La velocidad de las reacciones químicas, su dependencia de varios factores.

Reacciones químicas homogéneas y heterogéneas.

Las reacciones químicas se producen a diferentes velocidades: con una velocidad baja, con la formación de estalactitas y estalagmitas, con una velocidad media, con cocción, al instante, con una explosión. Las reacciones en soluciones acuosas pasan muy rápido, casi instantáneamente. Mezclamos soluciones de cloruro de bario y sulfato de sodio; el sulfato de bario en forma de precipitado se forma inmediatamente. Rápidamente, pero no instantáneamente, el azufre se quema, el magnesio se disuelve en ácido clorhídrico, el etileno blanquea el agua de bromo. El óxido se forma lentamente en los objetos de hierro, la placa en los objetos de cobre y bronce, el follaje se deteriora lentamente, los dientes se destruyen.

Predecir la velocidad de una reacción química, así como descubrir su dependencia de las condiciones del proceso, es una tarea cinética química - ciencia de los patrones de reacciones químicas en el tiempo.

Si se producen reacciones químicas en un medio homogéneo, por ejemplo, en solución o en fase gaseosa, la interacción de las sustancias que reaccionan se produce en todo el volumen. Tales reacciones, como saben, se llaman homogéneo.

La velocidad de una reacción homogénea ($ v_ (homog.) $) Se define como el cambio en la cantidad de sustancia por unidad de tiempo en un volumen unitario:

$ υ_ (homog.) \u003d (Δn) / (ΔtV), $

donde $ ∆n $ es el cambio en el número de moles de una sustancia (con mayor frecuencia el inicial, pero quizás el producto de reacción); $ ∆t $ - intervalo de tiempo (s, min.); $ V $ - volumen de gas o solución (l).

Dado que la relación entre la cantidad de sustancia y el volumen es la concentración molar de $ C $, entonces

$ (∆n) / (V) \u003d ∆C. $

Así, velocidad de reacción homogénea definido como un cambio en la concentración de una de las sustancias por unidad de tiempo:

$ υ_ (homog.) \u003d (∆C) / (∆t) [(mol) / (l · s)] $

si el volumen del sistema no cambia. Si la reacción se produce entre sustancias en diferentes estados agregados (por ejemplo, entre una sustancia sólida y un gas o líquido), o entre sustancias que no pueden formar un medio homogéneo (por ejemplo, entre líquidos inmiscibles), entonces procede solo en la superficie de contacto de las sustancias. Tales reacciones se llaman heterogéneo.

Velocidad de reacción heterogénea definido como el cambio en la cantidad de sustancia por unidad de tiempo en una unidad de superficie:

$ υ_ (homog.) \u003d (∆C) / (∆t · S) [(mol) / (c · m ^ 2)] $

donde $ S $ - área de superficie de contacto de sustancias ($ m ^ 2, cm ^ 2 $).

Si, en cualquier reacción en curso, la concentración del material de partida se mide experimentalmente en diferentes puntos en el tiempo, entonces su cambio puede mostrarse gráficamente utilizando la curva cinética para este reactivo.

La velocidad de reacción no es una constante. Indicamos solo una cierta tasa promedio de una reacción dada en un cierto intervalo de tiempo.

Imagine que determinamos la velocidad de reacción

$ H_2 + Cl_2 → 2HCl $

a) un cambio en la concentración de $ H_2 $;

b) el cambio en la concentración de $ HCl $.

¿Obtenemos los mismos valores? De hecho, $ 2 $ mol $ HCl $ se forma a partir de $ 1 $ mol $ H_2 $, por lo tanto, la velocidad en el caso b) será el doble. En consecuencia, el valor de la velocidad de reacción también depende de qué sustancia se determina.

El cambio en la cantidad de sustancia por la cual se determina la velocidad de reacción es un factor externo observado por el investigador. De hecho, todos los procesos se llevan a cabo a nivel micro. Obviamente, para que algunas partículas reaccionen, primero deben colisionar y colisionar eficientemente: no se dispersen como bolas en diferentes direcciones, sino para que los viejos enlaces se rompan o debiliten en las partículas y se puedan formar otras nuevas, pero para Esta partícula debe tener suficiente energía.

Los datos calculados muestran que, por ejemplo, en gas, las colisiones de moléculas a presión atmosférica se estiman en miles de millones por $ 1 $ segundo, es decir. todas las reacciones tendrían que irse al instante. Pero esto no es así. Resulta que solo una fracción muy pequeña de las moléculas tiene la energía necesaria, lo que lleva a una colisión efectiva.

El mínimo exceso de energía que debe tener una partícula (o un par de partículas) para que ocurra una colisión efectiva se llama energía de activación $ E_a $.

Por lo tanto, en el camino de todas las partículas que entran en la reacción, hay una barrera de energía igual a la energía de activación $ E_a $. Cuando es pequeño, hay muchas partículas que pueden superarlo, y la velocidad de reacción es alta. De lo contrario, se requiere un empujón. Cuando traes una cerilla para encender la lámpara de espíritu, le das la energía extra $ E_a $ necesaria para la colisión efectiva de las moléculas de alcohol con las moléculas de oxígeno (rompiendo la barrera).

En conclusión, concluimos: muchas posibles reacciones prácticamente no se producen, porque Alta energía de activación.

Esto es de gran importancia para nuestras vidas. Imagine lo que sucedería si todas las reacciones resueltas termodinámicamente pudieran proceder sin ninguna barrera de energía (energía de activación). El oxígeno del aire reaccionaría con todo lo que pudiera arder o simplemente oxidarse. Todas las sustancias orgánicas sufrirían, se convertirían en dióxido de carbono $ CO_2 $ y agua $ H_2O $.

