Khái niệm “tốc độ” được tìm thấy khá thường xuyên trong văn học. Người ta biết từ vật lý rằng những gì khoảng cách xa hơn sẽ vượt qua cơ thể vật chất(người, xe lửa, tàu vũ trụ) trong một khoảng thời gian nhất định, tốc độ của vật thể này càng cao.
Cách đo tốc độ phản ứng hóa học, thứ “không đi đâu cả” và không bao gồm bất kỳ khoảng cách nào? Để trả lời câu hỏi này bạn cần tìm hiểu xem Luôn luôn những thay đổi trong bất kì phản ứng hóa học? Vì bất kỳ phản ứng hóa học nào cũng là quá trình biến đổi một chất nên chất ban đầu biến mất trong đó, biến thành sản phẩm phản ứng. Như vậy, trong một phản ứng hóa học, lượng chất luôn thay đổi, số lượng phân tử của chất ban đầu giảm nên nồng độ (C).
Nhiệm vụ kiểm tra thống nhất nhà nước. Tốc độ của phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với độ biến thiên:
- nồng độ của một chất trong một đơn vị thời gian;
- lượng chất trên một đơn vị thể tích;
- khối lượng của một chất trên một đơn vị thể tích;
- thể tích của chất đó trong phản ứng.
Bây giờ hãy so sánh câu trả lời của bạn với câu trả lời đúng:
tốc độ của phản ứng hóa học bằng độ biến thiên nồng độ của chất phản ứng trong một đơn vị thời gian
Ở đâu C 1 Và Từ 0- nồng độ của chất phản ứng, lần lượt là cuối cùng và ban đầu; t 1 Và t 2- thời gian thử nghiệm, tương ứng là khoảng thời gian cuối cùng và ban đầu.
Câu hỏi. Bạn nghĩ giá trị nào lớn hơn: C 1 hoặc Từ 0? t 1 hoặc t 0?
Vì các chất phản ứng luôn bị tiêu hao trong một phản ứng nhất định nên
Do đó, tỷ số của các đại lượng này luôn âm và tốc độ không thể là đại lượng âm. Do đó, một dấu trừ xuất hiện trong công thức, đồng thời chỉ ra rằng tốc độ bất kì phản ứng theo thời gian (trong điều kiện không đổi) luôn luôn giảm.
Vậy tốc độ phản ứng hóa học là:
Câu hỏi đặt ra: nên đo nồng độ chất phản ứng (C) bằng đơn vị nào và tại sao? Để trả lời được bạn cần hiểu điều kiện là gì chủ yếuđể xảy ra bất kỳ phản ứng hóa học nào.
Để các hạt phản ứng, ít nhất chúng phải va chạm nhau. Đó là lý do tại sao số lượng hạt* (số mol) trên một đơn vị thể tích càng cao thì chúng càng va chạm thường xuyên thì xác suất xảy ra phản ứng hóa học càng cao.
* Đọc về “nốt ruồi” là gì ở bài 29.1.
Vì vậy, khi đo tốc độ của các quá trình hóa học, họ sử dụng nồng độ mol các chất trong hỗn hợp phản ứng.
Nồng độ mol của một chất cho biết có bao nhiêu mol chất đó có trong 1 lít dung dịch
Vì vậy, nồng độ mol của chất phản ứng càng lớn thì càng có nhiều hạt trên một đơn vị thể tích, chúng càng va chạm thường xuyên thì càng cao (với các chất khác). điều kiện bình đẳng) tốc độ phản ứng hóa học. Do đó, định luật cơ bản của động học hóa học (đây là khoa học về tốc độ phản ứng hóa học) là luật hành động quần chúng.
Tốc độ của phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với tích nồng độ của các chất phản ứng.
Đối với phản ứng loại A + B →... về mặt toán học, định luật này có thể được biểu diễn như sau:
Nếu phản ứng phức tạp hơn, ví dụ: 2A + B → hoặc tương tự, A + A + B → ..., thì
Do đó, một số mũ xuất hiện trong phương trình tốc độ « hai» , tương ứng với hệ số 2 trong phương trình phản ứng. Đối với các phương trình phức tạp hơn, số mũ lớn thường không được sử dụng. Điều này là do xác suất xảy ra va chạm đồng thời của ba phân tử A và hai phân tử B là cực kỳ nhỏ. Do đó, nhiều phản ứng xảy ra ở nhiều giai đoạn, trong đó không quá ba hạt va chạm nhau và mỗi giai đoạn của quá trình diễn ra ở một tốc độ nhất định. Tốc độ này và phương trình động học vận tốc của nó được xác định bằng thực nghiệm.
Các phương trình tốc độ phản ứng hóa học (3) hoặc (4) ở trên chỉ có giá trị đối với đồng nhất phản ứng, tức là đối với những phản ứng như vậy khi các chất phản ứng không bị ngăn cách bởi bề mặt. Ví dụ, một phản ứng xảy ra trong dung dịch nước và cả hai chất phản ứng đều hòa tan cao trong nước hoặc bất kỳ hỗn hợp khí nào.
Đó là một vấn đề khác khi nó xảy ra không đồng nhất sự phản ứng lại. Trong trường hợp này, có sự tương tác giữa các chất phản ứng, ví dụ như carbon dioxide khí đốt phản ứng với nước giải pháp chất kiềm. Trong trường hợp này, bất kỳ phân tử khí nào cũng có khả năng phản ứng như nhau, vì các phân tử này chuyển động nhanh và hỗn loạn. Còn các hạt của dung dịch lỏng thì sao? Những hạt này chuyển động cực kỳ chậm và những hạt kiềm nằm “ở phía dưới” hầu như không có cơ hội phản ứng với khí cacbonic, nếu dung dịch không được khuấy liên tục. Chỉ những hạt “nằm trên bề mặt” mới phản ứng. Vì vậy đối với không đồng nhất phản ứng -
tốc độ phản ứng phụ thuộc vào kích thước của bề mặt giao diện, tăng lên khi mài.
Do đó, rất thường xuyên các chất phản ứng bị nghiền nát (ví dụ như hòa tan trong nước), thức ăn được nhai kỹ và trong quá trình nấu - nghiền, cho qua máy xay thịt, v.v. tiêu hóa được!
Như vậy, với tốc độ tối đa(tất cả những thứ khác đều bằng nhau) các phản ứng đồng nhất xảy ra trong các dung dịch và giữa các chất khí (nếu các chất khí này phản ứng ở điều kiện xung quanh) và trong các dung dịch mà các phân tử nằm “gần đó”, và quá trình nghiền cũng giống như trong chất khí (và thậm chí hơn thế nữa). !), - tốc độ phản ứng cao hơn.
Nhiệm vụ kiểm tra thống nhất nhà nước. Phản ứng nào xảy ra với tốc độ nhanh nhất nhiệt độ phòng:
- cacbon với oxy;
- sắt với axit clohydric;
- sắt với dung dịch axit axetic
- dung dịch kiềm và axit sunfuric.
TRONG trong trường hợp này chúng ta cần tìm ra quá trình nào là đồng nhất.
Cần lưu ý rằng tốc độ phản ứng hóa học giữa các khí hoặc phản ứng không đồng nhất trong đó khí tham gia cũng phụ thuộc vào áp suất, vì khi áp suất tăng, khí bị nén và nồng độ của các hạt tăng lên (xem công thức 2). Tốc độ phản ứng trong đó các chất khí không tham gia không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi áp suất.
Nhiệm vụ kiểm tra thống nhất nhà nước. Tốc độ phản ứng hóa học giữa dung dịch axit và sắt không bị ảnh hưởng
- nồng độ axit;
- mài sắt;
- nhiệt độ phản ứng;
- tăng áp lực.
Cuối cùng, tốc độ phản ứng cũng phụ thuộc vào khả năng phản ứng của các chất. Ví dụ, nếu oxy phản ứng với một chất thì các chất khác không đổi thì tốc độ phản ứng sẽ cao hơn khi chất đó tương tác với nitơ. Thực tế là khả năng phản ứng của oxy cao hơn đáng kể so với nitơ. Chúng ta sẽ xem xét nguyên nhân của hiện tượng này trong phần tiếp theo của Hướng dẫn (bài 14).
Nhiệm vụ kiểm tra thống nhất nhà nước. Phản ứng hóa học giữa axit clohiđric và
- đồng;
- sắt;
- magiê;
- kẽm
Cần lưu ý rằng không phải mọi va chạm của các phân tử đều dẫn đến tương tác hóa học (phản ứng hóa học). Trong hỗn hợp khí gồm hydro và oxy ở điều kiện bình thường vài tỷ vụ va chạm xảy ra mỗi giây. Nhưng những dấu hiệu đầu tiên của phản ứng (giọt nước) sẽ chỉ xuất hiện trong bình sau một vài năm. Trong những trường hợp như vậy họ nói rằng phản ứng thực tế không hoạt động. Nhưng cô ấy khả thi, nếu không thì giải thích thế nào khi hỗn hợp này được đun nóng đến 300°C, bình nhanh chóng bị sương mù hóa và ở nhiệt độ 700°C sẽ xảy ra một vụ nổ khủng khiếp! Không phải vô cớ mà hỗn hợp hydro và oxy được gọi là “khí nổ”.
Câu hỏi. Tại sao bạn nghĩ rằng tốc độ phản ứng tăng mạnh như vậy khi đun nóng?
Tốc độ phản ứng tăng vì thứ nhất là số lượng hạt va chạm tăng và thứ hai là số lượng tích cực va chạm. Chính sự va chạm tích cực của các hạt dẫn đến sự tương tác của chúng. Để xảy ra va chạm như vậy, các hạt phải có một lượng năng lượng nhất định.
Năng lượng mà các hạt phải có để xảy ra phản ứng hóa học được gọi là năng lượng kích hoạt.
Năng lượng này được dùng để khắc phục lực đẩy giữa các electron bên ngoài của nguyên tử và phân tử và để phá hủy “cũ”. liên kết hóa học.
Câu hỏi đặt ra: làm thế nào để tăng năng lượng của các hạt phản ứng? Câu trả lời rất đơn giản - tăng nhiệt độ, vì khi nhiệt độ tăng, tốc độ chuyển động của các hạt tăng lên, và do đó, tốc độ của chúng tăng lên. động năng.
Luật lệ van't Hoff*:
Cứ tăng nhiệt độ 10 độ thì tốc độ phản ứng tăng 2-4 lần.
VANT-HOFF Jacob Hendrik(30/08/1852–01/03/1911) - Nhà hóa học người Hà Lan. Một trong những người sáng lập hóa học vật lý và hóa học lập thể. Giải Nobel Hóa học số 1 (1901).
