Швидкість хімічної реакції

Швидкість реакції

Швидкість, з якою протікає хімічна реакція, визначається як зміна концентрації субстрату або продукту з часом. Швидкість хімічної реакції — це функція, яка представлена ​​у формі загальноприйнятного рівняння швидкості. Зміни кількості компонентів у такому рівнянні зазвичай виражають у молярних концентраціях. Зверніть увагу, що можна використовувати будь-який інший спосіб вираження кількості, наприклад масу, молярну частку або атомну частку (відношення). Хімія також використовує більш просунуту концепцію, яка називається миттєвою швидкістю хімічної реакції . Хід реакції можна візуалізувати, побудувавши залежність між молярною концентрацією (на осі ординат) і часом реакції (на осі х). Для отриманої кривої визначають тангенс і його нахил, останній з яких відповідає миттєвій швидкості реакції. Іншою величиною, яка також характеризує швидкість хімічної реакції, є так званий період напіврозпаду . Це величина, яка описує поведінку радіоактивних елементів у часі. Період напіврозпаду — це час, необхідний для реакції половини початкової кількості субстрату, що означає, що чим довший період напіврозпаду, тим менша константа швидкості k у рівнянні швидкості хімічної реакції. Фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції:

• Концентрація субстрату – неодноразово експериментально доведено, що швидкість реакції значною мірою залежить від концентрації субстрату. Чим вище його концентрація в системі, тим швидше буде протікати той чи інший процес. Це можна пояснити за допомогою теорії зіткнень. Згідно з цією теорією, умовою для проведення певної хімічної реакції є виникнення успішного зіткнення (тобто зіткнення з достатньою енергією) між окремими молекулами субстрату. Таким чином, чим більше молекул субстрату (чим вище їх концентрація), тим вище ймовірність зіткнення, а отже, і швидкість реакції (це прямо пропорційна залежність).
• Каталізатор, присутній у системі – каталізатори – це речовини, які при додаванні до реакційної системи збільшують швидкість, з якою протікає хімічна реакція. Це пов’язано зі зменшенням енергії активації, тобто енергії, необхідної для того, щоб субстрати подолали енергетичний бар’єр реакції та утворили активний комплекс (перехідний стан) до утворення власне продуктів реакції. Зниження енергії активації каталізатором означає, що для ініціювання хімічної реакції потрібно менше енергії.
• Температура і тиск – згідно з правилом Вант-Гоффа, підвищення температури реакційної системи на 10°C збільшує швидкість реакції в 2-4 рази. Це співвідношення дозволяє оцінити швидкість реакції при підвищенні температури, але воно не стосується всіх реакцій і у виняткових випадках призводить навіть до зниження швидкості реакції або до небажаних продуктів. Для реакцій, в яких беруть участь тільки газоподібні речовини, тиск в системі відіграє ключову роль. Його збільшення означає, що концентрація субстрату вища, тому успішні зіткнення між окремими молекулами відбуваються ефективніше, а швидкість реакції збільшується.
• Ступінь подрібнення – на їх поверхні відбуваються хімічні реакції за участю твердих субстратів. Чим більша площа поверхні речовини, тим швидше й ефективніше протікає реакція з її участю. Таким чином, щоб максимально збільшити цю площу, субстрати піддають дробленню або подрібненню. Прикладом є залізний порошок, який швидко окислюється в полум’ї факела, ефект, який не спостерігається при нагріванні залізного прута.
• Змішування – змішування має такий же вплив на швидкість реакції, як і ступінь подрібнення. Ініціювання руху молекул в системі призводить до більш частого їх контакту і утворення продуктів реакції. У поверхневих процесах змішування сприяє від’єднанню отриманих молекул, наприклад, від поверхні каталізатора, таким чином збільшуючи доступ до активних центрів для інших субстратів.

Рівняння швидкості

Рівняння швидкості можна використовувати для опису зв’язків між швидкістю хімічної реакції та концентрацією субстратів. Кожне хімічне перетворення має характерне рівняння швидкості. Найпростіше цю залежність можна виразити як добуток коефіцієнта k (званого константою швидкості реакції, величиною, яка є постійною для конкретної хімічної реакції при певній температурі) і концентрації субстратів. Форма рівняння швидкості залежить від порядку реакції:

• Реакції першого порядку – швидкість залежить тільки від концентрації субстрату в першому ступені.
• Реакції другого порядку – у цьому випадку обидва компоненти, що реагують, або стехіометричний коефіцієнт перед одним субстратом (наприклад, у реакціях розкладання) повинні бути включені в рівняння швидкості. У такій реакції швидкість залежатиме від добутку концентрацій субстрату.

Наведені вище приклади є найпоширенішими, оскільки більшість хімічних реакцій є першого чи другого порядку. Але слід пам’ятати, що можливі й реакції іншого порядку, наприклад нульового, де швидкість реакції не залежить від концентрації субстратів. Рівняння швидкості, яке записується для конкретної хімічної реакції, залежить насамперед від її механізму, тобто від послідовності елементарних реакцій, у яких змінюються молекули. У разі багатоступінчастих процесів механізму швидкість усієї реакції визначається найповільнішим її кроком. У такій ситуації важко точно визначити рівняння швидкості або воно може бути дуже складним. Рівняння швидкості також пов’язане з поняттям порядку хімічної реакції . Порядок визначається як сума показників у рівнянні швидкості. Він визначає, скільки молекул, іонів або атомів має брати участь в успішному зіткненні, щоб відбулася хімічна реакція.

Вплив каталізаторів на швидкість хімічних реакцій

Каталізатори — це речовини, присутність яких у системі збільшує швидкість хімічної реакції. Що важливо, самі вони не реагують на процеси. Разом із субстратами вони утворюють так звані активні комплекси, які значно легше піддаються трансформації. Після завершення хімічної реакції каталізатор відновлюється в початковій формі. Основне завдання каталізатора — зменшити енергію активації, тобто енергію, яку необхідно подати для успішного зіткнення між субстратами, що беруть участь у реакції. Можна виділити гомогенний каталіз (каталізатор і реагенти знаходяться в однаковому агрегатному стані), гетерогенний каталіз (каталізатор і реагенти знаходяться в різних агрегатних станах – найпоширеніший тип каталізу, в якому каталізатор називають контактним) і автокаталіз (один з утворених продуктів прискорює подальшу хімічну реакцію). Каталіз і каталізатори є надзвичайно цінними та важливими аспектами більшості промислових процесів, особливо в хімічній промисловості . Каталізатори використовуються в більшості технологічних процесів в хімії, наприклад, у виробництві азотної (V) кислоти або сірчаної (VI) кислоти .