La velocidad de una reacción química depende de muchos factores. Los principales son: la naturaleza y concentración de las sustancias que reaccionan, la presión (en reacciones que involucran gases), la temperatura, la acción de los catalizadores y la superficie de las sustancias que reaccionan en el caso de reacciones heterogéneas. Considere el efecto de cada uno de estos factores en la velocidad de una reacción química.

Temperatura

Usted sabe que con un aumento de la temperatura en la mayoría de los casos, la velocidad de una reacción química aumenta significativamente. En el siglo XIX. El químico holandés J.H. Vant-Hoff formuló la regla:

Un aumento en la temperatura por cada $ 10 ° С $ conduce a un aumento en la velocidad de reacción de 2 a 4 veces (este valor se llama coeficiente de reacción de temperatura).

Con el aumento de la temperatura, la velocidad promedio de las moléculas, su energía y el número de colisiones aumentan ligeramente, pero la proporción de moléculas activas que participan en colisiones efectivas que superan la barrera de energía de la reacción aumenta bruscamente.

Matemáticamente, esta dependencia se expresa por la razón:

$ υ_ (t_2) \u003d υ_ (t_1) γ ^ ((t_2-t_1) / (10)), $

donde $ υ_ (t_1) $ y $ υ_ (t_2) $ son las velocidades de reacción en las temperaturas finales de $ t_2 $ y $ t_1 $ iniciales, y $ γ $ es el coeficiente de temperatura de la velocidad de reacción, que muestra cuántas veces aumenta la velocidad de reacción con aumento de temperatura por cada $ 10 ° С $.

Sin embargo, para aumentar la velocidad de reacción, un aumento de temperatura no siempre es aplicable, ya que los materiales de partida pueden comenzar a descomponerse, los solventes o las sustancias mismas pueden evaporarse.

Concentración de reactivos

Un cambio en la presión con la participación de sustancias gaseosas en la reacción también conduce a un cambio en la concentración de estas sustancias.

Para que tenga lugar la interacción química entre las partículas, deben colisionar efectivamente. Cuanto mayor es la concentración de sustancias que reaccionan, más colisiones y, en consecuencia, mayor es la velocidad de reacción. Por ejemplo, en oxígeno puro, el acetileno se quema muy rápidamente. En este caso, se desarrolla una temperatura suficiente para fundir el metal. Sobre la base de un gran material experimental en 1867, los noruegos K. Guldenberg y P. Vaage e independientemente de ellos en 1865, el científico ruso N. I. Beketov formuló la ley básica de la cinética química, que establece la dependencia de la velocidad de reacción de la concentración de las sustancias que reaccionan.

La velocidad de una reacción química es proporcional al producto de las concentraciones de las sustancias que reaccionan, tomadas en grados iguales a sus coeficientes en la ecuación de reacción.

Esta ley también se llama la ley de las masas.

Para la reacción $ A + B \u003d D $, esta ley se expresa de la siguiente manera:

$ υ_1 \u003d k_1 · C_A · C_B $

Para la reacción $ 2A + B \u003d D $, esta ley se expresa de la siguiente manera:

$ υ_2 \u003d k_2 · C_A ^ 2 · C_B $

Aquí $ C_A, C_B $ son las concentraciones de sustancias $ A $ y $ B $ (mol / l); $ k_1 $ y $ k_2 $ son coeficientes de proporcionalidad llamados constantes de velocidad de reacción.

El significado físico de la constante de velocidad de reacción no es difícil de establecer: es numéricamente igual a la velocidad de reacción en la que las concentraciones de las sustancias que reaccionan son $ 1 $ mol / lo su producto es la unidad. En este caso, está claro que la velocidad de reacción constante depende solo de la temperatura y no depende de la concentración de sustancias.

La ley de masas no tiene en cuenta la concentración de sustancias reactivas en estado sólido, porque reaccionan a las superficies y sus concentraciones suelen ser constantes.

Por ejemplo, para una reacción de combustión de carbón.

la expresión de velocidad de reacción debería escribirse así:

$ υ \u003d k · C_ (O_2) $,

es decir, la velocidad de reacción es proporcional solo a la concentración de oxígeno.

Si la ecuación de reacción describe solo la reacción química total que ocurre en varias etapas, entonces la velocidad de tal reacción puede depender de manera compleja de las concentraciones de los materiales de partida. Esta dependencia se determina experimental o teóricamente en función del mecanismo de reacción propuesto.

Acción catalizadora

Puede aumentar la velocidad de reacción utilizando sustancias especiales que cambian el mecanismo de reacción y lo dirigen a lo largo de un camino energéticamente más favorable con una energía de activación más baja. Se les llama catalizadores (del lat. catálisis - destrucción).

El catalizador actúa como un guía experimentado que guía a un grupo de turistas no a través de un paso alto en las montañas (superarlo requiere mucho tiempo y esfuerzo y no es accesible para todos), sino a lo largo de los conocidos caminos de derivación a lo largo de los cuales es posible superar la montaña mucho más fácil y más rápido. Es cierto que en la rotonda no se puede llegar exactamente a donde conduce el pase principal. ¡Pero a veces esto es exactamente lo que se requiere! Así es como los catalizadores que se llaman selectivo. Está claro que no hay necesidad de quemar amoníaco y nitrógeno, pero el óxido nítrico (II) se usa en la producción de ácido nítrico.

Los catalizadores son sustancias que participan en una reacción química y cambian su velocidad o dirección, pero al final de la reacción permanecen sin cambios cuantitativa y cualitativamente.