Cần lưu ý rằng quy tắc này (không phải định luật!) được thiết lập bằng thực nghiệm đối với các phản ứng “thuận tiện” cho việc đo lường, nghĩa là đối với những phản ứng diễn ra không quá nhanh cũng không quá chậm và ở nhiệt độ mà người thực nghiệm có thể tiếp cận được (không quá cao và không quá thấp).
Câu hỏi. Bạn nghĩ cách nấu khoai tây nhanh nhất là gì: luộc hay chiên trong một lớp dầu?
Để hiểu đúng ý nghĩa của hiện tượng được mô tả, bạn có thể so sánh các phân tử phản ứng với một nhóm học sinh sắp nhảy cao. Nếu được giao một rào chắn cao 1 m thì học sinh sẽ phải chạy lên (tăng “nhiệt độ”) để vượt qua rào cản. Tuy nhiên, sẽ luôn có những học sinh (“phân tử không hoạt động”) không thể vượt qua rào cản này.
Phải làm gì? Nếu bạn tuân thủ nguyên tắc: “Người thông minh sẽ không leo núi, người thông minh sẽ vượt qua núi,” thì bạn chỉ cần hạ rào cản xuống, chẳng hạn như 40 cm, thì bất kỳ học sinh nào cũng có thể vượt qua. rào cản. TRÊN cấp độ phân tử nó có nghĩa là: để tăng tốc độ phản ứng, cần phải giảm năng lượng kích hoạt trong một hệ thống nhất định.
Trong các quá trình hóa học thực tế, chức năng này được thực hiện bởi chất xúc tác.
chất xúc tác là chất làm thay đổi tốc độ phản ứng hóa học trong khi vẫn giữ nguyên không thay đổi về phía cuối của phản ứng hóa học.
chất xúc tác tham gia trong một phản ứng hóa học, tương tác với một hoặc nhiều chất ban đầu. Trong trường hợp này, các hợp chất trung gian được hình thành và năng lượng kích hoạt thay đổi. Nếu chất trung gian hoạt động mạnh hơn (phức hoạt động) thì năng lượng kích hoạt giảm và tốc độ phản ứng tăng.
Ví dụ, phản ứng giữa SO 2 và O 2 xảy ra rất chậm, với điều kiện bình thường thực tế không hoạt động. Nhưng khi có mặt NO thì tốc độ phản ứng tăng mạnh. Đầu tiên KHÔNG rất nhanh phản ứng với O2:
kết quả là nitơ dioxide nhanh phản ứng với lưu huỳnh(IV) oxit:
Nhiệm vụ 5.1. Sử dụng ví dụ này, hãy chỉ ra chất nào là chất xúc tác và chất nào là phức chất hoạt động.
Ngược lại, nếu hình thành nhiều hợp chất thụ động hơn, năng lượng kích hoạt có thể tăng lên nhiều đến mức phản ứng thực tế không xảy ra trong những điều kiện này. Chất xúc tác như vậy được gọi là chất ức chế.
Trong thực tế, cả hai loại chất xúc tác đều được sử dụng. Vì vậy, chất xúc tác hữu cơ đặc biệt - enzim- tham gia tuyệt đối vào tất cả các quá trình sinh hóa: tiêu hóa thức ăn, co cơ, thở. Sự sống không thể tồn tại nếu không có enzyme!
Chất ức chế là cần thiết để bảo vệ các sản phẩm kim loại khỏi bị ăn mòn, chứa chất béo sản phẩm thực phẩm khỏi quá trình oxy hóa (ôi thiu). Một số loại thuốc cũng chứa chất ức chế ức chế các chức năng quan trọng của vi sinh vật và do đó tiêu diệt chúng.
Xúc tác có thể đồng nhất hoặc không đồng nhất. Một ví dụ về xúc tác đồng nhất là tác dụng của NO (đây là chất xúc tác) đối với quá trình oxy hóa sulfur dioxide. Một ví dụ về xúc tác dị thể là tác dụng của đồng nóng lên rượu:
Phản ứng này xảy ra theo hai giai đoạn:
Nhiệm vụ 5.2. Xác định chất nào là chất xúc tác trong trường hợp này? Tại sao loại xúc tác này được gọi là dị thể?
Trong thực tế, xúc tác dị thể thường được sử dụng nhiều nhất, trong đó các chất rắn đóng vai trò là chất xúc tác: kim loại, oxit của chúng, v.v. Trên bề mặt của các chất này có điểm số ít(nút mạng tinh thể), nơi phản ứng xúc tác thực sự xảy ra. Nếu những điểm này bị chất lạ bao phủ thì quá trình xúc tác sẽ dừng lại. Chất này gây bất lợi cho chất xúc tác, được gọi là chất xúc tác. Các chất khác - người quảng bá- ngược lại, chúng tăng cường hoạt động xúc tác.
Chất xúc tác có thể thay đổi hướng của phản ứng hóa học, nghĩa là bằng cách thay đổi chất xúc tác, bạn có thể thu được các sản phẩm phản ứng khác nhau. Như vậy, từ rượu C 2 H 5 OH với sự có mặt của kẽm và oxit nhôm có thể thu được butadien và với sự có mặt của axit sunfuric đậm đặc có thể thu được ethylene.
Do đó, trong một phản ứng hóa học, năng lượng của hệ thay đổi. Nếu trong quá trình phản ứng năng lượng được giải phóngở dạng nhiệt Q, quá trình này được gọi là tỏa nhiệt:
Vì cuối quá trình nhiệt nhiệt được hấp thụ, tức là hiệu ứng nhiệt Q< 0 .
Nhiệm vụ 5.3. Xác định quá trình nào được đề xuất là tỏa nhiệt và quá trình nào là thu nhiệt:
Phương trình phản ứng hóa học trong đó hiệu ứng nhiệt, được gọi là phương trình nhiệt hóa của phản ứng. Để lập được phương trình như vậy cần tính hiệu ứng nhiệt trên 1 mol chất phản ứng.
Nhiệm vụ.Đốt cháy 6g magie thì tỏa nhiệt lượng 153,5 kJ. Viết phương trình nhiệt hóa của phản ứng này.
Giải pháp. Hãy lập phương trình phản ứng và chỉ ra TRÊN các công thức đã cho:
Sau khi tạo thành tỷ lệ, chúng ta tìm thấy hiệu ứng nhiệt mong muốn của phản ứng:
Phương trình nhiệt hóa của phản ứng này là:
Những nhiệm vụ như vậy được đưa ra trong các bài tập số đông Tùy chọn bài kiểm tra trạng thái thống nhất! Ví dụ.
Nhiệm vụ kiểm tra thống nhất nhà nước. Theo phương trình phản ứng nhiệt hóa
Lượng nhiệt tỏa ra khi đốt 8 g khí metan bằng:
Tính thuận nghịch của các quá trình hóa học. Nguyên lý Le Chatelier
* LE CHATELIER Henri Louis(8.10.1850–17.09.1936) - Nhà hóa lý và luyện kim người Pháp. Công thức luật chung sự dịch chuyển cân bằng (1884).
Phản ứng có thể đảo ngược hoặc không thể đảo ngược.
không thể đảo ngượcĐây là những phản ứng không có điều kiện nào có thể thực hiện được quá trình ngược lại.
Một ví dụ về các phản ứng như vậy là các phản ứng xảy ra khi sữa chua hoặc khi một miếng cốt lết ngon bị cháy. Cũng như không thể cho thịt băm trở lại máy xay thịt (và lấy lại một miếng thịt), cũng không thể “làm sống lại” một miếng cốt lết hoặc làm sữa tươi.
Nhưng chúng ta hãy tự hỏi mình một câu hỏi đơn giản: liệu quá trình này có thể đảo ngược được không?
Để trả lời câu hỏi này, chúng ta thử nhớ xem liệu có thể thực hiện quy trình ngược lại không? Đúng! Việc phân hủy đá vôi (phấn) thu được vôi sống CaO được ứng dụng ở quy mô công nghiệp:
Vì vậy, phản ứng có thể thuận nghịch vì có những điều kiện mà theo đó cả hai quá trình:
Hơn nữa, có những điều kiện mà theo đó tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.
Dưới những điều kiện này nó được thành lập cân bằng hóa học. Lúc này phản ứng không dừng lại mà số hạt thu được bằng số hạt bị phân hủy. Đó là lý do tại sao ở trạng thái cân bằng hóa học, nồng độ các hạt phản ứng không thay đổi. Ví dụ, đối với quá trình của chúng tôi tại thời điểm cân bằng hóa học
ký tên có nghĩa là nồng độ cân bằng.
Câu hỏi đặt ra là điều gì sẽ xảy ra với trạng thái cân bằng nếu nhiệt độ tăng hoặc giảm hoặc các điều kiện khác bị thay đổi? Trả lời câu hỏi tương tự bạn có thể, biết Nguyên lý Le Chatelier:
nếu bạn thay đổi các điều kiện (t, p, c) theo đó hệ ở trạng thái cân bằng thì trạng thái cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng quá trình chống lại sự thay đổi.
Nói cách khác, một hệ thống cân bằng luôn chống lại mọi tác động từ bên ngoài, giống như một đứa trẻ thất thường làm “điều ngược lại” chống lại ý muốn của cha mẹ.
Hãy xem một ví dụ. Hãy thiết lập trạng thái cân bằng trong phản ứng tạo ra amoniac:
Câu hỏi. Số mol khí phản ứng trước và sau phản ứng có bằng nhau không? Nếu phản ứng xảy ra trong một thể tích kín thì khi nào áp suất lớn hơn: trước hay sau phản ứng?
Rõ ràng là quá trình này xảy ra khi số lượng phân tử khí giảm, nghĩa là áp lực giảm trong phản ứng trực tiếp. TRONG đảo ngược phản ứng - ngược lại, áp suất trong hỗn hợp tăng lên.
Chúng ta hãy tự hỏi điều gì sẽ xảy ra nếu trong hệ thống này tăngáp lực? Theo nguyên lý Le Chatelier, phản ứng “ngược lại” sẽ diễn ra, tức là. hạ thấpáp lực. Đây là phản ứng trực tiếp: ít phân tử hơn khí - ít áp lực hơn.
Vì thế, Tại tăng áp suất cân bằng chuyển dịch sang một bên quá trình trực tiếp, Ở đâuáp suất giảm xuống, khi số lượng phân tử giảm chất khí
Nhiệm vụ kiểm tra thống nhất nhà nước. Tại tăng sự thay đổi cân bằng áp suất Phải trong hệ thống:
Nếu do phản ứng số lượng phân tử khí không thay đổi thì sự thay đổi áp suất không ảnh hưởng đến vị trí cân bằng.
