Химиялык реакциянын ылдамдыгын жана анын өзгөрүүсүнө таасир этүүчү шарттарды изилдөө физикалык химиянын багыттарынын бири – химиялык кинетика. Ал ошондой эле бул реакциялардын механизмдерин жана алардын термодинамикалык негиздүүлүгүн карайт. Бул изилдөөлөр илимий максаттар үчүн гана эмес, ошондой эле заттардын бардык түрлөрүн өндүрүүдө реакторлордогу компоненттердин өз ара аракеттенүүсүн көзөмөлдөө үчүн да маанилүү.
Химиядагы ылдамдык түшүнүгү
Реакциянын ылдамдыгы, адатта, убакыт бирдигинде (Δt) реакцияга (ΔС) кирген кошулмалардын концентрациясынын белгилүү бир өзгөрүүсү деп аталат. Химиялык реакциянын ылдамдыгынын математикалык формуласы төмөнкүчө:
ᴠ=±ΔC/Δt.
Реакция ылдамдыгы моль/л∙с менен өлчөнөт, эгерде ал бүт көлөмдө жүрсө (б.а. реакция бир тектүү болсо) жана моль/м2∙с. эгерде өз ара аракеттешүү фазаларды бөлүп турган бетке кетсе (б.а. реакция гетерогендүү). Формуладагы “–” белгиси баштапкы реакцияга кирген заттардын концентрацияларынын маанилеринин өзгөрүшүн билдирет, ал эми “+” белгиси ошол эле реакциянын продуктуларынын концентрацияларынын өзгөргөн маанилерин билдирет.
Ар кандай ылдамдыктагы реакциялардын мисалдары
Химиялык өз ара аракеттешүү ар кандай ылдамдыкта болушу мүмкүн. Ошентип, сталактиттердин өсүү темпи, башкача айтканда, кальций карбонатынын пайда болушу 100 жылда 0,5 мм гана түзөт. Кээ бир биохимиялык реакциялар жай жүрөт, мисалы, фотосинтез жана белок синтези. Металлдардын коррозиясы өтө төмөн ылдамдыкта жүрөт.
Бирден бир нече саатка чейин талап кылынган реакциялар орточо ылдамдык менен мүнөздөлөт. Мисал катары азыктардын курамындагы кошулмалардын ыдырашы жана өзгөрүшү менен коштолгон тамак-аш бышыруу болот. Жеке полимерлердин синтези реакция аралашмасын белгилүү убакытка чейин ысытууну талап кылат.
Нейтралдаштыруу реакциясы, натрий гидрокарбонатынын уксус кислотасынын эритмеси менен өз ара аракеттенүүсү, көмүр кычкыл газынын бөлүнүп чыгышы менен коштолгон химиялык реакциялардын мисалы, ылдамдыгы кыйла жогору. Барий нитратынын натрий сульфаты менен өз ара аракеттенүүсүн да айта алабыз, анда эрибеген барий сульфатынын чөкмөсү байкалат.
Көптөгөн реакциялар чагылгандын ылдамдыгы менен жүрүшү мүмкүн жана жарылуу менен коштолот. Калийдин суу менен өз ара аракеттенүүсү классикалык мисал.
Химиялык реакциянын ылдамдыгына таасир этүүчү факторлор
Белгилей кетчү нерсе, бир эле заттар бири-бири менен ар кандай ылдамдыкта реакцияга кирет. Мисалы, газ түрүндөгү кычкылтек менен суутектин аралашмасы узак убакыт бою өз ара аракеттенүү белгилерин көрсөтпөйт, бирокидишти силкилдетип же аны уруп, реакция жарылуучу болуп калат. Демек, химиялык кинетика химиялык реакциянын ылдамдыгына таасир эте турган айрым факторлорду аныктады. Аларга төмөнкүлөр кирет:
- өз ара аракеттенүүчү заттардын табияты;
- реагенттердин концентрациясы;
- температуранын өзгөрүшү;
- катализатордун болушу;
- басымдын өзгөрүшү (газ түрүндөгү заттар үчүн);
- заттардын контакттык аймагы (эгерде гетерогендик реакциялар жөнүндө сөз кылсак).
Заттын табиятынын таасири
Химиялык реакциялардын ылдамдыгынын мындай олуттуу айырмасы ар кандай активдештирүү энергиялары менен түшүндүрүлөт (Eа). Бул реакция болушу үчүн кагылышуу учурунда молекула талап кылган анын орточо маанисине салыштырмалуу белгилүү бир ашыкча энергия деп түшүнүлөт. Ал кДж/моль менен өлчөнөт жана чоңдуктар адатта 50-250 диапазонунда болот.
