อัตราการเกิดปฏิกิริยาในการวิเคราะห์ทางเคมี อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีและปัจจัยที่มีอิทธิพล

หัวข้อของตัวประมวลผลการตรวจสอบ Unified State:ความเร็วของปฏิกิริยา มันขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ

อัตราของปฏิกิริยาเคมีแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยานั้นเกิดขึ้นได้เร็วเพียงใด ปฏิสัมพันธ์เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคชนกันในอวกาศ ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้นทุกครั้งที่ชนกัน แต่จะเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคมีพลังงานที่เหมาะสมเท่านั้น

ความเร็วของปฏิกิริยา – จำนวนการชนกันเบื้องต้นของอนุภาคที่มีปฏิกิริยาโต้ตอบซึ่งสิ้นสุดด้วยการเปลี่ยนแปลงทางเคมีต่อหน่วยเวลา

การกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสัมพันธ์กับสภาวะที่เกิดขึ้น หากเกิดปฏิกิริยา เป็นเนื้อเดียวกัน- เช่น. ผลิตภัณฑ์และรีเอเจนต์อยู่ในเฟสเดียวกัน - ดังนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจึงถูกกำหนดเป็นการเปลี่ยนแปลงของสารต่อหน่วยเวลา:

υ = ΔC / Δt

หากสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์อยู่ในเฟสที่แตกต่างกัน และการชนกันของอนุภาคเกิดขึ้นเฉพาะที่ขอบเขตเฟสเท่านั้น ปฏิกิริยานั้นจะถูกเรียกว่า ต่างกันและความเร็วถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยของพื้นผิวปฏิกิริยา:

υ = Δν / (S·Δt)

จะทำให้อนุภาคชนกันบ่อยขึ้นได้อย่างไร เช่น ยังไง เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี?

1. วิธีที่ง่ายที่สุดคือการเพิ่มขึ้น อุณหภูมิ - ดังที่คุณคงทราบจากหลักสูตรฟิสิกส์ อุณหภูมิเป็นตัววัดพลังงานจลน์เฉลี่ยในการเคลื่อนที่ของอนุภาคของสาร ถ้าเราเพิ่มอุณหภูมิ อนุภาคของสารใด ๆ ก็เริ่มเคลื่อนที่เร็วขึ้นและชนกันบ่อยขึ้น

อย่างไรก็ตาม เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้น สาเหตุหลักมาจากจำนวนการชนที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น จำนวนอนุภาคออกฤทธิ์ที่สามารถเอาชนะกำแพงพลังงานของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ถ้าเราลดอุณหภูมิลง อนุภาคจะเริ่มเคลื่อนที่ช้าลง จำนวนอนุภาคที่ทำงานอยู่จะลดลง และจำนวนการชนที่มีประสิทธิผลต่อวินาทีจะลดลง ดังนั้น, เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้น และเมื่ออุณหภูมิลดลงก็จะลดลง.

ใส่ใจ! กฎนี้ใช้ได้ผลเหมือนกันกับปฏิกิริยาเคมีทั้งหมด (รวมถึงปฏิกิริยาคายความร้อนและปฏิกิริยาดูดความร้อน) อัตราการเกิดปฏิกิริยาไม่ขึ้นกับผลกระทบจากความร้อน อัตราการเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และลดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง อัตราของปฏิกิริยาดูดความร้อนยังเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและลดลงเมื่ออุณหภูมิลดลง

ยิ่งไปกว่านั้น ย้อนกลับไปในศตวรรษที่ 19 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Van't Hoff ได้ทำการทดลองว่าปฏิกิริยาส่วนใหญ่จะเพิ่มความเร็วของพวกมันประมาณเท่าๆ กัน (ประมาณ 2-4 เท่า) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 o C กฎของ Van't Hoff มีเสียงดังนี้: การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ 10 o C ทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเพิ่มขึ้น 2-4 เท่า (ค่านี้เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของอัตราปฏิกิริยาเคมี γ) ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิที่แน่นอนถูกกำหนดไว้สำหรับแต่ละปฏิกิริยา

ที่นี่ โวลต์ 2 - อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ T 2, v 1 - อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ T 1, γ — ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของอัตราการเกิดปฏิกิริยา, ค่าสัมประสิทธิ์แวนต์ฮอฟฟ์

ในบางสถานการณ์ ไม่สามารถเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยใช้อุณหภูมิได้เสมอไป เนื่องจาก สารบางชนิดสลายตัวเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น สารหรือตัวทำละลายบางชนิดระเหยเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เป็นต้น กล่าวคือ เงื่อนไขของกระบวนการถูกละเมิด

2. ความเข้มข้น คุณยังสามารถเพิ่มจำนวนการชนกันที่มีผลได้โดยการเปลี่ยนแปลง ความเข้มข้น สารตั้งต้น - มักใช้กับก๊าซและของเหลวเพราะว่า ในก๊าซและของเหลว อนุภาคจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วและผสมกันอย่างแข็งขัน ยิ่งความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา (ของเหลว ก๊าซ) ยิ่งมาก จำนวนการชนที่มีประสิทธิภาพก็จะยิ่งมากขึ้น และอัตราของปฏิกิริยาเคมีก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย

จากการทดลองจำนวนมากในปี พ.ศ. 2410 ในงานของนักวิทยาศาสตร์ชาวนอร์เวย์ P. Guldenberg และ P. Waage และในปี พ.ศ. 2408 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย N.I. Beketov ได้รับกฎพื้นฐานของจลนพลศาสตร์เคมี โดยกำหนดอัตราการขึ้นต่อปฏิกิริยาเคมีกับความเข้มข้นของสารตั้งต้น:

อัตราของปฏิกิริยาเคมีเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยาซึ่งมีกำลังเท่ากับค่าสัมประสิทธิ์ของสารในสมการของปฏิกิริยาเคมี

สำหรับปฏิกิริยาเคมีในรูปแบบ: aA + bB = cC + dD กฎแห่งการกระทำมวลเขียนดังนี้:

โดยที่ v คืออัตราของปฏิกิริยาเคมี

ซี เอ และ ซี บี — ความเข้มข้นของสาร A และ B ตามลำดับ โมล/ลิตร

เค – ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน, ค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยา

ตัวอย่างเช่นสำหรับปฏิกิริยาการเกิดแอมโมเนีย:

ยังไม่มีข้อความ 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

กฎแห่งการกระทำมวลชนมีลักษณะดังนี้:

ค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะแสดงความเร็วที่สารจะทำปฏิกิริยาหากความเข้มข้นของสารเป็น 1 โมล/ลิตร หรือผลคูณของสารนั้นเท่ากับ 1 อัตราคงที่ของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา

กฎแห่งการกระทำของมวลไม่ได้คำนึงถึงความเข้มข้นของของแข็งเพราะว่า ตามกฎแล้วพวกมันจะทำปฏิกิริยาบนพื้นผิว และจำนวนอนุภาคที่ทำปฏิกิริยาต่อหน่วยพื้นผิวจะไม่เปลี่ยนแปลง

ในกรณีส่วนใหญ่ ปฏิกิริยาเคมีประกอบด้วยขั้นตอนง่ายๆ หลายขั้นตอน ซึ่งในกรณีนี้สมการของปฏิกิริยาเคมีจะแสดงเฉพาะสมการสรุปหรือสมการสุดท้ายของกระบวนการที่เกิดขึ้นเท่านั้น ในกรณีนี้ อัตราของปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้น ตัวกลาง หรือตัวเร่งปฏิกิริยาในวิธีที่ซับซ้อน (หรือไม่ขึ้นอยู่กับ) ดังนั้น รูปแบบที่แน่นอนของสมการจลน์จึงถูกกำหนดโดยการทดลอง หรือขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์ของ กลไกการเกิดปฏิกิริยาที่นำเสนอ โดยทั่วไป อัตราของปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อนจะถูกกำหนดโดยอัตราของขั้นตอนที่ช้าที่สุด ( ขั้นตอนการจำกัด).