Nhiệm vụ kiểm tra thống nhất nhà nước. Sự thay đổi áp suất ảnh hưởng đến sự dịch chuyển trạng thái cân bằng trong hệ thống:
Vị trí cân bằng của phản ứng này và bất kỳ phản ứng nào khác phụ thuộc vào nồng độ của các chất phản ứng: bằng cách tăng nồng độ của các chất ban đầu và giảm nồng độ của các chất tạo thành, chúng ta luôn chuyển trạng thái cân bằng theo hướng phản ứng trực tiếp (sang phải).
Nhiệm vụ kiểm tra thống nhất nhà nước.
sẽ dịch chuyển sang trái khi:
- tăng huyết áp;
- giảm nhiệt độ;
- tăng nồng độ CO;
- giảm nồng độ CO2.
Quá trình tổng hợp amoniac là quá trình tỏa nhiệt, nghĩa là kèm theo sự giải phóng nhiệt, tức là tăng nhiệt độ trong hỗn hợp.
Câu hỏi. Cân bằng trong hệ này sẽ dịch chuyển như thế nào khi giảm nhiệt độ?
Lập luận tương tự, chúng tôi làm Phần kết luận: khi giảm nhiệt độ, trạng thái cân bằng sẽ chuyển dịch theo hướng hình thành amoniac, vì trong phản ứng này nhiệt được giải phóng và nhiệt độ tăng lên.
Câu hỏi. Tốc độ phản ứng hóa học thay đổi như thế nào khi nhiệt độ giảm?
Rõ ràng, khi nhiệt độ giảm, tốc độ của cả hai phản ứng sẽ giảm mạnh, tức là bạn sẽ phải đợi một thời gian rất dài để thiết lập trạng thái cân bằng mong muốn. Phải làm gì? Trong trường hợp này cần thiết chất xúc tác. Mặc dù anh ấy không ảnh hưởng đến vị trí cân bằng, nhưng lại đẩy nhanh sự khởi đầu của trạng thái này.
Nhiệm vụ kiểm tra thống nhất nhà nước. Cân bằng hóa học trong hệ thống
chuyển theo hướng tạo thành sản phẩm phản ứng khi:
- tăng huyết áp;
- tăng nhiệt độ;
- giảm áp lực;
- sử dụng chất xúc tác.
Kết luận
Tốc độ của phản ứng hóa học phụ thuộc vào:
- bản chất của các hạt phản ứng;
- nồng độ hoặc diện tích tiếp xúc của chất phản ứng;
- nhiệt độ;
- sự có mặt của chất xúc tác.
Cân bằng được thiết lập khi tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ quá trình ngược lại. Trong trường hợp này, nồng độ cân bằng của các chất phản ứng không thay đổi. Trạng thái cân bằng hóa học phụ thuộc vào các điều kiện và tuân theo nguyên lý Le Chatelier.
7.1. Phản ứng đồng nhất và không đồng nhất
Hóa chất có thể được tìm thấy ở nhiều nơi khác nhau trạng thái tập hợp, trong khi của họ tính chất hóa học V. tiểu bang khác nhau giống nhau, nhưng hoạt động thì khác nhau (điều này đã được trình bày trong bài giảng trước sử dụng ví dụ hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học).
Chúng ta hãy xem xét các tổ hợp khác nhau của các trạng thái kết tụ trong đó hai chất A và B có thể tồn tại.
A (g.), B (g.) |
||||||||||||||||||||||||||||||
A (tivi), B (tivi) | A (w.), B (tv.) | trộn | A(tv.), B(g.) | A (f.), B (g.) |
||||||||||||||||||||||||||
trộn | (giải pháp) | |||||||||||||||||||||||||||||
không đồng nhất | không đồng nhất | không đồng nhất | đồng nhất | không đồng nhất | không đồng nhất | đồng nhất |
||||||||||||||||||||||||
Hg(l) + HNO3 | H2O + D2O | Fe + O2 | H2S + H2SO4 | CO+O2 |
||||||||||||||||||||||||||
Pha là một vùng của hệ thống hóa học trong đó tất cả các tính chất của hệ thống là không đổi (giống hệt nhau) hoặc thay đổi liên tục từ điểm này sang điểm khác. Mỗi giai đoạn riêng biệt là chất rắn, ngoài ra còn có pha dung dịch và pha khí.
Gọi là đồng nhất hệ thống hóa học, trong đó tất cả các chất đều ở một pha (dung dịch hoặc khí). Nếu có nhiều pha thì hệ thống được gọi là
không đồng nhất.
tương ứng phản ứng hóa họcđược gọi là đồng nhất nếu các chất phản ứng ở cùng một pha. Nếu thuốc thử ở các pha khác nhau thì phản ứng hóa học gọi là không đồng nhất.
Không khó hiểu rằng vì cần phải tiếp xúc với thuốc thử để xảy ra phản ứng hóa học nên phản ứng đồng nhất xảy ra đồng thời trong toàn bộ thể tích của dung dịch hoặc bình phản ứng, trong khi phản ứng không đồng nhất xảy ra ở ranh giới hẹp giữa các pha - tại giao diện. Do đó, về mặt lý thuyết, phản ứng đồng nhất xảy ra nhanh hơn phản ứng không đồng nhất.
Như vậy chúng ta đi đến khái niệm tốc độ phản ứng hóa học.
Tốc độ của một phản ứng hóa học. Quy luật hành động quần chúng. Cân bằng hóa học.
7.2. Tốc độ phản ứng hóa học
Nhánh hóa học nghiên cứu tốc độ và cơ chế của các phản ứng hóa học là một nhánh của hóa lý và được gọi là động học hóa học.
Tốc độ phản ứng hóa học là sự thay đổi lượng chất trên một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích của hệ phản ứng (đối với phản ứng đồng nhất) hoặc trên một đơn vị diện tích bề mặt (đối với phản ứng không đồng nhất).
Như vậy, nếu khối lượng | hoặc khu vực | giao diện |
|||||||||
không thay đổi thì biểu thức tốc độ phản ứng hóa học có dạng: |
|||||||||||
ồ, ồ | |||||||||||
Tỷ lệ thay đổi lượng của một chất so với thể tích của hệ có thể được hiểu là sự thay đổi nồng độ của một chất nhất định.
Lưu ý rằng đối với thuốc thử, biểu thức tốc độ phản ứng hóa học được viết bằng dấu trừ, vì nồng độ của thuốc thử giảm và tốc độ phản ứng hóa học thực tế là giá trị dương.
Các kết luận sâu hơn dựa trên những cân nhắc vật lý đơn giản coi phản ứng hóa học là hệ quả của sự tương tác của một số hạt.
Sơ cấp (hoặc đơn giản) là một phản ứng hóa học xảy ra trong một giai đoạn. Nếu có một số giai đoạn, thì những phản ứng như vậy được gọi là phản ứng phức tạp, tổng hợp hoặc tổng hợp.
Năm 1867, người ta đề xuất mô tả tốc độ phản ứng hóa học luật hành động quần chúng: tốc độ của một phản ứng hóa học cơ bản tỷ lệ thuận với nồng độ của các chất phản ứng theo lũy thừa của các hệ số cân bằng hóa học.n A +m B P,
A, B – chất phản ứng, P – sản phẩm, n, m – hệ số.
W =k n m
Hệ số k được gọi là hằng số tốc độ của phản ứng hóa học,
đặc trưng cho bản chất của các hạt tương tác và không phụ thuộc vào nồng độ hạt.
Tốc độ của một phản ứng hóa học. Quy luật hành động quần chúng. Cân bằng hóa học. Các đại lượng n và m được gọi là thứ tự phản ứng theo chất A và B tương ứng, và
tổng của chúng (n + m) – thứ tự phản ứng.
Đối với các phản ứng cơ bản, bậc phản ứng có thể là 1, 2 và 3.
Các phản ứng cơ bản bậc 1 được gọi là đơn phân tử, bậc 2 - lưỡng phân tử, bậc 3 - ba phân tử tùy theo số lượng phân tử tham gia. Các phản ứng cơ bản trên bậc ba vẫn chưa được biết - các tính toán cho thấy sự gặp gỡ đồng thời của bốn phân tử tại một điểm là một sự kiện quá khó tin.
Vì một phản ứng phức tạp bao gồm một chuỗi các phản ứng cơ bản nhất định nên tốc độ của nó có thể được biểu thị bằng tốc độ của các giai đoạn riêng lẻ của phản ứng. Do đó, đối với các phản ứng phức tạp, bậc có thể là bất kỳ, kể cả phân số hoặc bằng 0 ( thứ tự không phản ứng chỉ ra rằng phản ứng xảy ra với tốc độ không đổi và không phụ thuộc vào nồng độ các hạt phản ứng W = k).
Giai đoạn chậm nhất quá trình phức tạp thường được gọi là giai đoạn giới hạn tỷ lệ.
Hãy tưởng tượng rằng một số lượng lớn các phân tử được đưa đến một rạp chiếu phim miễn phí, nhưng có một thanh tra viên ở lối vào kiểm tra tuổi của mỗi phân tử. Do đó, một dòng vật chất đi vào cửa rạp chiếu phim và các phân tử lần lượt đi vào phòng chiếu phim, tức là. rất chậm.
Ví dụ về phản ứng bậc nhất cơ bản là các quá trình phân rã nhiệt hoặc phóng xạ, hằng số tốc độ k đặc trưng cho xác suất phá vỡ liên kết hóa học hoặc xác suất phân rã trên một đơn vị thời gian.
Có rất nhiều ví dụ về phản ứng bậc hai cơ bản - đây là cách phản ứng quen thuộc nhất đối với chúng ta - hạt A va chạm với hạt B, một số biến đổi xảy ra và một cái gì đó xảy ra ở đó (lưu ý rằng các sản phẩm trên lý thuyết không ảnh hưởng gì cả - mọi sự chú ý chỉ được dành cho các hạt phản ứng).
Ngược lại, có khá nhiều phản ứng bậc ba cơ bản, vì rất hiếm khi ba hạt gặp nhau đồng thời.
Để minh họa, chúng ta hãy xem xét khả năng dự đoán của động học hóa học.
Tốc độ của một phản ứng hóa học. Quy luật hành động quần chúng. Cân bằng hóa học.
Phương trình động học bậc nhất
(Tài liệu minh họa bổ sung)
Chúng ta hãy xem xét một phản ứng bậc nhất đồng nhất, hằng số tốc độ bằng k, nồng độ ban đầu của chất A bằng [A]0.
