La velocità di reazione è un valore che mostra la variazione della concentrazione dei reagenti in un periodo di tempo. Per stimarne l'entità è necessario modificare le condizioni iniziali del processo.
Interazioni omogenee
La velocità di reazione tra alcuni composti che si trovano nella stessa forma aggregata dipende dal volume delle sostanze assunte. Da un punto di vista matematico è possibile esprimere la relazione tra la velocità di un processo omogeneo e la variazione della concentrazione per unità di tempo.
Un esempio di tale interazione è l'ossidazione dell'ossido nitrico (2) in ossido nitrico (4).
Processi eterogenei
La velocità di reazione per le sostanze di partenza in diversi stati di aggregazione è caratterizzata dal numero di moli di reagenti di partenza per unità di area per unità di tempo.
Le interazioni eterogenee sono caratteristiche di sistemi che hanno diversi stati aggregati.
Riassumendo, notiamo che la velocità di reazione dimostra la variazione del numero di moli dei reagenti iniziali (prodotti di reazione) perperiodo di tempo, per unità di interfaccia o per unità di volume.
Concentrazione
Consideriamo i principali fattori che influenzano la velocità di reazione. Cominciamo con la concentrazione. Tale dipendenza è espressa dalla legge dell'azione di massa. Esiste una relazione direttamente proporzionale tra il prodotto delle concentrazioni di sostanze che interagiscono, preso in termini di coefficienti stereochimici, e la velocità della reazione.
Considera l'equazione aA + bB=cC + dD, dove A, B, C, D sono liquidi o gas. Per il processo di cui sopra, l'equazione cinetica può essere scritta tenendo conto del coefficiente di proporzionalità, che ha un proprio valore per ogni interazione.
Come motivo principale dell'aumento della velocità, si può notare un aumento del numero di collisioni di particelle che reagiscono per unità di volume.
Temperatura
Considera l'effetto della temperatura sulla velocità di reazione. I processi che si verificano in sistemi omogenei sono possibili solo quando le particelle si scontrano. Ma non tutte le collisioni portano alla formazione di prodotti di reazione. Solo nel caso in cui le particelle abbiano un'energia aumentata. Quando i reagenti vengono riscaldati, si osserva un aumento dell'energia cinetica delle particelle, il numero di molecole attive aumenta, quindi si osserva un aumento della velocità di reazione. La relazione tra l'indice di temperatura e la velocità di processo è determinata dalla regola di van't Hoff: ogni aumento di temperatura di 10°C comporta un aumento della velocità di processo di 2-4 volte.
Catalizzatore
Considerando i fattori che influenzano la velocità di reazione, concentriamoci sulle sostanze che possono aumentare la velocità del processo, ovvero sui catalizzatori. A seconda dello stato di aggregazione del catalizzatore e dei reagenti si distinguono diversi tipi di catalisi:
- forma omogenea, in cui i reagenti e il catalizzatore hanno lo stesso stato di aggregazione;
- eterogeneo quando reagenti e catalizzatore sono nella stessa fase.
Nichel, platino, rodio, palladio possono essere distinti come esempi di sostanze che accelerano le interazioni.
Gli inibitori sono sostanze che rallentano una reazione.
Area contatti
Cos' altro determina la velocità di reazione? La chimica è suddivisa in diverse sezioni, ognuna delle quali tratta la considerazione di determinati processi e fenomeni. Il corso di chimica fisica esamina la relazione tra l'area di contatto e la velocità del processo.
Per aumentare l'area di contatto dei reagenti, questi vengono frantumati a una certa dimensione. L'interazione più veloce si verifica nelle soluzioni, motivo per cui molte reazioni vengono eseguite in un mezzo acquoso.
Quando si macinano solidi, è necessario rispettare le misure. Ad esempio, quando la pirite (solfito di ferro) viene convertita in polvere, le sue particelle vengono sinterizzate in un forno, il che influisce negativamente sulla velocità del processo di ossidazione di questo composto e la resa di anidride solforosa diminuisce.
Reagenti
Cerchiamo di capire come determinare la velocità di reazione a seconda di quali reagenti interagiscono? Ad esempio, i metalli attivi situati nella serie elettrochimica di Beketov prima dell'idrogeno sono in grado di interagire con soluzioni acide e quelli che sono dopo H2 non hanno tale capacità. La ragione di questo fenomeno risiede nella diversa attività chimica dei metalli.
