קצב התגובה הוא ערך המראה את השינוי בריכוז המגיבים לאורך תקופה. על מנת להעריך את גודלו, יש צורך לשנות את התנאים הראשוניים של התהליך.
אינטראקציות הומוגניות
קצב התגובה בין כמה תרכובות שנמצאות באותה צורה מצרפית תלוי בנפח החומרים שנלקחו. מנקודת מבט מתמטית, ניתן לבטא את הקשר בין קצב תהליך הומוגני לבין השינוי בריכוז ליחידת זמן.
דוגמה לאינטראקציה כזו היא חמצון של תחמוצת חנקן (2) לחנקן תחמוצת (4).
תהליכים הטרוגניים
קצב התגובה לחומרי מוצא במצבי צבירה שונים מאופיין במספר מולים של ריאגנטים התחלתיים ליחידת שטח ליחידת זמן.
אינטראקציות הטרוגניות אופייניות למערכות שיש להן מצבי צבירה שונים.
לסיכום, אנו מציינים שקצב התגובה מדגים את השינוי במספר השומות של הריאגנטים הראשוניים (תוצרי התגובה) עבורפרק זמן, לכל ממשק יחידה או לכל יחידת נפח.
ריכוז
בואו נשקול את הגורמים העיקריים המשפיעים על קצב התגובה. נתחיל בריכוז. תלות כזו באה לידי ביטוי בחוק הפעולה ההמונית. קיים קשר ישיר בין התוצר של ריכוזי החומרים המקיימים אינטראקציה, במונחים של המקדמים הסטריאוכימיים שלהם, לבין מהירות התגובה.
שקול את המשוואה aA + bB=cC + dD, כאשר A, B, C, D הם נוזלים או גזים. עבור התהליך הנ ל, ניתן לכתוב את המשוואה הקינטית תוך התחשבות במקדם המידתיות, שיש לו ערך משלו לכל אינטראקציה.
כסיבה העיקרית לעלייה במהירות, ניתן לציין עלייה במספר ההתנגשויות של חלקיקים מגיבים ליחידת נפח.
טמפרטורה
שקול את השפעת הטמפרטורה על קצב התגובה. תהליכים המתרחשים במערכות הומוגניות אפשריים רק כאשר חלקיקים מתנגשים. אבל לא כל ההתנגשויות מובילות להיווצרות תוצרי תגובה. רק במקרה שלחלקיקים יש אנרגיה מוגברת. כאשר הריאגנטים מחוממים, נצפית עלייה באנרגיה הקינטית של החלקיקים, מספר המולקולות הפעילות עולה, ולכן נצפית עלייה בקצב התגובה. הקשר בין מדד הטמפרטורה לקצב התהליך נקבע על ידי כלל ואן'ט הוף: כל עליית טמפרטורה ב-10°C מובילה לעלייה בקצב התהליך פי 2-4.
Catalyst
בהתחשב בגורמים המשפיעים על קצב התגובה, בואו נתמקד בחומרים שיכולים להגביר את מהירות התהליך, כלומר בזרזים. בהתאם למצב הצבירה של הזרז והמגיבים, מבחינים במספר סוגים של קטליזה:
- צורה הומוגנית, שבה המגיבים והזרז הם בעלי אותו מצב צבירה;
- הטרוגני כאשר מגיבים וזרז נמצאים באותו שלב.
ניתן להבחין בניקל, פלטינה, רודיום, פלדיום כדוגמאות לחומרים המאיצים אינטראקציות.
מעכבים הם חומרים שמאטים תגובה.
אזור יצירת קשר
מה עוד קובע את קצב התגובה? הכימיה מחולקת למספר חלקים, שכל אחד מהם עוסק בהתייחסות לתהליכים ותופעות מסוימות. קורס הכימיה הפיזיקלית בוחן את הקשר בין אזור המגע למהירות התהליך.
כדי להגדיל את שטח המגע של הריאגנטים, הם נמחצים לגודל מסוים. האינטראקציה המהירה ביותר מתרחשת בתמיסות, וזו הסיבה שתגובות רבות מבוצעות במדיום מימי.
בעת טחינת מוצקים, יש להקפיד על מידה. לדוגמה, כאשר הפיריט (ברזל גופרתי) הופך לאבק, חלקיקיו מושחתים בכבשן, מה שמשפיע לרעה על קצב תהליך החמצון של תרכובת זו, והתפוקה של דו תחמוצת הגופרית פוחתת.
Reagents
בוא ננסה להבין איך לקבוע את קצב התגובה בהתאם לאיזה ריאגנטים יש אינטראקציה? לדוגמה, מתכות פעילות הממוקמות בסדרה האלקטרוכימית של Beketov לפני המימן מסוגלות ליצור אינטראקציה עם תמיסות חומצה, ולאלה שנמצאות אחרי H2 אין יכולת כזו. הסיבה לתופעה זו נעוצה בפעילות הכימית השונה של מתכות.