Theo định nghĩa, tốc độ của một phản ứng hóa học đồng nhất bằng |
||||||||||||||||||
K[A] | sự thay đổi nồng độ trong một đơn vị thời gian. Một khi chất A – |
|||||||||||||||||
thuốc thử, đặt dấu trừ. | ||||||||||||||||||
Phương trình như vậy được gọi là vi phân (có |
||||||||||||||||||
phái sinh) | ||||||||||||||||||
[MỘT] | Để giải ta chuyển các đại lượng sang vế trái |
|||||||||||||||||
nồng độ và đúng thời điểm. | ||||||||||||||||||
Nếu đạo hàm của hai hàm số bằng nhau thì bản thân các hàm số đó |
||||||||||||||||||
nên khác nhau không quá một hằng số. | ||||||||||||||||||
Để giải quyết phương trình đã cho lấy tích phân của vế trái (trên |
||||||||||||||||||
nồng độ) và phía bên phải (trong thời gian). Để không sợ hãi |
||||||||||||||||||
ln[ A ] = −kt +C | người nghe, chúng tôi sẽ giới hạn câu trả lời. | |||||||||||||||||
Ký hiệu ln là logarit tự nhiên, tức là số b sao cho | ||||||||||||||||||
= [A],e = 2,71828… | ||||||||||||||||||
ln[ A ]- ln0 = - kt | Hằng số C được tìm thấy từ các điều kiện ban đầu: | |||||||||||||||||
tại t = 0 nồng độ ban đầu là [A]0 | ||||||||||||||||||
[MỘT] | Logarit thời gian – | đây là lũy thừa của một số, chúng ta sử dụng tính chất của lũy thừa |
||||||||||||||||
[A]0 | e a− b= | |||||||||||||||||
Bây giờ chúng ta hãy loại bỏ logarit khó chịu (xem định nghĩa |
||||||||||||||||||
logarit cao hơn 6-7 dòng), | Tại sao chúng ta tăng số lượng? | |||||||||||||||||
lũy thừa của vế trái và vế phải của phương trình. | ||||||||||||||||||
[MỘT] | E−kt | Nhân với [A]0 | ||||||||||||||||
[A]0 | ||||||||||||||||||
Phương trình động học bậc nhất. | ||||||||||||||||||
[ A ]= 0 × e − kt | Dựa trên | phương trình động học thu được của lần đầu tiên |
||||||||||||||||
có thể đặt hàng | tính toán | nồng độ chất | ||||||||||||||||
bất cứ lúc nào | ||||||||||||||||||
Vì mục đích của khóa học của chúng tôi kết luận này chỉ nhằm mục đích cung cấp thông tin, để chứng minh cho bạn thấy việc sử dụng bộ máy toán họcđể tính diễn biến của một phản ứng hóa học. Do đó, một nhà hóa học có năng lực không thể không biết toán học. Học toán!
Tốc độ của một phản ứng hóa học. Quy luật hành động quần chúng. Cân bằng hóa học. Nồng độ của chất phản ứng và sản phẩm theo thời gian có thể được vẽ biểu đồ một cách định tính như sau(Ví dụ phản ứng không thuận nghịchđơn hàng đầu tiên)
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng
1. Bản chất của chất phản ứng
Ví dụ: Tốc độ phản ứng của các chất sau: H2 SO4, CH3 COOH, H2 S, CH3 OH - với ion hydroxit sẽ thay đổi tùy theo cường độ liên kết H-O. Để đánh giá độ mạnh của một kết nối nhất định, bạn có thể sử dụng giá trị tương đối điện tích dương trên nguyên tử hydro: điện tích càng lớn thì phản ứng càng dễ dàng.
2. Nhiệt độ
Kinh nghiệm sống cho chúng ta biết rằng tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ và tăng khi nhiệt độ tăng. Ví dụ, quá trình làm chua sữa xảy ra nhanh hơn ở nhiệt độ phòng thay vì trong tủ lạnh.
Hãy chuyển sang biểu thức toán học quy luật hành động quần chúng.
W =k n m
Một lần bên trái Biểu thức này (tốc độ phản ứng) phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó, vế phải của biểu thức cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong trường hợp này, tất nhiên, nồng độ không phụ thuộc vào nhiệt độ: ví dụ, sữa vẫn giữ được hàm lượng chất béo 2,5% cả trong tủ lạnh và ở nhiệt độ phòng. Sau đó, như Sherlock Holmes thường nói, lời giải còn lại là lời giải đúng, cho dù nó có vẻ kỳ lạ đến đâu: hằng số tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ!
Tốc độ của một phản ứng hóa học. Quy luật hành động quần chúng. Cân bằng hóa học. Sự phụ thuộc của hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ được biểu thị bằng phương trình Arrhenius:
− Ea
k = k0 eRT,
trong đó
R = 8,314 J mol-1 K-1 – hằng số khí phổ quát,
E a là năng lượng kích hoạt của phản ứng (xem bên dưới), nó thường được coi là không phụ thuộc vào nhiệt độ;
k 0 là hệ số tiền mũ (tức là hệ số đứng trước số mũ), giá trị của hệ số này gần như không phụ thuộc vào nhiệt độ và trước hết được xác định theo thứ tự của phản ứng.
Do đó, giá trị của k0 xấp xỉ 1013 s-1 đối với phản ứng bậc một, 10 -10 l mol-1 s-1 đối với phản ứng bậc hai,
đối với phản ứng bậc ba – 10 -33 l2 mol-2 s-1. Không cần thiết phải nhớ những giá trị này.
Các giá trị chính xác của k0 cho mỗi phản ứng được xác định bằng thực nghiệm.
Khái niệm về năng lượng kích hoạt trở nên rõ ràng từ hình dưới đây. Trên thực tế, năng lượng kích hoạt là năng lượng mà hạt phản ứng phải có để phản ứng xảy ra.
Hơn nữa, nếu chúng ta làm nóng hệ thống, thì năng lượng của các hạt sẽ tăng lên (đồ thị nét đứt), trong khi trạng thái chuyển tiếp (≠) vẫn ở mức tương tự. Sự chênh lệch năng lượng giữa trạng thái chuyển tiếp và chất phản ứng (năng lượng hoạt hóa) giảm, tốc độ phản ứng theo phương trình Arrhenius tăng.
Tốc độ của một phản ứng hóa học. Quy luật hành động quần chúng. Cân bằng hóa học. Ngoài phương trình Arrhenius, còn có phương trình Van't Hoff.
đặc trưng cho sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ thông qua hệ số nhiệt độ γ:
Hệ số nhiệt độ γ cho biết tốc độ phản ứng hóa học sẽ tăng bao nhiêu lần khi nhiệt độ thay đổi 10o.
Phương trình Van't Hoff:
T 2− T 1
W (T 2 )= W (T 1 )× γ10
Thông thường, hệ số γ nằm trong khoảng từ 2 đến 4. Vì lý do này, các nhà hóa học thường sử dụng phép tính gần đúng rằng nhiệt độ tăng thêm 20o sẽ dẫn đến tốc độ phản ứng tăng theo một bậc độ lớn (tức là 10 lần).
Tốc độ của phản ứng hóa học phụ thuộc vào các yếu tố sau:
1) Bản chất của các chất phản ứng.
2) Bề mặt tiếp xúc của thuốc thử.
3) Nồng độ chất phản ứng.
4) Nhiệt độ.
5) Sự hiện diện của chất xúc tác.
Tốc độ của các phản ứng không đồng nhất cũng phụ thuộc vào:
a) kích thước của bề mặt pha (khi bề mặt pha tăng lên, tốc độ phản ứng không đồng nhất cũng tăng lên);
b) tốc độ cung cấp các chất phản ứng vào bề mặt pha và tốc độ loại bỏ các sản phẩm phản ứng khỏi nó.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học:
1. Bản chất của thuốc thử. Bản chất của các liên kết hóa học trong các hợp chất và cấu trúc phân tử của chúng đóng một vai trò quan trọng. Ví dụ, sự giải phóng hydro bằng kẽm từ dung dịch axit clohydric xảy ra nhanh hơn nhiều so với dung dịch axit axetic, vì độ phân cực của liên kết H-C1 lớn hơn Kết nối O-N trong phân tử CH 3 COOH hay nói cách khác là do HCl - chất điện ly mạnh và CH 3 COOH là chất điện li yếu trong dung dịch nước.
2. Bề mặt tiếp xúc của thuốc thử. Bề mặt tiếp xúc của các chất phản ứng càng lớn thì phản ứng diễn ra càng nhanh. Diện tích bề mặt của chất rắn có thể tăng lên bằng cách nghiền chúng và đối với các chất hòa tan bằng cách hòa tan chúng. Phản ứng trong dung dịch xảy ra gần như ngay lập tức.
3. Nồng độ của thuốc thử. Để tương tác xảy ra, các hạt của chất phản ứng trong hệ thống đồng nhất phải va chạm nhau. Khi tăng nồng độ chất phản ứng tốc độ phản ứng tăng lên. Điều này được giải thích là do khi lượng chất trên một đơn vị thể tích tăng lên thì số va chạm giữa các hạt của chất phản ứng cũng tăng lên. Số lượng va chạm tỷ lệ thuận với số lượng hạt của chất phản ứng trong thể tích của lò phản ứng, tức là nồng độ mol của chúng.
Sự phụ thuộc định lượng của tốc độ phản ứng vào nồng độ chất phản ứng được thể hiện luật hành động quần chúng (Guldberg và Waage, Na Uy, 1867): tốc độ của một phản ứng hóa học tỉ lệ thuận với tích nồng độ của các chất phản ứng.
Đối với phản ứng:
aA + bB ↔ cC + dD
tốc độ phản ứng theo định luật tác dụng khối lượng bằng:
υ = k[MỘT]υ một[B]υb,(9)
trong đó [A] và [B] là nồng độ của các chất ban đầu;
k-hằng số tốc độ phản ứng, bằng tốc độ phản ứng ở nồng độ chất phản ứng [A] = [B] = 1 mol/l.
Hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào bản chất của chất phản ứng, nhiệt độ, nhưng không phụ thuộc vào nồng độ các chất.
Biểu thức (9) được gọi là phương trình động học của phản ứng. Các phương trình động học bao gồm nồng độ của các chất khí và các chất hòa tan, nhưng không bao gồm nồng độ của các chất rắn:
2SO 2 (g) + O 2 (g) = 2SO 3 (g); υ = k 2 · [O 2 ];
CuO (tv.) + H 2 (g) = Cu (tv.) + H 2 O (g); υ = k.
Sử dụng phương trình động học, bạn có thể tính tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào khi nồng độ chất phản ứng thay đổi.
Ảnh hưởng của chất xúc tác.
5. Nhiệt độ phản ứng. Lý thuyết va chạm tích cực
Để một hành động tương tác hóa học cơ bản diễn ra, các hạt phản ứng phải va chạm với nhau. Tuy nhiên, không phải mọi va chạm đều dẫn đến phản ứng hóa học. Tương tác hóa học xảy ra khi các hạt tiến đến khoảng cách mà tại đó có thể phân phối lại mật độ electron và hình thành các liên kết hóa học mới. Các hạt tương tác phải có đủ năng lượng để thắng được lực đẩy phát sinh giữa lớp vỏ electron của chúng.