El cambio en la velocidad de una reacción química o su dirección usando un catalizador se llama catálisis. Los catalizadores se usan ampliamente en diversas industrias y en el transporte (convertidores catalíticos que convierten los óxidos de nitrógeno de los gases de escape de los automóviles en nitrógeno inofensivo).

Hay dos tipos de catálisis.

Catálisis Homogéneaen el que tanto el catalizador como las sustancias reactivas están en el mismo estado de agregación (fase).

Catálisis heterogéneaen el que el catalizador y los reactivos se encuentran en diferentes fases. Por ejemplo, la descomposición del peróxido de hidrógeno en presencia de un catalizador sólido para el óxido de manganeso (IV):

$ 2H_2O_2 (→) ↖ (MnO_2 (I)) 2H_2O _ ((w)) + O_2 (g) $

El catalizador en sí no se consume como resultado de la reacción, pero si otras sustancias se adsorben en su superficie (se denominan venenos catalíticos), entonces la superficie queda inoperante; se requiere la regeneración del catalizador. Por lo tanto, antes de llevar a cabo la reacción catalítica, los materiales de partida se purifican completamente.

Por ejemplo, en la producción de ácido sulfúrico por el método de contacto, se usa un catalizador sólido: óxido de vanadio (V) $ V_2O_5 $:

$ 2SO_2 + O_2⇄2SO_3 $

En la producción de metanol, se usa un catalizador sólido de zinc-cromo ($ 8ZnO · Cr_2O_3 × CrO_3 $):

$ CO _ ((g)) + 2H_ (2 (g)) ⇄CH_3OH _ ((g)) $

Los catalizadores biológicos funcionan de manera muy efectiva. enzimas. Por naturaleza química, estas son proteínas. Gracias a ellos, se producen reacciones químicas complejas en organismos vivos a bajas temperaturas con gran velocidad. Las enzimas son particularmente específicas, cada una de ellas acelera solo su reacción, que ocurre en el momento correcto y en el lugar correcto con una producción cercana a $ 100% $. ¡La creación de catalizadores artificiales similares a las enzimas es el sueño de los químicos!

Por supuesto, has oído hablar de otras sustancias interesantes: inhibidores (del lat. inhibir - retraso). Reaccionan con partículas activas a alta velocidad para formar compuestos inactivos. Como resultado, la reacción se ralentiza bruscamente y luego se detiene. Los inhibidores a menudo se agregan específicamente a diferentes sustancias para evitar procesos no deseados.

Por ejemplo, con la ayuda de inhibidores, estabilice las soluciones de peróxido de hidrógeno, monómeros para evitar la polimerización prematura, ácido clorhídrico, de modo que pueda transportarse en un contenedor de acero. Los inhibidores también se encuentran en organismos vivos, suprimen varias reacciones de oxidación dañinas en las células de los tejidos, que pueden iniciarse, por ejemplo, por radiación.

La naturaleza de las sustancias que reaccionan (su composición, estructura)

El valor de la energía de activación es el factor a través del cual se ve afectado el efecto de la naturaleza de las sustancias que reaccionan sobre la velocidad de reacción.

Si la energía de activación es pequeña ($< 40$ кДж/моль), то это означает, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к их взаимодействию, и скорость такой реакции очень большая. Все реакции ионного обмена протекают практически мгновенно, ибо в этих реакциях участвуют разноименно заряженные ионы, и энергия активации в этих случаях ничтожно мала.

Si la energía de activación es alta ($\u003e 120 $ kJ / mol), esto significa que solo una fracción insignificante de colisiones entre partículas que interactúan conduce a una reacción. La velocidad de tal reacción es, por lo tanto, muy baja. Por ejemplo, el curso de la síntesis de amoníaco a temperatura normal es casi imposible de notar.

Si las energías de activación tienen valores intermedios ($ 40-120 $ kJ / mol), entonces las tasas de tales reacciones serán promedio. Dichas reacciones incluyen la interacción de sodio con agua o alcohol etílico, la decoloración de agua de bromo con etileno, la interacción de zinc con ácido clorhídrico, etc.

La superficie de contacto de las sustancias que reaccionan.

La velocidad de las reacciones que ocurren en la superficie de las sustancias, es decir. heterogéneo, en igualdad de condiciones, depende de las propiedades de esta superficie. Se sabe que la tiza en polvo se disuelve mucho más rápidamente en ácido clorhídrico que una masa igual de un trozo de tiza.

El aumento en la velocidad de reacción se explica, en primer lugar, por el aumento en la superficie de contacto de los materiales de partida, así como por una serie de otras razones, por ejemplo, la destrucción de la estructura de la red cristalina regular. Esto lleva al hecho de que las partículas en la superficie de los microcristales resultantes son mucho más reactivas que las mismas partículas en una superficie lisa.

En la industria, para llevar a cabo reacciones heterogéneas, se utiliza un lecho fluidizado para aumentar la superficie de contacto de las sustancias que reaccionan, el suministro de materiales de partida y la eliminación de productos. Por ejemplo, en la producción de ácido sulfúrico utilizando un lecho fluidizado, se dispara pirita; en química orgánica usando un lecho fluidizado, se realiza el craqueo catalítico de productos derivados del petróleo y la regeneración (recuperación) de un catalizador fallido (coqueado).

Una de las áreas de la química física: la cinética química, aborda el estudio de la velocidad de una reacción química y las condiciones que afectan su cambio. También considera los mecanismos de estas reacciones y su validez termodinámica. Estos estudios son importantes no solo para fines científicos, sino también para controlar la interacción de componentes en reactores en la producción de diversas sustancias.

El concepto de velocidad en química.