3. ความกดดันสำหรับก๊าซความเข้มข้นจะขึ้นอยู่กับโดยตรง ความดัน- เมื่อความดันเพิ่มขึ้น ความเข้มข้นของก๊าซจะเพิ่มขึ้น การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของการพึ่งพานี้ (สำหรับก๊าซในอุดมคติ) คือสมการ Mendeleev-Clapeyron:

พีวี = νRT

ดังนั้นหากในบรรดาสารตั้งต้นมีสารที่เป็นก๊าซอยู่ด้วยแล้วเมื่อใด เมื่อความดันเพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีจะเพิ่มขึ้น เมื่อความดันลดลง ก็จะลดลง .

ตัวอย่างเช่น.อัตราการเกิดปฏิกิริยาของการหลอมรวมของมะนาวกับซิลิคอนออกไซด์จะเปลี่ยนไปอย่างไร:

CaCO 3 + SiO 2 ↔ CaSiO 3 + CO 2

เมื่อความดันเพิ่มขึ้น?

คำตอบที่ถูกต้องคือ - ไม่ใช่เลย เพราะ... ไม่มีก๊าซในหมู่รีเอเจนต์ และแคลเซียมคาร์บอเนตเป็นเกลือแข็ง ไม่ละลายในน้ำ ซิลิคอนออกไซด์เป็นของแข็ง ก๊าซของผลิตภัณฑ์จะเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ แต่ ผลิตภัณฑ์ไม่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยตรง

อีกวิธีหนึ่งในการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีคือการกำหนดให้มันไปตามเส้นทางอื่น โดยแทนที่อันตรกิริยาโดยตรง เช่น ของสาร A และ B ด้วยชุดของปฏิกิริยาตามลำดับด้วยสารตัวที่สาม K ซึ่งต้องการพลังงานน้อยกว่ามาก ( มีอุปสรรคพลังงานกระตุ้นต่ำกว่า) และเกิดขึ้นในสภาวะที่กำหนดเร็วกว่าปฏิกิริยาโดยตรง สารที่ ๓ นี้เรียกว่า ตัวเร่งปฏิกิริยา .

- สิ่งเหล่านี้เป็นสารเคมีที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีซึ่งเปลี่ยนความเร็วและทิศทางของมัน แต่ ไม่สิ้นเปลืองระหว่างการทำปฏิกิริยา (เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา จะไม่เปลี่ยนแปลงทั้งปริมาณหรือองค์ประกอบ) กลไกโดยประมาณสำหรับการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาประเภท A + B สามารถเลือกได้ดังนี้:

เอ+เค=เอเค

AK + B = AB + เค

กระบวนการเปลี่ยนอัตราการเกิดปฏิกิริยาเมื่อทำปฏิกิริยากับตัวเร่งปฏิกิริยาเรียกว่า การเร่งปฏิกิริยา- ตัวเร่งปฏิกิริยามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเมื่อจำเป็นต้องเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาหรือกำหนดทิศทางไปตามเส้นทางเฉพาะ

ขึ้นอยู่กับสถานะเฟสของตัวเร่งปฏิกิริยา การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกันจะแตกต่างกัน

การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน – นี่คือเมื่อสารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในเฟสเดียวกัน (แก๊ส สารละลาย) ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยทั่วไปคือกรดและเบส เอมีนอินทรีย์ ฯลฯ

การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน - นี่คือช่วงที่สารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในเฟสที่ต่างกัน ตามกฎแล้วตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันคือสารที่เป็นของแข็ง เพราะ ปฏิสัมพันธ์ในตัวเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นเฉพาะบนพื้นผิวของสารเท่านั้น ข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาคือพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันนั้นมีลักษณะที่มีความพรุนสูงซึ่งจะเพิ่มพื้นที่ผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นพื้นที่ผิวรวมของตัวเร่งปฏิกิริยาบางตัวบางครั้งถึง 500 ตารางเมตรต่อตัวเร่งปฏิกิริยา 1 กรัม พื้นที่ขนาดใหญ่และความพรุนช่วยให้แน่ใจว่ามีปฏิสัมพันธ์กับรีเอเจนต์อย่างมีประสิทธิผล ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกัน ได้แก่ โลหะ ซีโอไลต์ - แร่ธาตุที่เป็นผลึกของกลุ่มอะลูมิโนซิลิเกต (สารประกอบของซิลิคอนและอะลูมิเนียม) และอื่นๆ

ตัวอย่างการเร่งปฏิกิริยาต่างกัน – การสังเคราะห์แอมโมเนีย:

ยังไม่มีข้อความ 2 + 3H 2 ↔ 2NH 3

เหล็กที่มีรูพรุนซึ่งมีสารเจือปน Al 2 O 3 และ K 2 O ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา

ตัวเร่งปฏิกิริยาจะไม่ถูกใช้ในระหว่างปฏิกิริยาเคมี แต่สารอื่น ๆ สะสมบนพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ผูกมัดศูนย์กลางที่ใช้งานอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาและปิดกั้นการทำงานของมัน ( สารพิษเร่งปฏิกิริยา- ต้องกำจัดพวกมันออกเป็นประจำโดยสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาขึ้นมาใหม่

ในปฏิกิริยาทางชีวเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยามีประสิทธิภาพมาก - เอนไซม์- ตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ทำหน้าที่อย่างมีประสิทธิภาพและเลือกสรรได้สูง โดยสามารถเลือกได้ 100% น่าเสียดายที่เอนไซม์มีความไวต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ความเป็นกรดของสิ่งแวดล้อม และปัจจัยอื่นๆ มาก ดังนั้นจึงมีข้อจำกัดหลายประการสำหรับการดำเนินกระบวนการที่มีการเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ในระดับอุตสาหกรรม

ไม่ควรสับสนกับตัวเร่งปฏิกิริยา ผู้ริเริ่มกระบวนการและ สารยับยั้ง. ตัวอย่างเช่นการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตเป็นสิ่งจำเป็นในการเริ่มต้นปฏิกิริยารุนแรงของมีเทนคลอรีน นี่ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยารุนแรงบางอย่างเกิดขึ้นจากอนุมูลเปอร์ออกไซด์ สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย

สารยับยั้ง- สารเหล่านี้เป็นสารที่ทำให้ปฏิกิริยาเคมีช้าลง สารยับยั้งสามารถบริโภคและมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีได้ ในกรณีนี้ สารยับยั้งไม่ใช่ตัวเร่งปฏิกิริยา ในทางกลับกัน โดยหลักการแล้วการเร่งปฏิกิริยาแบบย้อนกลับนั้นเป็นไปไม่ได้ - ไม่ว่าในกรณีใดปฏิกิริยาจะพยายามไปตามเส้นทางที่เร็วที่สุด

5. พื้นที่สัมผัสของสารที่ทำปฏิกิริยา สำหรับปฏิกิริยาที่ต่างกัน วิธีหนึ่งในการเพิ่มจำนวนการชนที่มีประสิทธิภาพคือการเพิ่ม พื้นที่ผิวของปฏิกิริยา - ยิ่งพื้นที่ผิวสัมผัสของเฟสการทำปฏิกิริยามีขนาดใหญ่เท่าใด อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่ต่างกันก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ผงสังกะสีจะละลายในกรดได้เร็วกว่าสังกะสีแบบเม็ดที่มีมวลเท่ากัน

ในอุตสาหกรรมเพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสของสารที่ทำปฏิกิริยาพวกเขาใช้ วิธีฟลูอิไดซ์เบด. ตัวอย่างเช่นในการผลิตกรดซัลฟิวริกโดยวิธีลาเดือด จะมีการเผาไพไรต์

6. ลักษณะของสารตั้งต้น - อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี หรือสิ่งอื่นๆ ที่เท่ากันก็ได้รับอิทธิพลจากคุณสมบัติทางเคมีเช่นกัน เช่น ลักษณะของสารที่ทำปฏิกิริยา สารออกฤทธิ์น้อยจะมีอุปสรรคในการกระตุ้นสูงกว่า และทำปฏิกิริยาช้ากว่าสารออกฤทธิ์มากกว่า สารออกฤทธิ์จะมีพลังงานกระตุ้นต่ำกว่า และเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีได้ง่ายกว่าและบ่อยกว่ามาก

ที่พลังงานกระตุ้นต่ำ (น้อยกว่า 40 กิโลจูล/โมล) ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและง่ายดายมาก ส่วนสำคัญของการชนกันระหว่างอนุภาคจะสิ้นสุดลงที่การเปลี่ยนแปลงทางเคมี ตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนไอออนเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะปกติ

ที่พลังงานกระตุ้นการทำงานสูง (มากกว่า 120 กิโลจูล/โมล) การชนเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี อัตราของปฏิกิริยาดังกล่าวมีน้อยมาก ตัวอย่างเช่น ไนโตรเจนในทางปฏิบัติแล้วไม่มีปฏิกิริยากับออกซิเจนภายใต้สภาวะปกติ

ที่พลังงานกระตุ้นโดยเฉลี่ย (จาก 40 ถึง 120 กิโลจูล/โมล) อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเป็นค่าเฉลี่ย ปฏิกิริยาดังกล่าวยังเกิดขึ้นภายใต้สภาวะปกติแต่ไม่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนสามารถสังเกตได้ด้วยตาเปล่า ปฏิกิริยาดังกล่าวรวมถึงปฏิกิริยาของโซเดียมกับน้ำ ปฏิกิริยาของเหล็กกับกรดไฮโดรคลอริก ฯลฯ

สารที่มีความคงตัวภายใต้สภาวะปกติมักจะมีพลังงานกระตุ้นสูง

หนึ่งในสาขาวิชาเคมีฟิสิกส์ จลนศาสตร์เคมี ศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีและสภาวะที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลง นอกจากนี้ยังตรวจสอบกลไกของปฏิกิริยาเหล่านี้และความถูกต้องทางอุณหพลศาสตร์ด้วย การศึกษาเหล่านี้มีความสำคัญไม่เพียงแต่สำหรับวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการติดตามปฏิกิริยาของส่วนประกอบในเครื่องปฏิกรณ์ในระหว่างการผลิตสารทุกประเภทอีกด้วย

แนวคิดเรื่องความเร็วในวิชาเคมี

อัตราการเกิดปฏิกิริยามักเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในความเข้มข้นของสารประกอบที่ทำปฏิกิริยา (ΔC) ต่อหน่วยเวลา (Δt) สูตรทางคณิตศาสตร์สำหรับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีมีดังนี้

ᴠ = ±ΔC/Δt

อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะวัดเป็นโมล/ลิตร ∙s หากเกิดขึ้นตลอดปริมาตรทั้งหมด (นั่นคือ ปฏิกิริยาเป็นเนื้อเดียวกัน) และในหน่วยโมล/ลูกบาศก์เมตร 2 ∙s หากอันตรกิริยาเกิดขึ้นบนพื้นผิวที่แยกเฟส (นั่นคือ ปฏิกิริยาต่างกัน) เครื่องหมาย “-” ในสูตรหมายถึงการเปลี่ยนแปลงในความเข้มข้นของสารตั้งต้นและเครื่องหมาย “+” หมายถึงการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ที่เกิดปฏิกิริยาเดียวกัน

ตัวอย่างปฏิกิริยาในอัตราต่างๆ

ปฏิกิริยาทางเคมีสามารถเกิดขึ้นได้ในอัตราที่ต่างกัน ดังนั้นอัตราการเติบโตของหินงอกหินย้อยซึ่งก็คือการก่อตัวของแคลเซียมคาร์บอเนตจึงอยู่ที่เพียง 0.5 มิลลิเมตรต่อ 100 ปี ปฏิกิริยาทางชีวเคมีบางอย่างเกิดขึ้นอย่างช้าๆ เช่น การสังเคราะห์ด้วยแสงและการสังเคราะห์โปรตีน การกัดกร่อนของโลหะเกิดขึ้นในอัตราที่ค่อนข้างต่ำ

ความเร็วปานกลางสามารถใช้เพื่ออธิบายปฏิกิริยาที่ต้องใช้เวลาหนึ่งถึงหลายชั่วโมง ตัวอย่างคือการปรุงอาหารซึ่งเกี่ยวข้องกับการสลายตัวและการเปลี่ยนแปลงของสารประกอบที่มีอยู่ในอาหาร การสังเคราะห์โพลีเมอร์แต่ละตัวจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่ส่วนผสมของปฏิกิริยาในช่วงระยะเวลาหนึ่ง

ตัวอย่างของปฏิกิริยาเคมีที่มีความเร็วค่อนข้างสูงคือ ปฏิกิริยาการทำให้เป็นกลาง ปฏิกิริยาของโซเดียมไบคาร์บอเนตกับสารละลายกรดอะซิติกพร้อมกับการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ คุณยังสามารถพูดถึงปฏิกิริยาของแบเรียมไนเตรตกับโซเดียมซัลเฟตซึ่งมีการตกตะกอนของแบเรียมซัลเฟตที่ไม่ละลายน้ำ