לחץ
איך קצב התגובה קשור לערך זה? כימיה היא מדע שקשור קשר הדוק לפיזיקה, ולכן התלות היא פרופורציונלית, היא מוסדרת על ידי חוקי גז. יש קשר ישיר בין הכמויות. וכדי להבין איזה חוק קובע את קצב התגובה הכימית, יש צורך לדעת את מצב הצבירה וריכוז הריאגנטים.
סוגי מהירויות בכימיה
נהוג לייחד ערכים מיידיים וממוצעים. הקצב הממוצע של אינטראקציה כימית מוגדר כהבדל בריכוזי המגיבים לאורך תקופת זמן.
הערך המתקבל הוא שלילי כאשר הריכוז יורד, חיובי כאשר ריכוז תוצרי האינטראקציה עולה.
הערך האמיתי (הרגעי) הוא יחס כזה ביחידת זמן מסוימת.
במערכת SI, קצב תהליך כימי מתבטא ב-[mol×m-3×s-1].
בעיות בכימיה
בוא נסתכל על כמה דוגמאות לבעיות הקשורות לקביעת מהירות.
דוגמה 1. בכלור ומימן מעורבבים בכלי, ואז התערובת מחוממת. לאחר 5 שניות, ריכוז המימן כלורי קיבל ערך של 0.05 מול/דמ"ש3. חשב את קצב היווצרות הממוצע של מימן כלורי (מול/דמ"ש3 s).
יש צורך לקבוע את השינוי בריכוז מימן כלורי 5 שניות לאחר האינטראקציה, תוך הפחתת הערך ההתחלתי מהריכוז הסופי:
C(HCl)=c2 - c1=0.05 - 0=0.05 mol/dm3.
חשב את קצב היווצרות הממוצע של מימן כלורי:
V=0.05/5=0.010 mol/dm3 ×s.
דוגמה 2. בכלי עם נפח של 3 dm3, התהליך הבא מתרחש:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
המסה הראשונית של מימן היא 1 גרם. שתי שניות לאחר תחילת האינטראקציה, מסת המימן קיבלה ערך של 0.4 גרם. חשב את הקצב הממוצע של ייצור אתאן (mol/dm 3×s).
מסת המימן שהגיב מוגדרת כהפרש בין הערך ההתחלתי למספר הסופי. זה 1 - 0.4=0.6 (גרם). כדי לקבוע את מספר מולים של מימן, יש צורך לחלק אותו במסה המולרית של גז נתון: n \u003d 0.6/2 \u003d 0.3 mol. לפי המשוואה, מולה אחת של אתאן נוצרת מ-2 מולים של מימן, לכן, מ-0.3 מולים של H2 נקבל 0.15 מולים של אתאן.
קבע את ריכוז הפחמימן שנוצר, נקבל 0.05 מול/דמ ש3. לאחר מכן תוכל לחשב את הקצב הממוצע של היווצרותו:=0.025 mol/dm3 ×s.
מסקנה
גורמים שונים משפיעים על קצב האינטראקציה הכימית: אופי החומרים המגיבים (אנרגיית ההפעלה), ריכוזם, נוכחות זרז, מידת הטחינה, לחץ, סוג הקרינה.
במחצית השנייה של המאה התשע-עשרה, פרופסור נ.נ. בקטוב הציע שיש קשר בין המוני הריאגנטים הראשוניים לבין משך התהליך. השערה זו אושרה בחוק הפעולה ההמונית, שהוקם ב-1867 על ידי כימאים נורבגים: P. Wage ו-K. Guldberg.
כימיה פיזיקלית חוקרת את המנגנון והמהירות של תהליכים שונים. התהליכים הפשוטים ביותר המתרחשים בשלב אחד נקראים תהליכים מונומולקולריים. אינטראקציות מורכבות כוללות מספר אינטראקציות עוקבות בסיסיות, כך שכל שלב נחשב בנפרד.
כדי להשיג את התפוקה המקסימלית של תוצרי תגובה בעלויות אנרגיה מינימליות, חשוב לקחת בחשבון את הגורמים העיקריים המשפיעים על מהלך התהליך.
לדוגמה, כדי להאיץ את תהליך הפירוק של מים לחומרים פשוטים, יש צורך בזרז שתפקידו מתבצע על ידי תחמוצת מנגן (4).
כל הניואנסים הקשורים לבחירת הריאגנטים, בחירת הלחץ והטמפרטורה האופטימליים, ריכוז הריאגנטים נחשבים בקינטיקה כימית.