La velocidad de reacción generalmente se denomina cierto cambio en las concentraciones de los compuestos reaccionados (ΔС) por unidad de tiempo (Δt). La fórmula matemática para la velocidad de una reacción química es la siguiente:

ᴠ \u003d ± ΔC / Δt.

La velocidad de reacción se mide en mol / l ∙ s si ocurre en todo el volumen (es decir, la reacción es homogénea) y en mol / m 2 ∙ s si la interacción se produce en la superficie que separa las fases (es decir, la reacción es heterogénea). El signo "-" en la fórmula está relacionado con el cambio en los valores de concentración de las sustancias reactivas de partida, y el signo "+" - con los valores de concentración cambiantes de los productos de la misma reacción.

Ejemplos de reacciones a diferentes velocidades.

Las interacciones químicas pueden ocurrir a diferentes velocidades. Entonces, la tasa de crecimiento de las estalactitas, es decir, la formación de carbonato de calcio, es de solo 0.5 mm por 100 años. Algunas reacciones bioquímicas, como la fotosíntesis y la síntesis de proteínas, son lentas. La corrosión de los metales se produce a un ritmo bastante bajo.

A un ritmo promedio, se pueden caracterizar las reacciones que requieren de una a varias horas. Un ejemplo es la cocción, acompañada de descomposición y conversión de los compuestos contenidos en los productos. La síntesis de polímeros individuales requiere calentar la mezcla de reacción durante un cierto tiempo.

Un ejemplo de reacciones químicas, cuya velocidad es bastante alta, pueden ser reacciones de neutralización, la interacción del bicarbonato de sodio con una solución de ácido acético, acompañada de la liberación de dióxido de carbono. También puede mencionar la interacción del nitrato de bario con sulfato de sodio, en el que se observa la precipitación de sulfato de bario insoluble.

Una gran cantidad de reacciones pueden proceder con la velocidad del rayo y van acompañadas de una explosión. Un ejemplo clásico es la interacción del potasio con el agua.

Factores que afectan la velocidad de una reacción química.

Vale la pena señalar que las mismas sustancias pueden reaccionar entre sí a diferentes velocidades. Entonces, por ejemplo, una mezcla de oxígeno gaseoso e hidrógeno puede no mostrar signos de interacción durante un tiempo bastante largo, sin embargo, cuando el recipiente se agita o se golpea, la reacción se vuelve explosiva. Por lo tanto, la cinética química identifica ciertos factores que tienen la capacidad de influir en la velocidad de una reacción química. Éstos incluyen:

• la naturaleza de las sustancias que interactúan;
• concentración de reactivo;
• cambio de temperatura;
• la presencia de un catalizador;
• cambio de presión (para sustancias gaseosas);
• el área de contacto de las sustancias (si hablamos de reacciones heterogéneas).

El efecto de la naturaleza de la materia.

Tal diferencia significativa en las tasas de reacciones químicas se explica por diferentes valores de la energía de activación (E a). Se entiende por cierto un cierto exceso de energía en comparación con su valor promedio, que es necesario para que una molécula se choque y se produzca una reacción. Se mide en kJ / mol y los valores suelen estar en el rango de 50-250.

En general, se acepta que si E a \u003d 150 kJ / mol para cualquier reacción, entonces cuando n. a. prácticamente no tiene fugas. Esta energía se gasta en superar la repulsión entre las moléculas de las sustancias y en debilitar los enlaces en los materiales de partida. En otras palabras, la energía de activación caracteriza la fuerza de los enlaces químicos en las sustancias. Por el valor de la energía de activación, puede estimar tentativamente la velocidad de una reacción química:

• E a< 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\u003e 120, solo una parte muy pequeña de las colisiones de partículas provocará una reacción, y su velocidad será baja.

Efecto de concentración

La dependencia de la velocidad de reacción de la concentración probablemente se caracteriza por la ley de acción de masas (ZDM), que establece:

La velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de las sustancias reaccionadas, cuyos valores se toman en grados correspondientes a los coeficientes estequiométricos.

Esta ley es adecuada para reacciones elementales de una etapa, o para cualquier etapa de la interacción de sustancias, caracterizada por un mecanismo complejo.

Si desea determinar la velocidad de una reacción química, cuya ecuación puede escribirse arbitrariamente como:

αА + bB \u003d ϲС, entonces,

de acuerdo con la redacción de la ley mencionada anteriormente, la velocidad se puede encontrar mediante la ecuación:

V \u003d k · [A] a · [B] b, donde

ayb son coeficientes estequiométricos,

[A] y [B] son \u200b\u200blas concentraciones de los compuestos de partida,

k es la constante de velocidad de la reacción en cuestión.

El significado del coeficiente de velocidad de una reacción química es que su valor será igual a la velocidad si las concentraciones de los compuestos son iguales a las unidades. Cabe señalar que para el cálculo correcto de acuerdo con esta fórmula, se debe tener en cuenta el estado agregado de los reactivos. La concentración del sólido se toma igual a la unidad y no se incluye en la ecuación, ya que durante la reacción permanece constante. Por lo tanto, en el cálculo por ZDM incluya la concentración de solo sustancias líquidas y gaseosas. Entonces, para la reacción de obtener dióxido de silicio a partir de sustancias simples descritas por la ecuación

Si (tv) + Ο 2 (t) \u003d SiΟ 2 (tv),

la velocidad estará determinada por la fórmula:

Tarea típica

¿Cómo cambiaría la velocidad de la reacción química del monóxido de nitrógeno con el oxígeno si las concentraciones de los compuestos de partida se duplicaran?