Trạng thái chuyển tiếp- trạng thái của hệ thống trong đó việc phá hủy và tạo ra các kết nối được cân bằng. Hệ thống vẫn ở trạng thái chuyển tiếp trong một thời gian ngắn (10–15 giây). Năng lượng cần tiêu hao để đưa hệ thống vào trạng thái chuyển tiếp được gọi là năng lượng kích hoạt. Trong các phản ứng nhiều bước bao gồm một số trạng thái chuyển tiếp, năng lượng kích hoạt tương ứng với giá trị cao nhất năng lượng. Sau khi vượt qua trạng thái chuyển tiếp, các phân tử lại phân tán với sự phá hủy các liên kết cũ và hình thành các liên kết mới hoặc với sự biến đổi của các liên kết ban đầu. Cả hai lựa chọn đều có thể thực hiện được vì chúng xảy ra khi giải phóng năng lượng. Có những chất có thể làm giảm năng lượng kích hoạt của một phản ứng nhất định.
Các phân tử hoạt động A 2 và B 2 khi va chạm kết hợp thành phức hợp hoạt động trung gian A 2 ... B 2 với sự suy yếu và sau đó phá vỡ liên kết A-A và B-B và tăng cường liên kết A-B.
“Năng lượng kích hoạt” của phản ứng hình thành НI (168 kJ/mol) nhỏ hơn đáng kể so với năng lượng cần thiết để phá vỡ hoàn toàn liên kết trong các phân tử ban đầu của Н2 và I2 (571 kJ/mol). Vì vậy, con đường phản ứng thông qua sự hình thành phức hợp hoạt động (kích hoạt) thuận lợi hơn về mặt năng lượng so với con đường đi qua sự phá vỡ hoàn toàn các liên kết trong các phân tử ban đầu. Phần lớn các phản ứng xảy ra thông qua sự hình thành các phức chất hoạt động trung gian. Các nguyên tắc của lý thuyết phức hợp hoạt động được phát triển bởi G. Eyring và M. Polyani vào những năm 30 của thế kỷ 20.
Năng lượng kích hoạtđại diện cho động năng dư thừa của các hạt so với năng lượng trung bình cần thiết cho quá trình biến đổi hóa học của các hạt va chạm. Phản ứng được đặc trưng bởi năng lượng hoạt hóa khác nhau (Ea). Trong hầu hết các trường hợp, năng lượng kích hoạt của các phản ứng hóa học giữa các phân tử trung tính nằm trong khoảng từ 80 đến 240 kJ/mol. Vì quá trình sinh hóa giá trị E a thường thấp hơn - lên tới 20 kJ/mol. Điều này được giải thích là do phần lớn các quá trình sinh hóa diễn ra thông qua giai đoạn phức hợp enzyme-cơ chất. Rào cản năng lượng hạn chế phản ứng. Nhờ đó, về nguyên tắc phản ứng có thể xảy ra(Tại Q< 0) практически всегда не протекают или замедляются. Реакции с энергией активации выше 120 кДж/моль настолько медленны, что их протекание трудно заметить.
Để phản ứng xảy ra, các phân tử phải được định hướng theo một cách nhất định và có đủ năng lượng khi chúng va chạm. Xác suất định hướng va chạm thích hợp được đặc trưng bởi entropy kích hoạt ∆S a. Sự phân bố lại mật độ electron trong phức hoạt động được thuận lợi bởi điều kiện khi va chạm, các phân tử A 2 và B 2 được định hướng, như thể hiện trong Hình 2. 3a, trong khi với hướng được hiển thị trong Hình. Trong hình 3b, xác suất phản ứng thậm chí còn nhỏ hơn nhiều - trong Hình. 3c.
Cơm. 3. Hướng thuận lợi (a) và bất lợi (b, c) của các phân tử A 2 và B 2 khi va chạm
Phương trình đặc trưng cho sự phụ thuộc của tốc độ và phản ứng vào nhiệt độ, năng lượng kích hoạt và entropy kích hoạt có dạng:
(10)
Ở đâu k- hằng số tốc độ phản ứng;
MỘT- đến xấp xỉ thứ nhất, tổng số va chạm giữa các phân tử trên một đơn vị thời gian (giây) trên một đơn vị thể tích;
e- cơ số logarit tự nhiên;
R- hằng số khí phổ quát;
E a- năng lượng kích hoạt;
∆S a- thay đổi entropy kích hoạt.
Phương trình (11) được Arrhenius đưa ra vào năm 1889. Hệ số tiền mũ MỘT tỉ lệ thuận với tổng số va chạm giữa các phân tử trong một đơn vị thời gian. Kích thước của nó trùng với kích thước của hằng số tốc độ và phụ thuộc vào bậc tổng cộng của phản ứng.
Nhà triển lãm bằng với tỷ lệ va chạm tích cực từ chúng tổng số, tức là các phân tử va chạm phải có đủ năng lượng tương tác. Xác suất định hướng mong muốn của chúng tại thời điểm va chạm tỷ lệ thuận với .
Khi thảo luận về định luật tác dụng khối lượng đối với tốc độ (9), người ta đã phát biểu cụ thể rằng hằng số tốc độ là một giá trị không đổi không phụ thuộc vào nồng độ của thuốc thử. Người ta cho rằng tất cả các biến đổi hóa học xảy ra ở nhiệt độ không đổi. Đồng thời, tốc độ biến đổi hóa học có thể thay đổi đáng kể khi nhiệt độ giảm hoặc tăng. Theo quan điểm của định luật tác dụng khối lượng, sự thay đổi tốc độ này là do sự phụ thuộc vào nhiệt độ của hằng số tốc độ, vì nồng độ của các chất phản ứng chỉ thay đổi một chút do sự giãn nở nhiệt hoặc nén của chất lỏng.
Tốt nhất sự thật đã biết là tốc độ phản ứng tăng khi nhiệt độ tăng. Loại này sự phụ thuộc nhiệt độ tốc độ được gọi là Bình thường (Hình 3 a). Kiểu phụ thuộc này là đặc trưng của tất cả các phản ứng đơn giản.
Cơm. 3. Các loại phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ phản ứng hóa học: a - bình thường;
b - bất thường; c - enzym
Tuy nhiên, các biến đổi hóa học ngày nay đã được biết rõ, tốc độ của chúng giảm khi nhiệt độ tăng; kiểu phụ thuộc tốc độ này vào nhiệt độ được gọi là bất thường . Một ví dụ là phản ứng pha khí của oxit nitơ (II) với brom (Hình 3 b).
Sở thích đặc biệtđối với bác sĩ nó đại diện cho sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tốc độ phản ứng enzym, tức là phản ứng có sự tham gia của enzym. Hầu như tất cả các phản ứng xảy ra trong cơ thể đều thuộc loại này. Ví dụ, khi hydrogen peroxide phân hủy với sự có mặt của enzyme catalase, tốc độ phân hủy phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong khoảng 273-320 ĐẾN Sự phụ thuộc vào nhiệt độ là bình thường. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ tăng và khi nhiệt độ giảm thì tốc độ giảm. Khi nhiệt độ tăng lên trên 320 ĐẾN có sự giảm mạnh bất thường về tốc độ phân hủy peroxide. Hình ảnh tương tự xảy ra đối với các phản ứng enzyme khác (Hình 3c).
Từ phương trình Arrhenius cho k rõ ràng là vì Tđược bao gồm trong số mũ, tốc độ phản ứng hóa học rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng đồng nhất vào nhiệt độ có thể được biểu diễn bằng quy tắc Van’t Hoff, theo đó cứ tăng nhiệt độ 10° thì tốc độ phản ứng tăng 2-4 lần; một con số cho biết tốc độ của một phản ứng đã cho tăng bao nhiêu lần khi nhiệt độ tăng thêm 10° được gọi là hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng -γ.
Quy tắc này được thể hiện dưới dạng toán học bằng công thức sau:
(12)
trong đó γ là hệ số nhiệt độ, biểu thị tốc độ phản ứng tăng bao nhiêu lần khi nhiệt độ tăng thêm 10 0; υ 1 –t 1 ; υ2 – tốc độ phản ứng ở nhiệt độ t2.
Khi nhiệt độ tăng lên trong cấp số cộng tốc độ tăng về mặt hình học.
Ví dụ, nếu γ = 2,9 thì khi nhiệt độ tăng 100° thì tốc độ phản ứng tăng 2,9 10 lần, tức là 40 nghìn lần. Những sai lệch so với quy luật này là các phản ứng sinh hóa, tốc độ của chúng tăng lên hàng chục lần khi nhiệt độ tăng nhẹ. Quy tắc này chỉ có giá trị ở mức gần đúng. Các phản ứng liên quan đến các phân tử lớn (protein) được đặc trưng bởi hệ số nhiệt độ lớn. Tốc độ biến tính protein (albumin trứng) tăng 50 lần khi nhiệt độ tăng 10°C. Sau khi đạt đến mức tối đa nhất định (50-60 ° C), tốc độ phản ứng giảm mạnh do sự biến tính nhiệt của protein.
Đối với nhiều phản ứng hóa học, định luật tác dụng khối lượng đối với tốc độ vẫn chưa được biết. Trong những trường hợp như vậy, biểu thức có thể được sử dụng để mô tả sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ chuyển đổi:
Tiền số mũ Và với không phụ thuộc vào nhiệt độ mà phụ thuộc vào nồng độ. Đơn vị đo là mol/l∙s.
Sự phụ thuộc về mặt lý thuyết cho phép tính toán trước tốc độ ở bất kỳ nhiệt độ nào nếu biết năng lượng kích hoạt và số mũ trước. Do đó, ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ biến đổi hóa học được dự đoán.
Phản ứng phức tạp
Nguyên tắc độc lập. Mọi thứ được thảo luận ở trên đều liên quan đến những phản ứng tương đối đơn giản, nhưng trong hóa học cái gọi là phản ứng phức tạp thường gặp phải. Những phản ứng như vậy bao gồm những phản ứng được thảo luận dưới đây. Khi rút tiền phương trình động họcĐối với những phản ứng này, nguyên tắc độc lập được sử dụng: Nếu có nhiều phản ứng xảy ra trong một hệ thì mỗi phản ứng đó độc lập với các phản ứng khác và tốc độ của nó tỷ lệ thuận với tích nồng độ các chất phản ứng của nó.
Phản ứng song song- Đây là những phản ứng xảy ra đồng thời theo nhiều hướng.
