت بین مقدار اولیه و عدد نهایی تعریف می شود. 1 - 0.4=0.6 (گرم) است. برای تعیین تعداد مول های هیدروژن، لازم است که آن را بر جرم مولی گاز معین تقسیم کنیم: n \u003d 0.6/2 \u003d 0.3 مول. طبق معادله، 1 مول اتان از 2 مول هیدروژن تشکیل می شود، بنابراین از 0.3 مول H_{2 0.15 مول اتان به دست می آید.}

غلظت هیدروکربن حاصل را تعیین کنید، 0.05 mol/dm³ بدست می آوریم. سپس می توانید میانگین سرعت تشکیل آن را محاسبه کنید:=0.025 mol/dm^{3 ×s.}

نتیجه گیری

عوامل مختلفی بر سرعت برهمکنش شیمیایی تأثیر می گذارند: ماهیت مواد واکنش دهنده (انرژی فعال سازی)، غلظت آنها، وجود کاتالیزور، درجه آسیاب، فشار، نوع تابش.

در نیمه دوم قرن نوزدهم، پروفسور N. N. Beketov پیشنهاد کرد که بین انبوه معرف های اولیه و طول مدت فرآیند ارتباط وجود دارد. این فرضیه در قانون کنش توده‌ای که در سال 1867 توسط شیمی‌دانان نروژی: P. Wage و K. Guldberg تأسیس شد، تأیید شد.

شیمی فیزیک مکانیسم و سرعت فرآیندهای مختلف را مطالعه می کند. ساده ترین فرآیندهایی که در یک مرحله رخ می دهند، فرآیندهای تک مولکولی نامیده می شوند. فعل و انفعالات پیچیده شامل چندین تعامل متوالی ابتدایی است، بنابراین هر مرحله به طور جداگانه در نظر گرفته می شود.