Solución: La ecuación de reacción corresponde a este proceso:

2ΝΟ + Ο 2 \u003d 2ΝΟ 2.

Escribimos las expresiones para las velocidades de reacción inicial (ᴠ 1) y final (ᴠ 2):

ᴠ 1 \u003d k · [ΝΟ] 2 · [Ο 2] y

ᴠ 2 \u003d k · (2 \u200b\u200b· [ΝΟ]) 2 · 2 · [Ο 2] \u003d k · 4 [ΝΟ] 2 · 2 [Ο 2].

ᴠ 1 / ᴠ 2 \u003d (k · 4 [ΝΟ] 2 · 2 [Ο 2]) / (k · [ΝΟ] 2 · [Ο 2]).

ᴠ 2 / ᴠ 1 \u003d 4 · 2/1 \u003d 8.

Respuesta: aumentado en 8 veces.

Efecto de temperatura

La dependencia de la velocidad de una reacción química con la temperatura fue determinada experimentalmente por el científico holandés J. H. Van Hoff. Descubrió que la velocidad de muchas reacciones aumenta de 2 a 4 veces con el aumento de la temperatura por cada 10 grados. Para esta regla, hay una expresión matemática que se parece a:

ᴠ 2 \u003d ᴠ 1 · γ (Τ2-Τ1) / 10, donde

ᴠ 1 y ᴠ 2 son las velocidades correspondientes a las temperaturas Τ 1 y Τ 2;

γ - coeficiente de temperatura, igual a 2-4.

Al mismo tiempo, esta regla no explica el mecanismo de la influencia de la temperatura en el valor de la velocidad de una reacción particular y no describe la totalidad de las leyes. Es lógico concluir que con el aumento de la temperatura, el movimiento aleatorio de partículas aumenta y esto provoca un mayor número de colisiones. Sin embargo, esto no afecta particularmente la eficiencia de la colisión de moléculas, ya que depende principalmente de la energía de activación. Además, un papel importante en la eficiencia de las colisiones de partículas tiene su correspondencia espacial entre sí.

La dependencia de la temperatura de la velocidad de una reacción química, teniendo en cuenta la naturaleza de los reactivos, obedece a la ecuación de Arrhenius:

k \u003d A 0 · e -Ea / RΤ, donde

Y o es el multiplicador;

E a - energía de activación.

Un ejemplo de un problema en la ley de Van Goff

¿Cómo se debe cambiar la temperatura para que la velocidad de una reacción química, en la que el coeficiente de temperatura sea numéricamente igual a 3, crezca 27 veces?

Decisión. Utilizamos la formula

ᴠ 2 \u003d ᴠ 1 · γ (Τ2-Τ1) / 10.

A partir de la condición ᴠ 2 / ᴠ 1 \u003d 27 y γ \u003d 3. Necesitas encontrar ΔΤ \u003d Τ 2 -Τ 1.

Transformando la fórmula original, obtenemos:

V 2 / V 1 \u003d γ ΔΤ / 10.

Sustituimos los valores: 27 \u003d 3 ΔΤ / 10.

De esto queda claro que ΔΤ / 10 \u003d 3 y ΔΤ \u003d 30.

Respuesta: la temperatura debe aumentarse en 30 grados.

Efecto catalizador

En química física, la tasa de reacciones químicas también está siendo estudiada activamente por una sección llamada catálisis. Está interesado en cómo y por qué cantidades relativamente pequeñas de ciertas sustancias aumentan significativamente la tasa de interacción de otras. Tales sustancias que pueden acelerar la reacción, pero no se consumen en sí mismas, se denominan catalizadores.

Está demostrado que los catalizadores cambian el mecanismo de la interacción química en sí, contribuyen a la aparición de nuevos estados de transición, que se caracterizan por alturas más bajas de la barrera energética. Es decir, contribuyen a una disminución en la energía de activación y, por lo tanto, a un aumento en el número de tensiones efectivas de partículas. El catalizador no puede causar una reacción que sea energéticamente imposible.

Entonces el peróxido de hidrógeno puede descomponerse con la formación de oxígeno y agua:

H 2 Ο 2 \u003d H 2 Ο + Ο 2.

Pero esta reacción es muy lenta y en nuestros botiquines de primeros auxilios no ha cambiado durante mucho tiempo. Al abrir solo botellas muy viejas con peróxido, puede notar un poco de algodón causado por la presión de oxígeno en las paredes del recipiente. Agregar solo unos pocos granos de óxido de magnesio provocará la evolución activa de gases.

La misma reacción de descomposición del peróxido, pero ya bajo la acción de la catalasa, ocurre durante el tratamiento de las heridas. En los organismos vivos hay muchas sustancias diferentes que aumentan la velocidad de las reacciones bioquímicas. Se llaman enzimas.

Los inhibidores tienen el efecto contrario en las reacciones. Sin embargo, esto no siempre es malo. Los inhibidores se utilizan para proteger los productos metálicos de la corrosión, para extender la vida útil de los alimentos, por ejemplo, para evitar la oxidación de las grasas.

Área de contacto de sustancias.

En el caso de que la interacción ocurra entre compuestos que tienen diferentes estados agregados, o entre sustancias que no pueden formar un medio homogéneo (líquidos inmiscibles), este factor también afecta significativamente la velocidad de una reacción química. Esto se debe al hecho de que las reacciones heterogéneas se llevan a cabo directamente en la interfaz entre las sustancias que interactúan. Obviamente, cuanto más amplio es este límite, más partículas pueden colisionar y más rápida es la reacción.