Эгер кандайдыр бир реакция үчүн Ea=150 кДж/моль болсо, анда n. ж. ал иш жүзүндө агып келбейт. Бул энергия заттардын молекулаларынын ортосундагы түртүүнү жеңүүгө жана баштапкы заттардагы байланыштарды начарлатууга жумшалат. Башкача айтканда, активдештирүү энергиясы заттардагы химиялык байланыштардын күчүн мүнөздөйт. Активдештирүү энергиясынын мааниси боюнча сиз химиялык реакциянын ылдамдыгын алдын ала баалай аласыз:
- Ea<
- 40<Ea<120, болжолдуу орточореакция, анткени молекулалардын кагылышууларынын жарымы гана эффективдүү болот (мисалы, цинктин туз кислотасы менен реакциясы);
- Ea>120, бөлүкчөлөрдүн кагылышууларынын аз гана бөлүгү реакцияга алып келет жана анын ылдамдыгы төмөн болот.
Концентрациянын таасири
Реакция ылдамдыгынын концентрациядан көз карандылыгы эң туура массалардын аракетинин мыйзамы (ЛМА) менен мүнөздөлөт, анда мындайча айтылат:
Химиялык реакциянын ылдамдыгы реакцияга кирүүчү заттардын концентрацияларынын көбөйтүндүсүнө түз пропорционалдуу, алардын маанилери алардын стехиометриялык коэффициенттерине туура келген даражада кабыл алынат.
Бул мыйзам элементардык бир баскычтуу реакцияларга же татаал механизм менен мүнөздөлгөн заттардын өз ара аракеттешүүсүнүн каалаган баскычына ылайыктуу.
Эгер сиз химиялык реакциянын ылдамдыгын аныктагыңыз келсе, анын теңдемесин шарттуу түрдө төмөнкүчө жазууга болот:
αА+ bB=ϲС, анда, мыйзамдын жогорудагы формулировкасы боюнча ылдамдыкты төмөнкү теңдеме менен табууга болот:
V=k·[A]a·[B]b, мында
a жана b стехиометриялык коэффициенттер, [A] жана [B] – баштапкы кошулмалардын концентрациясы, k – каралып жаткан реакциянын ылдамдык константасы.
Химиялык реакциянын ылдамдык коэффициентинин мааниси, эгерде кошулмалардын концентрациялары бирдиктерге барабар болсо, анын мааниси ылдамдыкка барабар болот. Бул формула боюнча туура эсептөө үчүн реагенттердин агрегаттык абалын эске алуу зарыл экенин белгилей кетүү керек. Катуу концентрациязаттар бирдикке барабар кабыл алынат жана реакция учурунда туруктуу бойдон калгандыктан, теңдемеге кирбейт. Ошентип, МДМ боюнча эсепке суюк жана газ түрүндөгү заттардын концентрациялары гана киргизилет. Ошентип, жөнөкөй заттардан кремний диоксидин алуу реакциясы үчүн
теңдемеси менен сүрөттөлгөн.
Si(tv)+ Ο2(g)=SiΟ2(tv), ылдамдык формула менен аныкталат:
V=k·[Ο2].
Типтүү тапшырма
Эгерде баштапкы кошулмалардын концентрациялары эки эсе көбөйтүлсө, азот оксидинин кычкылтек менен химиялык реакциясынын ылдамдыгы кандай өзгөрөт?
Чечим: Бул процесс реакция теңдемесине туура келет:
2ΝΟ + Ο2=2ΝΟ2.
Баштапкы (ᴠ1) жана акыркы (ᴠ2) реакция ылдамдыгы үчүн туюнтмаларды жазыңыз:
ᴠ1=k·[ΝΟ]2·[Ο2] жана
ᴠ2=k·(2·[ΝΟ])2·2·[Ο2]=k 4[ΝΟ]2 2[Ο2].
Андан кийин, сол жана оң бөлүктөрүн ажыратыңыз:
ᴠ1/ᴠ2 =(k 4[ΝΟ]2 2[Ο2]) / (k·[ΝΟ]2·[Ο2]).
Концентрациянын маанилери жана ылдамдык константалары төмөндөп, төмөндөгүлөр калтырылат:
ᴠ2/ᴠ1 =4 2/1=8.
Жооп: 8 эсе көбөйдү.