Pressione
In che modo la velocità di reazione è correlata a questo valore? La chimica è una scienza strettamente correlata alla fisica, quindi la dipendenza è direttamente proporzionale, è regolata dalle leggi dei gas. C'è una relazione diretta tra le quantità. E per capire quale legge determina la velocità di una reazione chimica, è necessario conoscere lo stato di aggregazione e la concentrazione dei reagenti.
Tipi di velocità in chimica
È consuetudine distinguere i valori istantanei e medi. Il tasso medio di interazione chimica è definito come la differenza nelle concentrazioni dei reagenti in un periodo di tempo.
Il valore ottenuto è negativo quando la concentrazione diminuisce, positivo quando aumenta la concentrazione dei prodotti di interazione.
Il valore vero (istantaneo) è un tale rapporto in una certa unità di tempo.
Nel sistema SI, la velocità di un processo chimico è espressa in [mol×m-3×s-1].
Problemi di chimica
Diamo un'occhiata ad alcuni esempi di problemi relativi alla determinazione della velocità.
Esempio 1. Incloro e idrogeno vengono mescolati in un recipiente, quindi la miscela viene riscaldata. Dopo 5 secondi, la concentrazione di acido cloridrico ha acquisito un valore di 0,05 mol/dm3. Calcola il tasso medio di formazione di acido cloridrico (mol/dm3 s).
È necessario determinare la variazione della concentrazione di acido cloridrico 5 secondi dopo l'interazione, sottraendo il valore iniziale dalla concentrazione finale:
C(HCl)=c2 - c1=0,05 - 0=0,05 mol/dm3.
Calcola il tasso medio di formazione di acido cloridrico:
V=0,05/5=0,010 mol/dm3 ×s.
Esempio 2. In un vaso con un volume di 3 dm3, si verifica il seguente processo:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
La massa iniziale dell'idrogeno è 1 g. Due secondi dopo l'inizio dell'interazione, la massa dell'idrogeno ha acquisito un valore di 0,4 g. Calcolare il tasso medio di produzione di etano (mol/dm 3×s).
La massa di idrogeno che ha reagito è definita come la differenza tra il valore iniziale e il numero finale. È 1 - 0,4=0,6 (g). Per determinare il numero di moli di idrogeno, è necessario dividerlo per la massa molare di un dato gas: n \u003d 0,6/2 \u003d 0,3 mol. Secondo l'equazione, 1 mole di etano è formata da 2 moli di idrogeno, quindi da 0,3 moli di H2 otteniamo 0,15 moli di etano.
Determina la concentrazione dell'idrocarburo risultante, otteniamo 0,05 mol/dm3. Quindi puoi calcolare la velocità media della sua formazione:=0,025 mol/dm3 ×s.
Conclusione
Vari fattori influenzano la velocità di interazione chimica: la natura delle sostanze reagenti (energia di attivazione), la loro concentrazione, la presenza di un catalizzatore, il grado di macinazione, la pressione, il tipo di radiazione.
Nella seconda metà del diciannovesimo secolo, il professor N. N. Beketov suggerì che esiste una connessione tra le masse dei reagenti iniziali e la durata del processo. Questa ipotesi è stata confermata nella legge dell'azione di massa, stabilita nel 1867 dai chimici norvegesi: P. Wage e K. Guldberg.
La chimica fisica studia il meccanismo e la velocità di vari processi. I processi più semplici che si verificano in una fase sono chiamati processi monomolecolari. Le interazioni complesse implicano diverse interazioni sequenziali elementari, quindi ogni fase è considerata separatamente.
Al fine di ottenere la massima resa dei prodotti di reazione con i minimi costi energetici, è importante tenere conto dei principali fattori che influenzano l'andamento del processo.
Ad esempio, per accelerare il processo di decomposizione dell'acqua in sostanze semplici, è necessario un catalizzatore, il cui ruolo è svolto dall'ossido di manganese (4).
Tutte le sfumature associate alla scelta dei reagenti, alla selezione della pressione e della temperatura ottimali, alla concentrazione dei reagenti sono considerate nella cinetica chimica.