Por ejemplo, va mucho más rápido en forma de pequeños chips que en forma de registro. Con el mismo propósito, muchos sólidos se trituran en un polvo fino antes de agregarlos a la solución. Entonces, la tiza en polvo (carbonato de calcio) actúa más rápido con ácido clorhídrico que un trozo de la misma masa. Sin embargo, además de aumentar el área, esta técnica también conduce a la ruptura caótica de la red cristalina de la sustancia, lo que significa que aumenta la reactividad de las partículas.

Matemáticamente, la velocidad de una reacción química heterogénea se encuentra como un cambio en la cantidad de una sustancia (Δν) que ocurre por unidad de tiempo (Δt) por unidad de superficie

(S): V \u003d Δν / (S · Δt).

Efecto de presión

Un cambio de presión en el sistema afecta solo cuando hay gases involucrados en la reacción. Un aumento en la presión va acompañado de un aumento en las moléculas de una sustancia por unidad de volumen, es decir, su concentración aumenta proporcionalmente. Por el contrario, bajar la presión conduce a una disminución equivalente en la concentración del reactivo. En este caso, la fórmula correspondiente a ZDM es adecuada para calcular la velocidad de una reacción química.

Una tarea. A medida que aumenta la velocidad de reacción descrita por la ecuación

2ΝΟ + Ο 2 \u003d 2ΝΟ 2,

si el volumen de un sistema cerrado se reduce tres veces (T \u003d const)?

Decisión. A medida que el volumen disminuye, la presión aumenta proporcionalmente. Escribimos las expresiones para las velocidades de reacción inicial (V 1) y final (V 2):

V 1 \u003d k · 2 · [Ο 2] y

V 2 \u003d k · (3 ·) 2 · 3 · [Ο 2] \u003d k · 9 [ΝΟ] 2 · 3 [Ο 2].

Para saber cuántas veces la nueva velocidad es mayor que la inicial, es necesario separar las partes izquierda y derecha de las expresiones:

V 1 / V 2 \u003d (k · 9 [ΝΟ] 2 · 3 [Ο 2]) / (k · [ΝΟ] 2 · [Ο 2]).

Las concentraciones y las constantes de velocidad se reducen y permanece:

V 2 / V 1 \u003d 9 · 3/1 \u003d 27.

Respuesta: la velocidad aumentó 27 veces.

En resumen, cabe señalar que muchos factores influyen en la tasa de interacción de las sustancias y, más precisamente, en la cantidad y calidad de las colisiones de sus partículas. En primer lugar, esta es la energía de activación y la geometría de las moléculas, que son casi imposibles de corregir. En cuanto al resto de las condiciones, para aumentar la velocidad de reacción debe:

• aumentar la temperatura del medio de reacción;
• aumentar la concentración de los compuestos de partida;
• aumente la presión en el sistema o reduzca su volumen cuando se trata de gases;
• para llevar sustancias diferentes a un estado agregado (por ejemplo, al disolverse en agua) o aumentar el área de contacto.

Algunas reacciones químicas ocurren casi instantáneamente (una explosión de una mezcla de oxígeno-hidrógeno, reacciones de intercambio iónico en una solución acuosa), la segunda rápidamente (sustancias en llamas, la interacción del zinc con el ácido) y la tercera lentamente (hierro oxidado, residuos orgánicos en descomposición). Se conocen reacciones tan lentas que una persona simplemente no puede notarlas. Por ejemplo, la conversión de granito en arena y arcilla ha estado ocurriendo durante miles de años.

En otras palabras, las reacciones químicas pueden proceder con diferentes velocidad.

Pero que es reacción rápida? ¿Cuál es la definición exacta de una cantidad dada y, lo más importante, su expresión matemática?

La velocidad de reacción se denomina cambio en la cantidad de una sustancia por unidad de tiempo en una unidad de volumen. Matemáticamente, esta expresión se escribe como:

Dónde norte 1 ynorte 2 - la cantidad de sustancia (mol) en el tiempo t 1 yt 2 respectivamente en el volumen del sistema V.

El signo más o menos (±) que aparecerá delante de la expresión de velocidad depende del cambio en la cantidad de la sustancia que estamos viendo: un producto o un reactivo.

Obviamente, durante el curso de la reacción, los reactivos se consumen, es decir, su número disminuye, por lo tanto, para los reactivos la expresión (n 2 - n 1) siempre tiene un valor menor que cero. Como la velocidad no puede ser un valor negativo, en este caso, debe poner un signo menos delante de la expresión.

Si observamos un cambio en la cantidad del producto, en lugar del reactivo, entonces no se requiere el signo menos antes de la expresión para calcular la velocidad, porque la expresión (n 2 - n 1) en este caso siempre es positiva, porque la cantidad de producto como resultado de la reacción solo puede aumentar.

Ratio de sustancia norte al volumen en el que se encuentra esta cantidad de sustancia, llamada concentración molar DE:

Por lo tanto, utilizando el concepto de concentración molar y su expresión matemática, podemos escribir otra opción para determinar la velocidad de reacción:

La velocidad de reacción es el cambio en la concentración molar de una sustancia como resultado de una reacción química en una unidad de tiempo:

Factores que afectan la velocidad de reacción

A menudo es extremadamente importante saber de qué depende la velocidad de una reacción particular y cómo influir en ella. Por ejemplo, la industria de refinación literalmente gana por cada medio por ciento adicional del producto por unidad de tiempo. Después de todo, dada la gran cantidad de petróleo refinado, incluso medio por ciento desemboca en grandes ganancias financieras anuales. En algunos casos, es extremadamente importante ralentizar una reacción, en particular, la corrosión de los metales.

Entonces, ¿qué determina la velocidad de reacción? Depende, curiosamente, de muchos parámetros diferentes.