ปฏิกิริยาจำนวนมากสามารถเกิดขึ้นได้ที่ความเร็วฟ้าผ่าและเกิดพร้อมกับการระเบิด ตัวอย่างคลาสสิกคือปฏิกิริยาระหว่างโพแทสเซียมกับน้ำ

ปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

เป็นที่น่าสังเกตว่าสารชนิดเดียวกันสามารถทำปฏิกิริยากันในอัตราที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น ส่วนผสมของก๊าซออกซิเจนและไฮโดรเจนอาจไม่แสดงสัญญาณของปฏิกิริยากันเป็นเวลานาน แต่เมื่อภาชนะถูกเขย่าหรือกระแทก ปฏิกิริยาจะเกิดการระเบิด ดังนั้นจลนพลศาสตร์เคมีจึงระบุปัจจัยบางอย่างที่มีความสามารถในการมีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ซึ่งรวมถึง:

ลักษณะของสารที่ทำปฏิกิริยากัน
ความเข้มข้นของรีเอเจนต์
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
การปรากฏตัวของตัวเร่งปฏิกิริยา;
การเปลี่ยนแปลงความดัน (สำหรับสารที่เป็นก๊าซ)
พื้นที่สัมผัสของสาร (ถ้าเรากำลังพูดถึงปฏิกิริยาที่ต่างกัน)

อิทธิพลของธรรมชาติของสาร

ความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในอัตราของปฏิกิริยาเคมีอธิบายได้ด้วยค่าพลังงานกระตุ้น (Ea) ที่แตกต่างกัน เป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นพลังงานส่วนเกินจำนวนหนึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับค่าเฉลี่ยที่โมเลกุลต้องการระหว่างการชนเพื่อให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้น มีหน่วยวัดเป็น kJ/mol และค่ามักจะอยู่ในช่วง 50-250

เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าถ้า E a = 150 kJ/mol สำหรับปฏิกิริยาใดๆ แล้วที่ n คุณ มันไม่รั่วไหลในทางปฏิบัติ พลังงานนี้ถูกใช้ไปกับการเอาชนะแรงผลักระหว่างโมเลกุลของสารและทำให้พันธะในสารดั้งเดิมอ่อนลง กล่าวอีกนัยหนึ่ง พลังงานกระตุ้นแสดงถึงความแข็งแกร่งของพันธะเคมีในสารต่างๆ ขึ้นอยู่กับค่าของพลังงานกระตุ้น คุณสามารถประมาณอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเบื้องต้นได้:

อีเอ< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
E a >120 การชนกันของอนุภาคเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้นที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยา และความเร็วของมันจะต่ำ

ผลของความเข้มข้น

การขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาต่อความเข้มข้นนั้นมีลักษณะที่แม่นยำที่สุดโดยกฎการออกฤทธิ์ของมวล (LMA) ซึ่งระบุว่า:

อัตราของปฏิกิริยาเคมีเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยาซึ่งค่าที่ได้จะมีกำลังที่สอดคล้องกับสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์

กฎนี้เหมาะสำหรับปฏิกิริยาเบื้องต้นในขั้นตอนเดียวหรือขั้นตอนใด ๆ ของอันตรกิริยาของสารที่มีกลไกที่ซับซ้อน

หากคุณต้องการกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสมการที่สามารถเขียนตามเงื่อนไขได้ดังนี้:

αA+ bB = ϲС ดังนั้น

ตามที่กำหนดของกฎหมายข้างต้นสามารถหาความเร็วได้โดยใช้สมการ:

V=k·[A] a ·[B] b โดยที่

a และ b เป็นสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์

[A] และ [B] คือความเข้มข้นของสารประกอบตั้งต้น

k คือค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยาที่กำลังพิจารณา

ความหมายของค่าสัมประสิทธิ์อัตราของปฏิกิริยาเคมีคือค่าของมันจะเท่ากับอัตราถ้าความเข้มข้นของสารประกอบเท่ากับหน่วย ควรสังเกตว่าสำหรับการคำนวณที่ถูกต้องโดยใช้สูตรนี้ควรคำนึงถึงสถานะการรวมตัวของรีเอเจนต์ด้วย ความเข้มข้นของของแข็งถือเป็นเอกภาพและไม่รวมอยู่ในสมการเนื่องจากความเข้มข้นของของแข็งจะคงที่ในระหว่างการทำปฏิกิริยา ดังนั้นเฉพาะความเข้มข้นของสารของเหลวและก๊าซเท่านั้นที่จะรวมอยู่ในการคำนวณตาม ZDM ดังนั้นสำหรับปฏิกิริยาการผลิตซิลิคอนไดออกไซด์จากสารอย่างง่าย ๆ อธิบายไว้ในสมการ

ศรี (ทีวี) + Ο 2(g) = SiΟ 2(ทีวี) ,

ความเร็วจะถูกกำหนดโดยสูตร:

งานทั่วไป

อัตราปฏิกิริยาเคมีของไนโตรเจนมอนอกไซด์กับออกซิเจนจะเปลี่ยนไปอย่างไรหากความเข้มข้นของสารประกอบตั้งต้นเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า

วิธีแก้ปัญหา: กระบวนการนี้สอดคล้องกับสมการปฏิกิริยา:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2.

ให้เราเขียนนิพจน์สำหรับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้น (ᴠ 1) และสุดท้าย (ᴠ 2):

ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ] และ

ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ].

ᴠ 1 /ᴠ 2 = (k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ]) / (k·[ΝΟ] 2 ·[Ο 2 ])

ᴠ 2 /ᴠ 1 = 4 2/1 = 8.

คำตอบ: เพิ่มขึ้น 8 เท่า

ผลกระทบของอุณหภูมิ

การพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับอุณหภูมิถูกกำหนดโดยการทดลองโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ J. H. van't Hoff เขาพบว่าอัตราของปฏิกิริยาหลายอย่างเพิ่มขึ้น 2-4 เท่า เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นทุกๆ 10 องศา มีนิพจน์ทางคณิตศาสตร์สำหรับกฎนี้ที่มีลักษณะดังนี้:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10 โดยที่

ᴠ 1 และ ᴠ 2 - ความเร็วที่สอดคล้องกันที่อุณหภูมิ Τ 1 และ Τ 2;

γ - ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเท่ากับ 2-4

ในเวลาเดียวกันกฎนี้ไม่ได้อธิบายกลไกของอิทธิพลของอุณหภูมิต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉพาะและไม่ได้อธิบายรูปแบบทั้งชุด มีเหตุผลที่จะสรุปได้ว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่วุ่นวายจะรุนแรงขึ้น และกระตุ้นให้เกิดการชนกันมากขึ้น อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่ได้ส่งผลกระทบเป็นพิเศษต่อประสิทธิภาพของการชนกันของโมเลกุล เนื่องจากขึ้นอยู่กับพลังงานกระตุ้นเป็นหลัก นอกจากนี้การติดต่อเชิงพื้นที่ระหว่างกันยังมีบทบาทสำคัญในประสิทธิภาพของการชนกันของอนุภาค

การขึ้นอยู่กับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับอุณหภูมิโดยคำนึงถึงธรรมชาติของรีเอเจนต์นั้นเป็นไปตามสมการของ Arrhenius:

k = A 0 e -Ea/RΤ โดยที่

A o เป็นตัวคูณ

E a - พลังงานกระตุ้น

ตัวอย่างปัญหาการใช้กฎของแวนต์ ฮอฟฟ์

ควรเปลี่ยนอุณหภูมิอย่างไรเพื่อให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเท่ากับ 3 เพิ่มขึ้น 27 เท่า?