Sự phân hủy nhiệt của kali clorat xảy ra đồng thời trong hai phản ứng: 
Phản ứng tuần tự- Đây là những phản ứng xảy ra theo nhiều giai đoạn. Đây là phần lớn các phản ứng trong hóa học.
.
Phản ứng liên hợp. Nếu có nhiều phản ứng xảy ra trong một hệ và không thể xảy ra một trong số chúng nếu không có phản ứng kia thì những phản ứng này được gọi là liên hợp , và bản thân hiện tượng đó - bằng cảm ứng .
2HI + H 2 CrO 4 → I 2 + Cr 2 O 3 + H 2 O.
Phản ứng này thực tế không xảy ra trong điều kiện bình thường, nhưng nếu thêm FeO vào hệ thống thì phản ứng sau sẽ xảy ra:
FeO + H 2 CrO 4 → Fe 2 O 3 + Cr 2 O 3 + H 2 O
đồng thời xảy ra phản ứng đầu tiên. Nguyên nhân của hiện tượng này là do phản ứng thứ hai hình thành các sản phẩm trung gian tham gia phản ứng thứ nhất:
FeO 2 + H 2 CrO 4 → Cr 2 O 3 + Fe 5+;
HI + Fe 5+ → Fe 2 O 3 + I 2 + H 2 O.
Cảm ứng hóa học- hiện tượng trong đó một phản ứng hóa học (thứ cấp) phụ thuộc vào phản ứng khác (sơ cấp).
A+ TRONG- sơ đẳng sự phản ứng lại,
A+C- sơ trung sự phản ứng lại,
thì A là chất kích hoạt, TRONG- cuộn cảm, C - chất nhận.
Trong quá trình cảm ứng hóa học, trái ngược với quá trình xúc tác, nồng độ của tất cả những người tham gia phản ứng đều giảm.
yếu tố cảm ứngđược xác định từ phương trình sau:
.
Tùy thuộc vào độ lớn của hệ số cảm ứng, có thể xảy ra các trường hợp sau.
tôi > 0 - quá trình giảm chấn. Tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian.
TÔI < 0 - ускоряющийся процесс. Скорость реакции увеличивается со временем.
Hiện tượng cảm ứng rất quan trọng vì trong một số trường hợp, năng lượng của phản ứng sơ cấp có thể bù cho năng lượng tiêu hao trong phản ứng thứ cấp. Ví dụ, vì lý do này, hóa ra là có thể tổng hợp protein bằng quá trình đa ngưng tụ các axit amin về mặt nhiệt động.
Phản ứng dây chuyền. Nếu một phản ứng hóa học tiến hành với sự hình thành các hạt hoạt động (ion, gốc), các hạt này đi vào các phản ứng tiếp theo sẽ gây ra sự xuất hiện của các hạt hoạt động mới, thì chuỗi phản ứng này được gọi là phản ứng dây chuyền.
Sự hình thành các gốc tự do gắn liền với việc tiêu tốn năng lượng để phá vỡ các liên kết trong phân tử. Năng lượng này có thể được truyền tới các phân tử bằng cách chiếu sáng, phóng điện, đốt nóng, chiếu xạ neutron, hạt α và β. Để thực hiện các phản ứng dây chuyền ở nhiệt độ thấp, người ta đưa chất khơi mào vào hỗn hợp phản ứng - những chất dễ hình thành các gốc tự do: hơi natri, peroxit hữu cơ, iốt, v.v.
Phản ứng tạo thành hydro clorua từ kết nối đơn giản, được kích hoạt bởi ánh sáng.
Tổng phản ứng:
H 2 + C1 2 2HC1.
Các giai đoạn riêng lẻ:
Сl 2 2Сl∙ quang hoạt clo (khởi đầu)
Cl∙ + H 2 = HCl + H∙ phát triển chuỗi
H∙ + Cl 2 = HCl + Cl∙, v.v.
H∙ + Cl∙ = HCl hở mạch
Ở đây H∙ và Cl∙ là các hạt hoạt động (gốc).
Trong cơ chế phản ứng này, có thể phân biệt ba nhóm giai đoạn cơ bản. Đầu tiên là phản ứng quang hóa tạo mầm chuỗi. Các phân tử clo sau khi hấp thụ một lượng tử ánh sáng sẽ phân ly thành các nguyên tử tự do có nồng độ cao khả năng phản ứng. Do đó, trong quá trình tạo mầm của chuỗi, sự hình thành các nguyên tử hoặc gốc tự do từ các phân tử bão hòa hóa trị xảy ra. Quá trình tạo mầm chuỗi còn được gọi là sự khởi đầu. Nguyên tử clo có electron độc thân có thể phản ứng với hydro phân tử, tạo thành các phân tử hydro clorua và hydro nguyên tử. Ngược lại, hydro nguyên tử tương tác với một phân tử clo, kết quả là phân tử hydro clorua và clo nguyên tử lại được hình thành, v.v.
Các quá trình này, được đặc trưng bởi sự lặp lại của các giai đoạn cơ bản (liên kết) giống nhau và tiến hành bảo tồn các gốc tự do, dẫn đến việc tiêu thụ các chất ban đầu và hình thành các sản phẩm phản ứng. Những nhóm phản ứng như vậy được gọi là phản ứng phát triển (hoặc tiếp tục) của chuỗi.
Sân khấu phản ứng dây chuyền, trong đó xảy ra sự chết của các gốc tự do được gọi là hở mạch. Sự chấm dứt chuỗi có thể xảy ra do sự tái hợp của các gốc tự do, nếu năng lượng giải phóng trong quá trình này có thể được truyền cho một số vật thể thứ ba: thành mạch hoặc các phân tử tạp chất trơ (giai đoạn 4, 5). Đó là lý do tại sao tốc độ phản ứng dây chuyền rất nhạy cảm với sự có mặt của tạp chất, hình dạng và kích thước của bình, đặc biệt là ở áp suất thấp.
Số lượng mắt xích cơ bản kể từ thời điểm chuỗi bắt đầu đứt được gọi là độ dài chuỗi. Trong ví dụ đang xem xét, có tới 10,5 phân tử HCl được hình thành cho mỗi lượng tử ánh sáng.
Các phản ứng dây chuyền trong đó không có sự “nhân lên” số lượng gốc tự do được gọi là không phân nhánh hoặc phản ứng dây chuyền đơn giản . Trong mọi giai đoạn sơ cấp của cây chưa phân nhánh quá trình chuỗi một gốc “sinh ra” một phân tử của sản phẩm phản ứng và chỉ một gốc mới (Hình 41).
 |
Các ví dụ khác về phản ứng dây chuyền đơn giản: a) clo hóa parafin hydrocarbon Cl∙ + CH 4 → CH 3 ∙ + HC1; CH 3 ∙ + Cl - → CH 3 Cl + Cl ∙ v.v.; b) phản ứng trùng hợp gốc, ví dụ, trùng hợp vinyl axetat với sự có mặt của benzoyl peroxide, chất này dễ dàng phân hủy thành các gốc tự do; c) sự tương tác của hydro với brom, xảy ra theo cơ chế tương tự như phản ứng của clo với hydro, chỉ có điều chiều dài chuỗi ngắn hơn do tính thu nhiệt của nó.
Nếu do kết quả của quá trình tăng trưởng, hai hoặc nhiều hạt hoạt động xuất hiện thì phản ứng dây chuyền này sẽ phân nhánh.
Năm 1925, N. N. Semenov và các cộng tác viên của ông đã phát hiện ra các phản ứng bao gồm các giai đoạn cơ bản, kết quả là không phải một mà là một số hạt hoạt động hóa học - nguyên tử hoặc gốc - xuất hiện. Sự xuất hiện của một số gốc tự do mới dẫn đến sự xuất hiện của một số chuỗi mới, tức là một nhánh chuỗi. Những quá trình như vậy được gọi là phản ứng dây chuyền phân nhánh (Hình 42).
Một ví dụ về quá trình chuỗi phân nhánh cao là quá trình oxy hóa hydro ở áp suất thấp và nhiệt độ khoảng 900°C. Cơ chế phản ứng có thể được viết như sau.
1. Khởi tạo chuỗi H 2 + O 2 OH∙ + OH∙
2. Phát triển chuỗi OH∙ + H2 → H2O + H∙
3. H∙ + O 2 → OH∙ + O: phân nhánh chuỗi
4. O: + H 2 → OH∙ +H∙
5. OH∙ +H 2 → H 2 O + H∙ tiếp tục chuỗi
6. Н∙ + Н∙ + tường → Н 2 hở mạch trên thành bình
7. H∙ + O 2 + M → HO 2 ∙ + M hở mạch trong âm lượng.
M là một phân tử trơ. Gốc HO 2 ∙, được hình thành trong va chạm ba lần, không hoạt động và không thể tiếp tục chuỗi.
Ở giai đoạn đầu tiên của quá trình, các gốc hydroxyl được hình thành, đảm bảo sự phát triển của một chuỗi đơn giản. Ở giai đoạn thứ ba, do sự tương tác với phân tử ban đầu của một gốc, hai gốc được hình thành và nguyên tử oxy có hai hóa trị tự do. Điều này đảm bảo sự phân nhánh của chuỗi.
Do sự phân nhánh của chuỗi, tốc độ phản ứng tăng nhanh trong khoảng thời gian ban đầu và quá trình kết thúc bằng vụ nổ đánh lửa chuỗi. Tuy nhiên, phản ứng dây chuyền phân nhánh chỉ kết thúc bằng vụ nổ khi tốc độ phân nhánh lớn hơn tốc độ kết thúc chuỗi. TRONG nếu không thì quá trình này chậm.
Khi điều kiện phản ứng thay đổi (thay đổi áp suất, nhiệt độ, thành phần hỗn hợp, kích thước và trạng thái của thành bình phản ứng, v.v.), có thể xảy ra quá trình chuyển từ phản ứng chậm sang nổ và ngược lại. Do đó, trong các phản ứng dây chuyền có các trạng thái giới hạn ( tới hạn) tại đó xảy ra quá trình đánh lửa dây chuyền, từ đó cần phân biệt sự đánh lửa nhiệt xảy ra trong các phản ứng tỏa nhiệt do nhiệt độ ngày càng tăng của hỗn hợp phản ứng với khả năng thoát nhiệt yếu.
Quá trình oxy hóa hơi lưu huỳnh, phốt pho, carbon monoxide (II), carbon disulfide, v.v. xảy ra thông qua cơ chế chuỗi phân nhánh.
Lý thuyết hiện đại quy trình chuỗi được phát triển bởi những người đoạt giải giải Nobel (1956) Viện sĩ Liên Xô N. N. Semenov và nhà khoa học người Anh Hinshelwood.