Para comprender este problema, en primer lugar, imaginemos lo que sucede como resultado de una reacción química, por ejemplo:

A + B → C + D

La ecuación anterior refleja el proceso en el cual las moléculas de las sustancias A y B, colisionando entre sí, forman las moléculas de las sustancias C y D.

Esto es, por supuesto, para que la reacción pase, al menos, es necesaria una colisión de las moléculas de los materiales de partida. Obviamente, si aumentamos el número de moléculas por unidad de volumen, el número de colisiones aumentará de la misma manera que aumenta la frecuencia de sus colisiones con pasajeros en un autobús lleno de gente en comparación con uno medio vacío.

En otras palabras, la velocidad de reacción aumenta con el aumento de la concentración de sustancias reactivas.

En el caso de que uno de los reactivos o varios a la vez sean gases, la velocidad de reacción aumenta al aumentar la presión, ya que la presión del gas siempre es directamente proporcional a la concentración de sus moléculas constituyentes.

Sin embargo, la colisión de partículas es una condición necesaria pero no suficiente para que la reacción continúe. El hecho es que, según los cálculos, el número de colisiones de moléculas de sustancias que reaccionan a su concentración razonable es tan grande que todas las reacciones deben proceder en un instante. Sin embargo, en la práctica esto no sucede. ¿Cuál es el problema?

El hecho es que no toda colisión de moléculas reactivas será necesariamente efectiva. Muchas colisiones son elásticas: las moléculas rebotan entre sí como bolas. Para que la reacción pase, las moléculas deben tener suficiente energía cinética. La energía mínima que deben tener las moléculas de las sustancias que reaccionan para que la reacción pase se llama energía de activación y se denota como E a. En un sistema que consiste en una gran cantidad de moléculas, hay una distribución de energía de las moléculas, algunas de ellas tienen poca energía, algunas de alta y media. De todas estas moléculas, solo en una pequeña parte de las moléculas la energía excede la energía de activación.

Como saben por el curso de la física, la temperatura es en realidad una medida de la energía cinética de las partículas que forman una sustancia. Es decir, cuanto más rápido se mueven las partículas que componen la sustancia, mayor es su temperatura. Por lo tanto, obviamente, al aumentar la temperatura, esencialmente aumentamos la energía cinética de las moléculas, como resultado de lo cual aumenta la proporción de moléculas con una energía superior a E a y su colisión conducirá a una reacción química.

El hecho de una influencia positiva de la temperatura sobre la velocidad de reacción en el siglo XIX fue establecido empíricamente por el químico holandés Vant Hoff. Basado en su investigación, formuló la regla, que todavía lleva su nombre, y suena así:

La velocidad de cualquier reacción química aumenta 2-4 veces con un aumento de temperatura de 10 grados.

La visualización matemática de esta regla se escribe como:

dónde V 2 y V 1 - velocidad a una temperatura de t 2 y t 1, respectivamente, y γ es el coeficiente de temperatura de la reacción, cuyo valor se encuentra con mayor frecuencia en el rango de 2 a 4.

A menudo, la velocidad de muchas reacciones se puede aumentar usando catalizadores.

Los catalizadores son sustancias que aceleran el curso de cualquier reacción y al mismo tiempo no divergen.

Pero, ¿cómo logran los catalizadores aumentar la velocidad de reacción?

Recuerde la energía de activación E a. Las moléculas con una energía inferior a la energía de activación en ausencia de un catalizador no pueden interactuar entre sí. Los catalizadores cambian el camino a lo largo de la reacción, de manera similar a cómo un conductor experimentado allana el camino de la expedición no directamente a través de la montaña, sino que usa caminos de derivación, como resultado de lo cual incluso aquellos satélites que no tenían suficiente energía para escalar la montaña pueden cruzar a otro su lado.

A pesar de que el catalizador no se consume durante la reacción, sin embargo, toma parte activa en él, formando compuestos intermedios con reactivos, pero al final de la reacción vuelve a su estado original.

Además de los factores anteriores que afectan la velocidad de reacción, si hay una interfaz entre las sustancias que reaccionan (reacción heterogénea), la velocidad de reacción también dependerá del área de contacto de los reactivos. Por ejemplo, imagine un gránulo de aluminio metálico que se arrojó a un tubo de ensayo con una solución acuosa de ácido clorhídrico. El aluminio es un metal activo que puede reaccionar con los ácidos como agentes no oxidantes. Con ácido clorhídrico, la ecuación de reacción es la siguiente:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

El aluminio es un sólido, y esto significa que la reacción con ácido clorhídrico ocurre solo en su superficie. Obviamente, si aumentamos el área de la superficie al enrollar primero el gránulo de aluminio en papel de aluminio, proporcionaremos una mayor cantidad de átomos de aluminio disponibles para la reacción con el ácido. Como resultado, la velocidad de reacción aumentará. Del mismo modo, se puede lograr un aumento en la superficie de un sólido moliéndolo en polvo.

Además, la velocidad de una reacción heterogénea, en la que un sólido reacciona con un gaseoso o líquido, a menudo se ve afectada positivamente por la mezcla, lo que se debe al hecho de que, como resultado de la mezcla, los productos de reacción acumulados se eliminan de la zona de reacción y una nueva porción de las moléculas de reactivo es "traída".

Este último también debe tener en cuenta la enorme influencia en la velocidad de reacción y la naturaleza de los reactivos. Por ejemplo, cuanto más bajo es el metal alcalino en la tabla periódica, más rápido reacciona con el agua, entre todos los halógenos, el flúor reacciona más rápidamente con el hidrógeno gaseoso, etc.