Температура эффекти
Химиялык реакциянын ылдамдыгынын көз карандылыгытемператураны голландиялык окумуштуу Ж. Х. Вант Хофф эмпирикалык түрдө аныктаган. Ал температуранын ар бир 10 градуска көтөрүлүшү менен көптөгөн реакциялардын ылдамдыгы 2-4 эсеге жогорулай турганын аныктаган. Бул эреже үчүн математикалык туюнтма бар:
ᴠ2 =ᴠ1 γ(Τ2-Τ1)/10, мында
ᴠ1 жана ᴠ2 Τ1 жана Τ температураларындагы тиешелүү ылдамдыктар.2;
γ - температура коэффициенти, 2–4кө барабар.
Ошол эле учурда бул эреже температуранын белгилүү бир реакциянын ылдамдыгынын маанисине тийгизген таасиринин механизмин түшүндүрбөйт жана схемалардын бүтүндөй жыйындысын сүрөттөбөйт. Температуранын жогорулашы менен бөлүкчөлөрдүн баш аламан кыймылы күчөйт жана бул алардын кагылышууларынын көбүрөөк санын пайда кылат деген тыянак чыгаруу логикалык. Бирок бул молекулярдык кагылышуулардын эффективдүүлүгүнө өзгөчө таасир этпейт, анткени ал негизинен активдештирүү энергиясынан көз каранды. Ошондой эле, бөлүкчөлөрдүн кагылышуусунун эффективдүүлүгүндө алардын бири-бирине мейкиндиктеги дал келүүсү чоң роль ойнойт.
Химиялык реакциянын ылдамдыгынын температурадан көз карандылыгы, реакцияга кирүүчү заттардын табиятын эске алуу менен Аррениус теңдемесине баш ийет:
k=A0 e-Ea/RΤ, мында
Ao – мультипликатор;
Eа – активдештирүү энергиясы.
Van't Hoff мыйзамындагы көйгөйдүн мисалы
Температура коэффиценти сан жагынан 3кө барабар болгон химиялык реакциянын ылдамдыгы 27 эсе көбөйүшү үчүн температураны кантип өзгөртүү керек?
Чечим.
формуласын колдонолу
ᴠ2 =ᴠ1 γ(Τ2-Τ1)/10.
Шарттан ᴠ2/ᴠ1 =27, жана γ=3. Сиз ΔΤ=Τ табышыңыз керек2–Τ1.
Түпнуска формуланы которсок:
V2/V1=γΔΤ/10.
Алмаштырылган маанилер: 27=3ΔΤ/10.
Бул жерден ΔΤ/10=3 жана ΔΤ=30 экени көрүнүп турат.
Жооп: температураны 30 градуска көтөрүү керек.
Катализаторлордун таасири
Физикалык химияда химиялык реакциялардын ылдамдыгы катализ деп аталган бөлүм менен да активдүү изилденет. Ал кантип жана эмне үчүн кээ бир заттардын салыштырмалуу аз өлчөмдөгү башкалардын өз ара аракеттенүү ылдамдыгын олуттуу жогорулатат деп кызыкдар. Реакцияны тездете турган, бирок өзү керектелбеген заттар катализаторлор деп аталат.
Катализаторлор химиялык өз ара аракеттенүү механизмин өзгөртүп, энергиялык тоскоолдуктун бийиктигинин төмөн болушу менен мүнөздөлгөн жаңы өткөөл абалдардын пайда болушуна көмөктөшөөрү далилденген. Башкача айтканда, алар активдештирүү энергиясынын азайышына, демек, бөлүкчөлөрдүн эффективдүү таасирлеринин санынын көбөйүшүнө өбөлгө түзөт. Катализатор энергетикалык жактан мүмкүн эмес реакцияны жаратышы мүмкүн эмес.
Ошентип, суутек перекиси кычкылтек менен сууну пайда кылуу үчүн чирип кетиши мүмкүн:
N2Ο2=N2Ο + Ο 2.
Бирок бул реакция абдан жай жүрөт жана биздин дарыканаларда ал өзгөрүүсүз туратбир топ убакыт көрүү. абдан эски перекиси флакон гана ачуу, сиз идиш дубалдарына кычкылтек басымы менен шартталган кичинекей поп көрө аласыз. Магний оксидинин бир нече дандарын кошуп койсоңуз, активдүү газ эволюциясы пайда болот.
Пероксиддин ыдыраган реакциясы, бирок каталаза таасири астында жарааттарды дарылоодо пайда болот. Тирүү организмдерде биохимиялык реакциялардын ылдамдыгын күчөтүүчү көптөгөн түрдүү заттар бар. Алар ферменттер деп аталат.