Phản ứng dây chuyền nên được phân biệt với phản ứng xúc tác, mặc dù phản ứng sau cũng có tính chất tuần hoàn. Sự khác biệt đáng kể nhất giữa phản ứng dây chuyền và phản ứng xúc tác là với cơ chế dây chuyền, phản ứng có thể diễn ra theo hướng tăng năng lượng của hệ do các phản ứng tự phát. Chất xúc tác không gây ra phản ứng không thể xảy ra về mặt nhiệt động. Ngoài ra, trong các phản ứng xúc tác không có các giai đoạn của quá trình như tạo mầm chuỗi và kết thúc chuỗi.
Phản ứng polyme hóa. Trường hợp đặc biệt của phản ứng dây chuyền là phản ứng trùng hợp.
Polyme hóa là một quá trình trong đó phản ứng của các hạt hoạt động (gốc, ion) với các hợp chất phân tử thấp (monome) đi kèm với sự bổ sung tuần tự của chất sau với sự gia tăng chiều dài của chuỗi vật chất (chiều dài phân tử), tức là với sự hình thành polyme.
Monome là hợp chất hữu cơ, như một quy luật, chứa các liên kết không bão hòa (đôi, ba) trong phân tử.
Các giai đoạn chính của quá trình trùng hợp:
1. Sự khởi đầu(dưới ảnh hưởng của ánh sáng, nhiệt, v.v.):
A: A→A" + A"- phân hủy đồng phân với sự hình thành các gốc tự do (các hạt không bão hòa hóa trị hoạt động).
A: B→ A - + B +- phân hủy dị thể với sự hình thành các ion.
2. Chiều cao dây chuyền: A" + M→ LÀ"
(hoặc A - + M→ LÀ", hoặc TRONG + + M→ máy ảo +).
3. Hở mạch: AM" + AM"→ polyme
(hoặc AM" + B +→ polyme, VM + + A"→ polyme).
Tốc độ của quy trình chuỗi luôn lớn hơn tốc độ của quy trình không có chuỗi.
Động học- khoa học về tốc độ phản ứng hóa học.
Tốc độ phản ứng hóa học– số hành động cơ bản tương tác hóa học chảy trên một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích (đồng nhất) hoặc trên một đơn vị bề mặt (không đồng nhất).
Tốc độ phản ứng thực tế:
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học
Đối với các phản ứng đồng nhất, không đồng nhất:
1) nồng độ của các chất phản ứng;
2) nhiệt độ;
3) chất xúc tác;
4) chất ức chế.
Chỉ dành cho không đồng nhất:
1) tốc độ cung cấp các chất phản ứng cho bề mặt pha;
2) diện tích bề mặt.
Yếu tố chính là bản chất của chất phản ứng - bản chất của liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử của chất phản ứng.
NO 2 – nitơ oxit (IV) – đuôi chồn, CO – cacbon monoxit, cacbon monoxit.
Nếu chúng bị oxy hóa bằng oxy, thì trong trường hợp đầu tiên, phản ứng sẽ xảy ra ngay lập tức, ngay khi bạn mở nắp bình, trong trường hợp thứ hai, phản ứng kéo dài theo thời gian.
Nồng độ của chất phản ứng sẽ được thảo luận dưới đây.
Màu xanh đục biểu thị thời điểm kết tủa lưu huỳnh; nồng độ càng cao thì tốc độ càng cao.
Cơm. 10
Nồng độ Na 2 S 2 O 3 càng cao thì thời gian phản ứng càng ngắn. Biểu đồ (Hình 10) hiển thị trực tiếp sự phụ thuộc tỷ lệ. Sự phụ thuộc định lượng của tốc độ phản ứng vào nồng độ của các chất phản ứng được biểu thị bằng LMA (định luật tác dụng khối lượng), trong đó nêu rõ: tốc độ phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với tích của nồng độ các chất phản ứng.
Vì thế, định luật cơ bản của động học là một định luật được thiết lập bằng thực nghiệm: tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với nồng độ của chất phản ứng, ví dụ: (tức là đối với một phản ứng)
Đối với phản ứng này H 2 + J 2 = 2HJ – tốc độ có thể được biểu thị bằng sự thay đổi nồng độ của bất kỳ chất nào. Nếu phản ứng diễn ra từ trái sang phải thì nồng độ H 2 và J 2 sẽ giảm và nồng độ HJ sẽ tăng khi phản ứng diễn ra. Vì tốc độ tức thời phản ứng có thể viết dưới dạng:
dấu ngoặc vuông biểu thị nồng độ.
Ý nghĩa vật lý k– các phân tử chuyển động liên tục, va chạm, bay ra xa nhau và va vào thành bình. Để phản ứng hóa học hình thành HJ xảy ra, các phân tử H2 và J2 phải va chạm nhau. Số lần va chạm như vậy sẽ càng lớn, càng nhiều nhiều phân tử hơn H 2 và J 2 được chứa trong tập, tức là các giá trị [H 2 ] và . Nhưng các phân tử chuyển động với ở tốc độ khác nhau và tổng động năng của hai phân tử va chạm sẽ khác nhau. Nếu các phân tử H 2 và J 2 nhanh nhất va chạm nhau, năng lượng của chúng có thể cao đến mức các phân tử này vỡ ra thành các nguyên tử iốt và hydro, chúng bay ra xa nhau và sau đó tương tác với các phân tử H 2 + J 2 khác. > 2H+2J rồi đến H + J 2 > HJ + J. Nếu năng lượng của các phân tử va chạm nhỏ hơn nhưng đủ cao để làm suy yếu liên kết H – H và J – J thì phản ứng hình thành hydro iodua sẽ xảy ra:
Đối với hầu hết các phân tử va chạm, năng lượng ít hơn năng lượng cần thiết để làm suy yếu liên kết trong H 2 và J 2. Những phân tử như vậy sẽ va chạm “một cách lặng lẽ” và cũng sẽ “lặng lẽ” phân tán, giữ nguyên nguyên trạng của chúng là H 2 và J 2. Như vậy, không phải tất cả mà chỉ một phần va chạm dẫn đến phản ứng hóa học. Hệ số tỷ lệ (k) biểu thị số va chạm hiệu quả dẫn đến phản ứng va chạm ở nồng độ [H 2 ] = 1 mol. Kích cỡ k–tốc độ hằng số. Làm sao tốc độ có thể không đổi? Có, tốc độ đồng đều chuyển động thẳng gọi là hằng số lượng vectơ, bằng tỷ lệ chuyển động của cơ thể trong bất kỳ khoảng thời gian nào với giá trị của khoảng này. Nhưng các phân tử chuyển động hỗn loạn thì làm sao tốc độ có thể là hằng số? Nhưng tốc độ không đổi chỉ có thể được thực hiện ở nhiệt độ không đổi. Khi nhiệt độ tăng, tỷ lệ các phân tử nhanh va chạm dẫn đến phản ứng tăng lên, tức là hằng số tốc độ tăng. Nhưng sự gia tăng hằng số tốc độ không phải là không giới hạn. Ở một nhiệt độ nhất định, năng lượng của các phân tử sẽ trở nên cao đến mức gần như mọi va chạm của các chất phản ứng đều có hiệu quả. Khi hai phân tử nhanh va chạm nhau sẽ xảy ra phản ứng nghịch.
Sẽ đến lúc tốc độ hình thành 2HJ từ H 2 và J 2 và tốc độ phân hủy sẽ bằng nhau, nhưng đây đã là trạng thái cân bằng hóa học. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ của chất phản ứng có thể được xác định bằng cách sử dụng phản ứng truyền thống về tương tác giữa dung dịch natri thiosulfate với dung dịch axit sulfuric.
Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 = Na 2 SO 4 + H 2 S 2 O 3, (1)
H 2 S 2 O 3 = Sv+H 2 O+SO 2 ^. (2)
Phản ứng (1) xảy ra gần như ngay lập tức. Tốc độ phản ứng (2) ở nhiệt độ không đổi phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng H 2 S 2 O 3. Đây chính xác là phản ứng mà chúng tôi đã quan sát được - trong trường hợp này, tốc độ được đo bằng thời gian từ khi bắt đầu hợp nhất các dung dịch cho đến khi xuất hiện màu trắng đục. Trong bài viết L. M. Kuznetsova Phản ứng của natri thiosulfat với axit clohydric được mô tả. Cô ấy viết rằng khi cạn hết dung dịch, hiện tượng màu trắng đục (độ đục) xảy ra. Nhưng tuyên bố này L.M. Kuznetsova đã nhầm lẫn vì màu trắng đục và độ đục là hai thứ khác nhau. Màu trắng đục (từ opal và tiếng Latin escentia– hậu tố có nghĩa là hiệu ứng yếu) – sự tán xạ ánh sáng bởi môi trường đục do tính không đồng nhất quang học của chúng. Tán xạ ánh sáng- độ lệch của tia sáng truyền trong môi trường theo mọi hướng so với phương ban đầu. Các hạt keo có khả năng tán xạ ánh sáng (hiệu ứng Tyndall-Faraday) - điều này giải thích cho hiện tượng màu trắng đục, độ đục nhẹ của dung dịch keo. Khi thực hiện thí nghiệm này, cần tính đến độ đục màu xanh lam và sau đó là sự đông tụ của huyền phù keo của lưu huỳnh. Mật độ tương tự của huyền phù được ghi nhận bằng sự biến mất có thể nhìn thấy của bất kỳ mẫu nào (ví dụ, lưới ở đáy cốc) được quan sát từ phía trên qua lớp dung dịch. Thời gian được tính bằng đồng hồ bấm giờ kể từ thời điểm xả nước.
Dung dịch Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O và H 2 SO 4.
Loại thứ nhất được điều chế bằng cách hòa tan 7,5 g muối trong 100 ml H 2 O, tương ứng với nồng độ 0,3 M. Để pha chế dung dịch H 2 SO 4 có cùng nồng độ, bạn cần đo 1,8 ml H 2 SO 4 (k), ? = = 1,84 g/cm 3 và hòa tan trong 120 ml H 2 O. Đổ dung dịch Na 2 S 2 O 3 đã chuẩn bị vào ba ly: ly thứ nhất 60 ml, ly thứ hai 30 ml, ly thứ ba 10 ml. Thêm 30 ml H 2 O chưng cất vào ly thứ hai và 50 ml vào ly thứ ba. Như vậy, trong cả ba ly sẽ có 60 ml chất lỏng, nhưng ở ly thứ nhất, nồng độ muối có điều kiện = 1, ở ly thứ hai – ½, và ở ly thứ ba – 1/6. Sau khi chuẩn bị xong các dung dịch, đổ 60 ml dung dịch H 2 SO 4 vào cốc thứ nhất chứa dung dịch muối rồi bật đồng hồ bấm giờ, v.v. Xét rằng tốc độ phản ứng giảm khi pha loãng dung dịch Na 2 S 2 O 3, nó có thể được xác định là một đại lượng tỷ lệ nghịch với thời gian v = 1/? và xây dựng đồ thị, vẽ đồ thị nồng độ trên trục hoành và tốc độ phản ứng trên trục tọa độ. Kết luận từ đây là tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của các chất. Dữ liệu thu được được liệt kê trong Bảng 3. Thí nghiệm này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng buret, nhưng điều này đòi hỏi người thực hiện phải thực hành nhiều vì biểu đồ có thể không chính xác.