สารละลาย. ลองใช้สูตรกัน

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10

จากเงื่อนไข ᴠ 2 /ᴠ 1 = 27 และ γ = 3 คุณต้องหา ΔΤ = Τ 2 -Τ 1

การแปลงสูตรดั้งเดิมที่เราได้รับ:

V 2 /V 1 =γ ΔΤ/10

เราแทนค่า: 27 = 3 ΔΤ/10

จากนี้เห็นได้ชัดว่า ΔΤ/10 = 3 และ ΔΤ = 30

คำตอบ: อุณหภูมิควรเพิ่มขึ้น 30 องศา

ผลกระทบของตัวเร่งปฏิกิริยา

ในเคมีฟิสิกส์ อัตราของปฏิกิริยาเคมียังได้รับการศึกษาอย่างจริงจังในส่วนที่เรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา เขาสนใจว่าสารบางชนิดในปริมาณที่ค่อนข้างน้อยจะเพิ่มอัตราการปฏิสัมพันธ์ของสารอื่นๆ ได้อย่างไรและทำไม สารที่สามารถเร่งปฏิกิริยาได้แต่ไม่ได้ถูกใช้ไปในนั้นเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา

ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเปลี่ยนกลไกของปฏิกิริยาทางเคมีและมีส่วนทำให้เกิดสถานะการเปลี่ยนแปลงใหม่ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยความสูงของกำแพงพลังงานที่ต่ำกว่า กล่าวคือ ช่วยลดพลังงานกระตุ้น และเพิ่มจำนวนผลกระทบของอนุภาคที่มีประสิทธิภาพ ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาที่เป็นไปไม่ได้อย่างมีพลัง

ดังนั้นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์จึงสามารถสลายตัวเป็นออกซิเจนและน้ำได้:

Н 2 Ο 2 = Н 2 Ο + Ο 2 .

แต่ปฏิกิริยานี้ช้ามากและในชุดปฐมพยาบาลของเรานั้นไม่มีการเปลี่ยนแปลงมาเป็นเวลานาน เมื่อเปิดเฉพาะขวดเปอร์ออกไซด์ที่เก่ามาก คุณอาจสังเกตเห็นเสียงแตกเล็กน้อยที่เกิดจากแรงดันออกซิเจนบนผนังของถัง การเติมแมกนีเซียมออกไซด์เพียงไม่กี่เม็ดจะกระตุ้นให้เกิดการปล่อยก๊าซที่ออกฤทธิ์

ปฏิกิริยาเดียวกันของการสลายตัวของเปอร์ออกไซด์ แต่ภายใต้อิทธิพลของตัวเร่งปฏิกิริยาเกิดขึ้นเมื่อรักษาบาดแผล สิ่งมีชีวิตประกอบด้วยสารหลายชนิดที่เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาทางชีวเคมี มักเรียกว่าเอนไซม์

สารยับยั้งมีผลตรงกันข้ามกับปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่สิ่งที่เลวร้ายเสมอไป สารยับยั้งใช้เพื่อปกป้องผลิตภัณฑ์โลหะจากการกัดกร่อน เพื่อยืดอายุการเก็บอาหาร เช่น เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันของไขมัน

บริเวณที่สัมผัสกับสาร

ในกรณีที่ปฏิกิริยาเกิดขึ้นระหว่างสารประกอบที่มีสถานะการรวมตัวต่างกัน หรือระหว่างสารที่ไม่สามารถสร้างสภาพแวดล้อมที่เป็นเนื้อเดียวกันได้ (ของเหลวที่ผสมไม่ได้) ปัจจัยนี้ยังส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีอีกด้วย นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าปฏิกิริยาต่างกันเกิดขึ้นโดยตรงที่ส่วนต่อประสานระหว่างเฟสของสารที่มีปฏิกิริยา แน่นอนว่ายิ่งขอบเขตนี้กว้างขึ้นเท่าใด อนุภาคก็ยิ่งมีโอกาสที่จะชนกันมากขึ้นเท่านั้น และปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเร็วขึ้นเท่านั้น

ตัวอย่างเช่น มันจะไปเร็วกว่าในรูปของชิปขนาดเล็กมากกว่าในรูปของท่อนไม้ เพื่อจุดประสงค์เดียวกัน ของแข็งจำนวนมากจะถูกบดเป็นผงละเอียดก่อนที่จะเติมลงในสารละลาย ดังนั้นชอล์กที่เป็นผง (แคลเซียมคาร์บอเนต) จึงออกฤทธิ์กับกรดไฮโดรคลอริกได้เร็วกว่าชิ้นส่วนที่มีมวลเท่ากัน อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากการเพิ่มพื้นที่แล้ว เทคนิคนี้ยังนำไปสู่การแตกของโครงผลึกของสารอย่างวุ่นวาย ดังนั้นจึงเพิ่มปฏิกิริยาของอนุภาค

ในทางคณิตศาสตร์ อัตราของปฏิกิริยาเคมีต่างกันพบได้จากการเปลี่ยนแปลงในปริมาณของสาร (Δν) ที่เกิดขึ้นต่อหน่วยเวลา (Δt) ต่อหน่วยพื้นผิว

(S): V = Δν/(S·Δt)

ผลกระทบของแรงกดดัน

การเปลี่ยนแปลงความดันในระบบจะมีผลก็ต่อเมื่อก๊าซมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเท่านั้น ความดันที่เพิ่มขึ้นจะมาพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของโมเลกุลของสารต่อหน่วยปริมาตรนั่นคือความเข้มข้นของสารจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน ในทางกลับกัน ความดันที่ลดลงจะทำให้ความเข้มข้นของรีเอเจนต์ลดลงเท่ากัน ในกรณีนี้ สูตรที่สอดคล้องกับ ZDM เหมาะสำหรับการคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

งาน. อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่อธิบายโดยสมการจะเพิ่มขึ้นอย่างไร

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2,

ถ้าปริมาตรของระบบปิดลดลงสามเท่า (T=const)?

สารละลาย. เมื่อปริมาตรลดลง ความดันจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน มาเขียนนิพจน์สำหรับอัตราปฏิกิริยาเริ่มต้น (V 1) และสุดท้าย (V 2):

V 1 = k 2 [Ο 2 ] และ

V 2 = k·(3·) 2 ·3·[Ο 2 ] = k·9[ΝΟ] 2 ·3[Ο 2 ].