Ингибиторлор реакциялардын жүрүшүнө тескери таасирин тийгизет. Бирок, бул дайыма эле жаман эмес. Ингибиторлор металл буюмдарын коррозиядан коргоо, тамак-аштын сактоо мөөнөтүн узартуу, мисалы, майдын кычкылданышын алдын алуу үчүн колдонулат.
Зат менен байланыш аймагы
Эгерде өз ара аракеттенүү ар кандай агрегаттык абалдагы кошулмалардын ортосунда же бир тектүү чөйрө түзө албаган заттардын (аралашпаган суюктуктар) ортосунда болгон учурда, бул фактор да химиялык реакциянын ылдамдыгына олуттуу таасир этет. Бул гетерогендик реакциялар түздөн-түз өз ара аракеттенүүчү заттардын фазаларынын ортосундагы чек ара тилкесинде ишке ашкандыгына байланыштуу. Албетте, бул чек канчалык кең болсо, ошончолук көп бөлүкчөлөрдүн кагылышуу мүмкүнчүлүгү болот жана реакция ошончолук ылдам болот.
Мисалы, майда чиптер түрүндөгү жыгач дөңгөч түрүнө караганда алда канча тез күйөт. Ушул эле максатта көптөгөн катуу заттар эритмеге кошулаардан мурун майда порошок болуп майдаланат. Ошентип, порошок бор (кальций карбонаты) туз кислотасы менен тезирээк аракеттенет,бир эле массасынын бир бөлүгүнө караганда. Бирок, аймакты көбөйтүүдөн тышкары, бул ыкма заттын кристаллдык торчосунун башаламан үзүлүшүнө алып келет, бул бөлүкчөлөрдүн реактивдүүлүгүн жогорулатат.
Математикалык жактан гетерогендүү химиялык реакциянын ылдамдыгы беттин бирдигине убакыт бирдигинде (Δt) пайда болгон заттын (Δν) көлөмүнүн өзгөрүүсү катары табылат
(S): V=Δν/(S Δt).
Басымдын таасири
Системадагы басымдын өзгөрүшү газдар реакцияга катышканда гана таасирин тийгизет. Басымдын жогорулашы көлөмү бирдигине заттын молекулаларынын көбөйүшү менен коштолот, башкача айтканда, анын концентрациясы пропорционалдуу жогорулайт. Тескерисинче, басымдын төмөндөшү реагенттин концентрациясынын эквиваленттүү азайышына алып келет. Бул учурда, ZDMге туура келген формула химиялык реакциянын ылдамдыгын эсептөө үчүн ылайыктуу.
Тапшырма.
теңдемесинде сүрөттөлгөн реакциянын ылдамдыгы кандай болот
2ΝΟ + Ο2=2ΝΟ2, эгер жабык системанын көлөмү үч эсе азайса (T=const)?
Чечим. Көлөмү азайган сайын басым пропорционалдуу көбөйөт. Алгачкы (V1) жана акыркы (V2) реакция ылдамдыгы үчүн туюнтмаларды жазалы:
V1 =k·[NΟ]2·[Ο2] жана
V2 =k·(3·[NΟ])2 3·[Ο2]=k 9[ΝΟ]2 3[Ο2].
Жаңы ылдамдык канча эсе чоңураак экенин табуу үчүнбашында, сиз туюнтмалардын сол жана оң бөлүктөрүн бөлүп алышыңыз керек:
V1/V2 =(k 9[ΝΟ]2· 3 [Ο2]) / (k·[ΝΟ]2·[Ο2]).
Концентрациянын маанилери жана ылдамдык константалары төмөндөп, төмөндөгүлөр калтырылат:
V2/V1 =9 3/1=27.
Жооп: ылдамдык 27 эсеге көбөйдү.
Жыйынтыктап айтканда, заттардын өз ара аракеттенүү ылдамдыгына, тагыраак айтканда, алардын бөлүкчөлөрүнүн кагылышууларынын санына жана сапатына көптөгөн факторлор таасир этээрин белгилей кетүү керек. Биринчиден, бул активдештирүү энергиясы жана молекулалардын геометриясы, аларды оңдоо дээрлик мүмкүн эмес. Калган шарттарга келсек, реакциянын ылдамдыгын жогорулатуу үчүн:
- реакция чөйрөсүнүн температурасын жогорулатуу;
- баштапкы кошулмалардын концентрациясын жогорулатуу;
- системадагы басымды жогорулатуу же газдарга келгенде анын көлөмүн азайтуу;
- окшош эмес заттарды бир агрегация абалына алып келүү (мисалы, сууда эрүү аркылуу) же алардын тийүү аянтын көбөйтүү.