Bảng 3
Tốc độ và thời gian phản ứng
Định luật Guldberg-Waage được xác nhận - giáo sư hóa học Gulderg và nhà khoa học trẻ Waage).
Hãy xem xét yếu tố tiếp theo- nhiệt độ.
Khi nhiệt độ tăng, tốc độ của hầu hết các phản ứng hóa học đều tăng. Sự phụ thuộc này được mô tả bằng định luật Van't Hoff: “Nhiệt độ tăng thêm 10°C thì tốc độ phản ứng hóa học tăng từ 2 đến 4 lần”.
Ở đâu ? – hệ số nhiệt độ cho biết tốc độ phản ứng tăng lên bao nhiêu lần khi nhiệt độ tăng thêm 10°C;
v 1 – tốc độ phản ứng ở nhiệt độ t 1 ;
v 2 – tốc độ phản ứng ở nhiệt độ t2.
Ví dụ, một phản ứng ở 50°C diễn ra trong 2 phút, thì quá trình đó sẽ hoàn thành trong bao lâu ở 70°C nếu hệ số nhiệt độ ? = 2?
t 1 = 120 giây = 2 phút; t 1 = 50°C; t 2 = 70°C.
Ngay cả khi nhiệt độ tăng nhẹ cũng làm tăng mạnh tốc độ phản ứng va chạm tích cực của phân tử. Theo lý thuyết kích hoạt, chỉ những phân tử có năng lượng lớn hơn năng lượng trung bình của các phân tử một lượng nhất định mới tham gia vào quá trình. Năng lượng dư thừa này là năng lượng kích hoạt. Ý nghĩa vật lý của nó là năng lượng cần thiết cho sự va chạm tích cực của các phân tử (sắp xếp lại các quỹ đạo). Số lượng hạt hoạt động và do đó tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ theo định luật hàm mũ, theo phương trình Arrhenius, phản ánh sự phụ thuộc của hằng số tốc độ vào nhiệt độ
Ở đâu MỘT - Hệ số tỷ lệ Arrhenius;
k– hằng số Boltzmann;
E A – năng lượng kích hoạt;
R – hằng số khí;
T- nhiệt độ.
Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng mà không bị tiêu hao.
Xúc tác- hiện tượng thay đổi tốc độ phản ứng khi có mặt chất xúc tác. Có xúc tác đồng nhất và không đồng nhất. đồng nhất– nếu thuốc thử và chất xúc tác ở cùng trạng thái kết tụ. không đồng nhất– nếu thuốc thử và chất xúc tác ở trạng thái kết tụ khác nhau. Về xúc tác, xem riêng (thêm).
chất ức chế- Chất làm chậm tốc độ phản ứng.
Yếu tố tiếp theo là diện tích bề mặt. Diện tích bề mặt của chất phản ứng càng lớn thì tốc độ càng lớn. Chúng ta hãy xem xét, sử dụng một ví dụ, ảnh hưởng của mức độ phân tán đến tốc độ phản ứng.
CaCO3 – đá cẩm thạch. Hãy ngâm đá cẩm thạch lát gạch vào bồn muối axit HCl, đợi năm phút, nó sẽ tan hoàn toàn.
Đá cẩm thạch dạng bột - chúng tôi sẽ thực hiện quy trình tương tự với nó, nó sẽ tan trong ba mươi giây.
Phương trình cho cả hai quá trình là như nhau.
CaCO 3 (s) + HCl (g) = CaCl 2 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (g) ^.
Vì vậy, khi thêm đá cẩm thạch dạng bột, thời gian sẽ ít hơn so với khi thêm đá cẩm thạch dạng phiến, cho cùng một khối lượng.
Với sự gia tăng bề mặt giao diện, tốc độ phản ứng không đồng nhất tăng lên.
Phản ứng hóa học xảy ra với tốc độ khác nhau. Một số trong số chúng được hoàn thành hoàn toàn trong một phần nhỏ của giây, một số khác được thực hiện trong vài phút, giờ, ngày; các phản ứng được biết là cần vài năm để xảy ra. Ngoài ra, phản ứng tương tự có thể diễn ra nhanh chóng trong một số điều kiện, ví dụ, ở nhiệt độ cao, và chậm trong các điều kiện khác, chẳng hạn như khi làm mát; Hơn nữa, sự khác biệt về tốc độ của cùng một phản ứng có thể rất lớn.
Khi xét tốc độ của một phản ứng hóa học, cần phân biệt phản ứng xảy ra trong hệ đồng thể (phản ứng đồng nhất) và phản ứng xảy ra trong hệ không đồng nhất (phản ứng không đồng nhất).
SỰ ĐỊNH NGHĨA
Hệ thống trong hóa học, người ta thường gọi chất hoặc tập hợp các chất được đề cập. Trong trường hợp này, hệ thống phản đối môi trường bên ngoài- các chất xung quanh hệ thống.
Có hệ thống đồng nhất và không đồng nhất. đồng nhất một hệ thống gồm một pha được gọi là không đồng nhất- một hệ thống bao gồm một số giai đoạn. Giai đoạn là một phần của hệ thống được tách biệt khỏi các phần khác của nó bằng một giao diện, trong quá trình chuyển đổi mà qua đó các thuộc tính thay đổi đột ngột.
Một ví dụ về một hệ thống đồng nhất là bất kỳ hỗn hợp khí 9tất cả các loại khí không nhiều lắm áp lực cao tan vô thời hạn trong nhau) hoặc dung dịch của nhiều chất trong một dung môi.
Ví dụ về các hệ thống không đồng nhất bao gồm các hệ thống sau: nước với băng, dung dịch bão hòa với trầm tích, than và lưu huỳnh trong khí quyển.
Nếu một phản ứng xảy ra trong một hệ thống đồng nhất thì nó sẽ xảy ra trong toàn bộ thể tích của hệ thống này. Nếu phản ứng xảy ra giữa các chất tạo thành hệ không đồng nhất thì phản ứng đó chỉ có thể xảy ra ở bề mặt tiếp xúc giữa các pha tạo thành hệ. Về vấn đề này, tốc độ phản ứng đồng nhất và tốc độ phản ứng không đồng nhất được định nghĩa khác nhau.
SỰ ĐỊNH NGHĨA
Tốc độ phản ứng đồng nhất là lượng chất phản ứng hoặc được tạo thành trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích của hệ.
Tốc độ phản ứng không đồng nhất là lượng chất phản ứng hoặc được tạo thành trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích bề mặt của pha.
Cả hai định nghĩa này đều có thể được viết bằng dạng toán học. Chúng ta hãy đưa ra ký hiệu sau: υ homogen - tốc độ phản ứng trong hệ thống đồng nhất; υ h etero gen - tốc độ phản ứng trong hệ không đồng nhất; n - số mol của bất kỳ chất nào tạo ra sau phản ứng; V là thể tích của hệ thống; t-thời gian; S là diện tích bề mặt của pha xảy ra phản ứng; Δ - dấu tăng dần (Δn = n 2 -n 1; Δt = t 2 -t 1). Sau đó
υ đồng nhất = Δn / (V× Δt);
υ dị thể = Δn / (S× Δt).
Phương trình đầu tiên trong số này có thể được đơn giản hóa. Tỷ lệ giữa lượng chất (n) và thể tích (V) của hệ là nồng độ mol (c) của chất đó: c=n/V, từ đó Δc=Δn/V và cuối cùng:
υ đồng nhất = Δc/Δt.
Ví dụ về giải quyết vấn đề
VÍ DỤ 1
| Bài tập | Lập công thức của hai oxit sắt nếu phần khối lượng của sắt trong chúng là 77,8% và 70,0%. |
| Giải pháp |
Hãy tìm phần khối lượng của mỗi oxit đồng: ω 1 (O) = 100% - ω 1 (Fe) = 100% - 77,8% = 22,2%; ω 2 (O) = 100% - ω 2 (Fe) = 100% - 70,0% = 30,0%. Chúng ta hãy biểu thị số mol các nguyên tố có trong hợp chất bằng “x” (sắt) và “y” (oxy). Khi đó, tỷ lệ mol sẽ như thế này (giá trị tương đối khối lượng nguyên tử, lấy từ bảng tuần hoàn DI. Mendeleev làm tròn đến số nguyên): x:y = ω 1 (Fe)/Ar(Fe) : ω 1 (O)/Ar(O); x:y = 77,8/56: 22,2/16; x:y = 1,39: 1,39 = 1:1. Điều này có nghĩa là công thức của oxit sắt đầu tiên sẽ là FeO. x:y = ω 2 (Fe)/Ar(Fe) : ω 2 (O)/Ar(O); x:y = 70/56: 30/16; x:y = 1,25: 1,875 = 1: 1,5 = 2: 3. Điều này có nghĩa là công thức của oxit sắt thứ hai sẽ là Fe 2 O 3. |
| Trả lời | FeO, Fe2O3 |
VÍ DỤ 2
| Bài tập | Viết công thức hợp chất của hydro, iốt và oxy nếu phần khối lượng của các nguyên tố trong đó là: ω(H) = 2,2%, ω(I) = 55,7%, ω(O) = 42,1%. |
| Giải pháp | Phần khối lượng của nguyên tố X trong phân tử có thành phần NX được tính bằng công thức công thức sau:
ω(X) = n × Ar(X) / M(HX) × 100%. Chúng ta hãy biểu thị số mol của các nguyên tố có trong hợp chất là “x” (hydro), “y” (iodine), “z” (oxy). Khi đó, tỷ lệ mol sẽ như thế này (các giá trị khối lượng nguyên tử tương đối lấy từ Bảng tuần hoàn của D.I. Mendeleev được làm tròn thành số nguyên): x:y:z = ω(H)/Ar(H) : ω(I)/Ar(I) : ω(O)/Ar(O); x:y:z= 2,2/1: 55,7/127: 42,1/16; x:y:z= 2,2: 0,44: 2,63 = 5: 1: 6. Điều này có nghĩa là công thức hợp chất của hydro, iốt và oxy sẽ là H 5 IO 6 . |
| Trả lời | H5IO6 |