หากต้องการทราบว่าความเร็วใหม่มากกว่าความเร็วเริ่มต้นกี่ครั้ง คุณควรแยกนิพจน์ด้านซ้ายและขวา:

V 1 /V 2 = (k 9[ΝΟ] 2 3[Ο 2 ]) / (k [ΝΟ] 2 [Ο 2 ])

ค่าความเข้มข้นและค่าคงที่อัตราจะลดลงและสิ่งที่เหลืออยู่คือ:

วี 2 /วี 1 = 9 3/1 = 27

คำตอบ: ความเร็วเพิ่มขึ้น 27 เท่า

โดยสรุป ควรสังเกตว่าความเร็วของอันตรกิริยาของสารหรือที่แม่นยำกว่านั้นคือปริมาณและคุณภาพของการชนกันของอนุภาคนั้นได้รับอิทธิพลจากหลายปัจจัย ประการแรก สิ่งเหล่านี้คือพลังงานกระตุ้นและรูปทรงของโมเลกุล ซึ่งแทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะแก้ไข สำหรับเงื่อนไขที่เหลือ หากต้องการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา ควร:

เพิ่มอุณหภูมิของตัวกลางปฏิกิริยา
เพิ่มความเข้มข้นของสารประกอบเริ่มต้น
เพิ่มแรงดันในระบบหรือลดปริมาตรหากเรากำลังพูดถึงก๊าซ
นำสารที่ไม่เหมือนกันมารวมกันในสถานะเดียว (เช่น โดยการละลายในน้ำ) หรือเพิ่มพื้นที่สัมผัสของสารเหล่านั้น

คำนิยาม

จลนพลศาสตร์เคมี– การศึกษาอัตราและกลไกของปฏิกิริยาเคมี

การศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาการรับข้อมูลเกี่ยวกับปัจจัยที่มีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีตลอดจนการศึกษากลไกของปฏิกิริยาเคมีนั้นดำเนินการทดลอง

คำนิยาม

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี– การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของหนึ่งในสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาต่อหน่วยเวลาด้วยปริมาตรคงที่ของระบบ

อัตราของปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันและปฏิกิริยาต่างกันถูกกำหนดไว้แตกต่างกัน

คำจำกัดความของการวัดอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสามารถเขียนได้ในรูปแบบทางคณิตศาสตร์ กำหนดให้เป็นอัตราของปฏิกิริยาเคมีในระบบที่เป็นเนื้อเดียวกัน n B คือจำนวนโมลของสารใดๆ ที่เกิดจากปฏิกิริยา V คือปริมาตรของระบบ และเป็นเวลา จากนั้นในขอบเขต:

สมการนี้สามารถทำให้ง่ายขึ้น - อัตราส่วนของปริมาณของสารต่อปริมาตรคือความเข้มข้นของโมลาร์ของสาร n B / V = c B โดยที่ dn B / V = dc B และสุดท้าย:

ในทางปฏิบัติ ความเข้มข้นของสารตั้งแต่หนึ่งชนิดขึ้นไปจะถูกวัดในช่วงเวลาหนึ่ง ความเข้มข้นของสารตั้งต้นลดลงเมื่อเวลาผ่านไป และความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น (รูปที่ 1)

ข้าว. 1. การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้น (a) และผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา (b) เมื่อเวลาผ่านไป

ปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ได้แก่ ลักษณะของสารตั้งต้น ความเข้มข้น อุณหภูมิ การมีอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยาในระบบ ความดันและปริมาตร (ในเฟสก๊าซ)

อิทธิพลของความเข้มข้นต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสัมพันธ์กับกฎพื้นฐานของจลนพลศาสตร์เคมี - กฎการออกฤทธิ์ (LMA): อัตราของปฏิกิริยาเคมีเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้น ยกกำลังของสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ ZDM ไม่ได้คำนึงถึงความเข้มข้นของสารในสถานะของแข็งในระบบที่ต่างกัน

สำหรับปฏิกิริยา mA +nB = pC +qD นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของ ZDM จะถูกเขียน:

K × C A m × C B n

K × [A] ม. × [B] n

โดยที่ k คืออัตราคงที่ของปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเป็นอัตราของปฏิกิริยาเคมีที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้น 1 โมล/ลิตร ต่างจากอัตราของปฏิกิริยาเคมี ค่า k ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้น ค่า k ยิ่งสูง ปฏิกิริยาก็จะยิ่งเร็วขึ้น

การขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับอุณหภูมิถูกกำหนดโดยกฎแวนต์ฮอฟฟ์ กฎของแวนต์ ฮอฟฟ์: ทุกๆ 10 องศาของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่จะเพิ่มขึ้นประมาณ 2 ถึง 4 เท่า นิพจน์ทางคณิตศาสตร์:

(ท2) = (ท1) × (T2-T1)/10,

โดยที่ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของแวนท์ ฮอฟฟ์ คือ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของแวนท์ ฮอฟฟ์ ซึ่งแสดงจำนวนครั้งที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 o C

ลำดับโมเลกุลและปฏิกิริยา

ความเป็นโมเลกุลของปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยจำนวนโมเลกุลขั้นต่ำที่มีปฏิกิริยาพร้อมกัน (มีส่วนร่วมในการกระทำเบื้องต้น) มี:

- ปฏิกิริยาโมเลกุลเดี่ยว (ตัวอย่างคือปฏิกิริยาการสลายตัว)

ไม่มี 2 O 5 = 2NO 2 + 1/2O 2

K × C, -dC/dt = kC

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกปฏิกิริยาที่เป็นไปตามสมการนี้จะเป็นปฏิกิริยาโมเลกุลเดี่ยว

- สองโมเลกุล

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

- ไตรโมเลกุล (หายากมาก)

ความเป็นโมเลกุลของปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยกลไกที่แท้จริงของปฏิกิริยา เป็นไปไม่ได้ที่จะระบุความเป็นโมเลกุลโดยการเขียนสมการของปฏิกิริยา

ลำดับของปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยรูปแบบของสมการจลน์ของปฏิกิริยา มันเท่ากับผลรวมของเลขชี้กำลังของระดับความเข้มข้นในสมการนี้ ตัวอย่างเช่น:

CaCO 3 = CaO + CO 2

K × C 1 2 × C 2 – ลำดับที่สาม

ลำดับของปฏิกิริยาสามารถเป็นเศษส่วนได้ ในกรณีนี้จะพิจารณาจากการทดลอง หากปฏิกิริยาเกิดขึ้นในขั้นตอนเดียว ลำดับของปฏิกิริยาและความเป็นโมเลกุลจะตรงกัน หากในหลายขั้นตอน ลำดับจะถูกกำหนดโดยขั้นตอนที่ช้าที่สุดและเท่ากับความเป็นโมเลกุลของปฏิกิริยานี้

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่างที่ 1

ออกกำลังกาย

ปฏิกิริยาเกิดขึ้นตามสมการ 2A + B = 4C ความเข้มข้นเริ่มต้นของสาร A คือ 0.15 โมล/ลิตร และหลังจาก 20 วินาทีจะเป็น 0.12 โมล/ลิตร คำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยาเฉลี่ย

สารละลาย

ลองเขียนสูตรคำนวณอัตราเฉลี่ยของปฏิกิริยาเคมี:

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี- การเปลี่ยนแปลงปริมาณของสารที่ทำปฏิกิริยาอย่างใดอย่างหนึ่งต่อหน่วยเวลาในหน่วยพื้นที่ปฏิกิริยา เป็นแนวคิดหลักในจลนศาสตร์เคมี อัตราของปฏิกิริยาเคมีจะเป็นค่าบวกเสมอ ดังนั้นหากถูกกำหนดโดยสารตั้งต้น (ความเข้มข้นซึ่งลดลงระหว่างการทำปฏิกิริยา) ค่าผลลัพธ์ที่ได้จะถูกคูณด้วย −1

ตัวอย่างปฏิกิริยา:

การแสดงออกของความเร็วจะมีลักษณะดังนี้:

- อัตราของปฏิกิริยาเคมี ณ เวลาใดๆ จะเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เพิ่มขึ้นจนมีกำลังเท่ากับสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์

สำหรับปฏิกิริยาเบื้องต้น เลขชี้กำลังของความเข้มข้นของสารแต่ละชนิดมักจะเท่ากับสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ของมัน สำหรับปฏิกิริยาที่ซับซ้อน จะไม่ปฏิบัติตามกฎนี้ นอกจากความเข้มข้นแล้ว ปัจจัยต่อไปนี้ยังส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีด้วย:

ลักษณะของสารตั้งต้น
การปรากฏตัวของตัวเร่งปฏิกิริยา
อุณหภูมิ (กฎของ van't Hoff)
ความดัน,
พื้นที่ผิวของสารที่ทำปฏิกิริยา

หากเราพิจารณาปฏิกิริยาเคมีที่ง่ายที่สุด A + B → C เราจะสังเกตเห็นสิ่งนั้น ทันทีความเร็วของปฏิกิริยาเคมีไม่คงที่

วรรณกรรม

Kubasov A. A. จลนพลศาสตร์เคมีและการเร่งปฏิกิริยา
Prigogine I. , Defey R. อุณหพลศาสตร์เคมี. โนโวซีบีสค์: Nauka, 1966. 510 น.
Yablonsky G.S. , Bykov V.I. , Gorban A.N. , แบบจำลองจลน์ของปฏิกิริยาตัวเร่งปฏิกิริยา, Novosibirsk: Nauka (แผนก Sib.), 1983. - 255 p.

มูลนิธิวิกิมีเดีย

2010.
ภาษาเวลส์ของภาษาอังกฤษ

เลื่อย (ซีรีส์ภาพยนตร์)

ดูว่า "อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร:อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี - แนวคิดพื้นฐานของจลนพลศาสตร์เคมี สำหรับปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างง่าย อัตราของปฏิกิริยาเคมีจะวัดโดยการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลของสารที่เกิดปฏิกิริยา (ที่ปริมาตรคงที่ของระบบ) หรือโดยการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นใดๆ...

ดูว่า "อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร:พจนานุกรมสารานุกรมขนาดใหญ่ - แนวคิดพื้นฐานของเคมี จลนศาสตร์ ซึ่งแสดงอัตราส่วนของปริมาณของสารที่ทำปฏิกิริยา (เป็นโมล) ต่อระยะเวลาที่เกิดปฏิกิริยาระหว่างกัน เนื่องจากความเข้มข้นของสารตั้งต้นเปลี่ยนแปลงระหว่างปฏิกิริยา อัตราจึงมักจะ ...

สารานุกรมโพลีเทคนิคขนาดใหญ่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

สารานุกรมโพลีเทคนิคขนาดใหญ่- แนวคิดพื้นฐานของจลนพลศาสตร์เคมี สำหรับปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกันอย่างง่าย อัตราของปฏิกิริยาเคมีจะวัดโดยการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลของสารที่เกิดปฏิกิริยา (ที่ปริมาตรคงที่ของระบบ) หรือโดยการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นใดๆ... พจนานุกรมสารานุกรม

อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี- ปริมาณที่แสดงลักษณะความรุนแรงของปฏิกิริยาเคมี (ดูปฏิกิริยาเคมี) อัตราการเกิดผลิตภัณฑ์ที่เกิดปฏิกิริยาคือปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากปฏิกิริยาต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยปริมาตร (ถ้า... ...

ดูว่า "อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร:- พื้นฐาน แนวคิดเรื่องเคมี จลนศาสตร์ สำหรับปฏิกิริยาเอกพันธ์อย่างง่ายของ S. x ร. วัดโดยการเปลี่ยนแปลงจำนวนโมลที่ทำปฏิกิริยาในหน่วย va (ที่ปริมาตรคงที่ของระบบ) หรือโดยการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของ va เริ่มต้นหรือผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา (หากปริมาตรของระบบ ...

กลไกของปฏิกิริยาเคมี- สำหรับปฏิกิริยาที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยปฏิกิริยาหลายอย่าง ขั้นตอน (ปฏิกิริยาธรรมดาหรือปฏิกิริยาเบื้องต้น) กลไกคือชุดของขั้นตอนซึ่งเป็นผลมาจากการที่วัสดุเริ่มต้นถูกแปลงเป็นผลิตภัณฑ์ โมเลกุลสามารถทำหน้าที่เป็นตัวกลางในปฏิกิริยาเหล่านี้ได้... ... วิทยาศาสตร์ธรรมชาติ พจนานุกรมสารานุกรม

ปฏิกิริยาการแทนที่นิวคลีโอฟิลิก- (อังกฤษ ปฏิกิริยาทดแทนนิวคลีโอฟิลิก) ปฏิกิริยาทดแทนซึ่งการโจมตีดำเนินการโดยรีเอเจนต์นิวคลีโอฟิลิกที่มีคู่อิเล็กตรอนเดี่ยว หมู่ที่ออกจากปฏิกิริยาทดแทนนิวคลีโอฟิลิกเรียกว่านิวคลีโอฟิวจ์ ทุกสิ่งทุกอย่าง... วิกิพีเดีย

ปฏิกิริยาเคมี- การแปรสภาพของสารบางชนิดให้เป็นสารอื่นที่แตกต่างไปจากเดิมในองค์ประกอบหรือโครงสร้างทางเคมี จำนวนอะตอมทั้งหมดของแต่ละองค์ประกอบที่กำหนด รวมถึงองค์ประกอบทางเคมีที่ประกอบเป็นสารจะยังคงอยู่ใน R. x ไม่เปลี่ยนแปลง; R.x นี้... สารานุกรมผู้ยิ่งใหญ่แห่งสหภาพโซเวียต

ความเร็วในการวาด- ความเร็วเชิงเส้นของการเคลื่อนที่ของโลหะที่ทางออกจากแม่พิมพ์ m/s สำหรับเครื่องวาดรูปสมัยใหม่ ความเร็วในการวาดสูงถึง 50–80 m/s อย่างไรก็ตาม ถึงแม้จะดึงลวดก็ตาม ความเร็วตามกฎจะไม่เกิน 30–40 m/s ที่… … พจนานุกรมสารานุกรมโลหะวิทยา

วัตถุประสงค์ของงาน:ศึกษาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีและการขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ ได้แก่ ลักษณะของสารตั้งต้น ความเข้มข้น อุณหภูมิ

ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นในอัตราที่ต่างกัน ความเร็วของปฏิกิริยาเคมีเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นต่อหน่วยเวลา ซึ่งเท่ากับจำนวนเหตุการณ์การโต้ตอบต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยปริมาตรสำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในระบบที่เป็นเนื้อเดียวกัน (สำหรับปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน) หรือต่อพื้นผิวส่วนต่อประสานของหน่วยสำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในระบบที่ต่างกัน (สำหรับปฏิกิริยาที่ต่างกัน)

ความเร็วปฏิกิริยาเฉลี่ย เฉลี่ย- ในช่วงเวลาตั้งแต่ เสื้อ 1ถึง เสื้อ 2ถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์:

ที่ไหน ค 1และ ค 2– ความเข้มข้นของฟันกรามของผู้เข้าร่วมปฏิกิริยา ณ จุดเวลา เสื้อ 1และ เสื้อ 2ตามลำดับ

เครื่องหมาย “–” หน้าเศษส่วนหมายถึงความเข้มข้นของสารตั้งต้น Δ กับ < 0, знак “+” – к концентрации продуктов реакции, Δกับ > 0.