Resumiendo todo lo anterior, la velocidad de reacción depende de los siguientes factores:

1) concentración de reactivos: cuanto mayor, mayor es la velocidad de reacción

2) temperatura: al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de cualquier reacción

3) el área de contacto de las sustancias que reaccionan: cuanto mayor es el área de contacto de los reactivos, mayor es la velocidad de reacción

4) mezcla, si la reacción ocurre con la miel como un sólido y líquido o gas, la mezcla puede acelerarlo.

Una reacción química es la conversión de una sustancia a otra.

Cualquiera que sea el tipo de reacciones químicas, ocurren a diferentes velocidades. Por ejemplo, las transformaciones geoquímicas en las entrañas de la Tierra (la formación de hidratos cristalinos, la hidrólisis de sales, la síntesis o la descomposición de minerales) toman miles, millones de años. Y reacciones como la quema de pólvora, hidrógeno, salitre y sal de barletol ocurren en fracciones de segundo.

Bajo la velocidad de una reacción química se entiende el cambio en las cantidades de sustancias reactivas (o productos de reacción) por unidad de tiempo. El término más utilizado velocidad de reacción promedio (Δc p) en el intervalo de tiempo.

v avg \u003d ± ∆C / ∆t

Para productos ΔС\u003e 0, para materiales de partida -ΔС< 0. Наиболее употребляемая единица измерения - моль на литр в секунду (моль/л*с).

La velocidad de cada reacción química depende de muchos factores: la naturaleza de las sustancias que reaccionan, la concentración de las sustancias que reaccionan, el cambio en la temperatura de reacción, el grado de refinamiento de los reactivos, el cambio de presión y la introducción de un catalizador en el medio de reacción.

La naturaleza de los reactivos. afecta significativamente la velocidad de una reacción química. Como ejemplo, considere la interacción de algunos metales con un componente constante: el agua. Definir metales: Na, Ca, Al, Au. El sodio reacciona con el agua a temperatura normal de forma muy violenta, con la liberación de una gran cantidad de calor.

2Na + 2H 2 O \u003d 2NaOH + H 2 + Q;

El calcio reacciona con menos vigor a temperatura normal con agua:

Ca + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + H 2 + Q;

El aluminio reacciona con el agua incluso a temperaturas elevadas:

2Al + 6H 2 O \u003d 2Al (OH) s + 3H 2 - Q;

Y el oro es uno de los metales inactivos; no reacciona con el agua a temperaturas normales o elevadas.

La velocidad de una reacción química depende directamente de concentración de reactivos . Entonces, para la reacción:

C2H4 + 3O2 \u003d 2CO2 + 2H2O;

La expresión de la velocidad de reacción es:

v \u003d k ** [O 2] 3;

Donde k es la velocidad constante de una reacción química, numéricamente igual a la velocidad de una reacción dada, siempre que las concentraciones de los componentes que reaccionan sean 1 g / mol; los valores de [C 2 H 4] y [O 2] 3 corresponden a las concentraciones de las sustancias reaccionantes elevadas al grado de sus coeficientes estequiométricos. Cuanto mayor sea la concentración de [C 2 H 4] u [O 2], mayores serán las colisiones de las moléculas de estas sustancias por unidad de tiempo, por lo tanto, mayor será la velocidad de la reacción química.

Las tasas de reacciones químicas, como regla, también dependen directamente de la temperatura de reacción . Naturalmente, con el aumento de la temperatura, aumenta la energía cinética de las moléculas, lo que también conduce a una gran colisión de moléculas por unidad de tiempo. Numerosos experimentos han demostrado que cuando la temperatura cambia cada 10 grados, la velocidad de reacción cambia 2-4 veces (regla de Vant-Hoff):

donde V T 2 es la velocidad de una reacción química en T 2; V ti es la velocidad de una reacción química en T 1; g es el coeficiente de temperatura de la velocidad de reacción.

Influencia finura de sustancias la velocidad de reacción también depende directamente. Cuanto más pequeñas son las partículas de las sustancias que reaccionan, más entran en contacto entre sí por unidad de tiempo, mayor es la velocidad de una reacción química. Por lo tanto, como regla, las reacciones entre sustancias o soluciones gaseosas se realizan más rápido que en estado sólido.

Un cambio en la presión afecta la velocidad de reacción entre sustancias en estado gaseoso. Al estar en un volumen cerrado a una temperatura constante, la reacción continúa a una velocidad de V 1. Si aumentamos la presión en este sistema (por lo tanto, reducimos el volumen), las concentraciones de las sustancias que reaccionan aumentan, la colisión de sus moléculas por unidad de tiempo aumenta y la velocidad de reacción aumenta a V 2 (v 2 \u003e v 1).

Catalizadores - Estas son sustancias que cambian la velocidad de una reacción química, pero permanecen sin cambios una vez que finaliza la reacción química. El efecto de los catalizadores sobre la velocidad de reacción se llama catálisis, los catalizadores pueden acelerar el proceso químico-dinámico y ralentizarlo. Cuando las sustancias que interactúan y el catalizador están en el mismo estado agregado, entonces hablan de catálisis homogénea, y en el caso de catálisis heterogénea, las sustancias que reaccionan y el catalizador están en diferentes estados agregados. El catalizador reactivo forma un complejo intermedio. Por ejemplo, para una reacción:

El catalizador (K) forma un complejo con A o B - AK, VK, que libera K al interactuar con la partícula libre A o B:

AK + B \u003d AB + K

VK + A \u003d BA + K;

sitio, con copia total o parcial del material, se requiere un enlace a la fuente.