ปัจจัยหลักที่มีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี: ลักษณะของสารตั้งต้น ความเข้มข้น ความดัน (หากก๊าซเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา) อุณหภูมิ ตัวเร่งปฏิกิริยา พื้นที่ส่วนต่อประสานสำหรับปฏิกิริยาต่างกัน

ปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนซึ่งเกิดขึ้นหลายขั้นตอน ได้แก่ ประกอบด้วยกระบวนการเบื้องต้นหลายประการ ปฏิกิริยาเบื้องต้นหรือปฏิกิริยาธรรมดาคือปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนเดียว

สำหรับปฏิกิริยาเบื้องต้น การขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาต่อความเข้มข้นจะแสดงตามกฎของการกระทำของมวล

ที่อุณหภูมิคงที่ อัตราของปฏิกิริยาเคมีจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยา ซึ่งมีกำลังเท่ากับสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์

สำหรับปฏิกิริยาในรูปแบบทั่วไป

ก + ข B… → ค ค

ตามกฎแห่งการกระทำของมวลชน โวลต์แสดงโดยอัตราส่วน

v = К∙с(А) а ∙ с(В) b,

ที่ไหน ค(เอ)และ เอส(บี)– ความเข้มข้นโมลของสารตั้งต้น A และ B;

ถึง– อัตราคงที่ของปฏิกิริยานี้เท่ากับ โวลต์, ถ้า ค(ก)ก=1 และ ค(บี) ข=1 และขึ้นอยู่กับลักษณะของสารตั้งต้น อุณหภูมิ ตัวเร่งปฏิกิริยา และพื้นที่ส่วนต่อประสานสำหรับปฏิกิริยาต่างกัน

การแสดงออกของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นฟังก์ชันของความเข้มข้นเรียกว่าสมการจลน์

ในกรณีของปฏิกิริยาที่ซับซ้อน กฎแห่งการกระทำโดยรวมจะมีผลกับแต่ละขั้นตอน

สำหรับปฏิกิริยาที่ต่างกัน สมการจลน์จะรวมเฉพาะความเข้มข้นของก๊าซและสารที่ละลายเท่านั้น ใช่แล้ว สำหรับการเผาถ่านหิน

C (k) + O 2 (ก.) → CO 2 (ก.)

สมการความเร็วมีรูปแบบ

โวลต์ = K∙s(O 2)

คำไม่กี่คำเกี่ยวกับความเป็นโมเลกุลและลำดับจลน์ของปฏิกิริยา

แนวคิด “โมเลกุลของปฏิกิริยา”ใช้กับปฏิกิริยาง่ายๆ เท่านั้น ความเป็นโมเลกุลของปฏิกิริยาเป็นตัวกำหนดจำนวนอนุภาคที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเบื้องต้น

มีปฏิกิริยาโมโน ไบ และไตรโมเลกุล โดยมีอนุภาคหนึ่ง สอง และสามมีส่วนร่วมตามลำดับ ความน่าจะเป็นที่อนุภาคทั้งสามจะชนกันพร้อมๆ กันนั้นมีน้อย ไม่ทราบกระบวนการเบื้องต้นของการโต้ตอบของอนุภาคมากกว่าสามอนุภาค ตัวอย่างของปฏิกิริยาเบื้องต้น:

N 2 O 5 → NO + NO + O 2 (โมเลกุลเดี่ยว)

H 2 + I 2 → 2HI (สองโมเลกุล)

2NO + Cl 2 → 2NOCl (ไตรโมเลกุล)

ความเป็นโมเลกุลของปฏิกิริยาอย่างง่ายเกิดขึ้นพร้อมกับลำดับจลน์ทั่วไปของปฏิกิริยา ลำดับของปฏิกิริยาจะกำหนดลักษณะของการขึ้นอยู่กับอัตราความเข้มข้น

ลำดับจลนศาสตร์ทั่วไป (ทั้งหมด) ของปฏิกิริยาคือผลรวมของเลขชี้กำลังที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นในสมการอัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งหาได้จากการทดลอง

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่จะเพิ่มขึ้น การขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิโดยประมาณจะถูกกำหนดโดยกฎแวนต์ฮอฟฟ์

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 องศา อัตราการเกิดปฏิกิริยาส่วนใหญ่จะเพิ่มขึ้น 2-4 เท่า

โดยที่ และ คือ อัตราการเกิดปฏิกิริยา ตามลำดับ ที่อุณหภูมิ เสื้อ 2และ เสื้อ 1 (เสื้อ 2 > เสื้อ 1);

γ คือค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของอัตราการเกิดปฏิกิริยา ซึ่งเป็นตัวเลขที่แสดงจำนวนครั้งที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10 0

เมื่อใช้กฎของแวนต์ ฮอฟฟ์ คุณสามารถประมาณผลกระทบของอุณหภูมิที่มีต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยประมาณเท่านั้น คำอธิบายที่แม่นยำยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการขึ้นต่อกันของอัตราการเกิดปฏิกิริยาของอุณหภูมินั้นเป็นไปได้ภายในกรอบของทฤษฎีการกระตุ้นอาร์เรเนียส

วิธีหนึ่งในการเร่งปฏิกิริยาเคมีคือการเร่งปฏิกิริยาซึ่งดำเนินการโดยใช้สาร (ตัวเร่งปฏิกิริยา)

ตัวเร่งปฏิกิริยา- สิ่งเหล่านี้คือสารที่เปลี่ยนอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเนื่องจากการมีส่วนร่วมซ้ำ ๆ ในปฏิกิริยาเคมีระดับกลางกับรีเอเจนต์ปฏิกิริยา แต่หลังจากแต่ละรอบของปฏิกิริยาระหว่างกลางพวกมันจะคืนองค์ประกอบทางเคมีกลับคืนมา

กลไกการออกฤทธิ์ของตัวเร่งปฏิกิริยาจะลดลงจนพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาลดลงนั่นคือ ลดความแตกต่างระหว่างพลังงานเฉลี่ยของโมเลกุลแอคทีฟ (แอคทีฟคอมเพล็กซ์) และพลังงานเฉลี่ยของโมเลกุลของสารตั้งต้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีเพิ่มขึ้น