Algunas reacciones químicas ocurren casi instantáneamente (una explosión de una mezcla de oxígeno e hidrógeno, reacciones de intercambio iónico en una solución acuosa), la segunda, rápidamente (combustión de sustancias, la interacción del zinc con un ácido) y otras más, lentamente (hierro oxidación, descomposición de residuos orgánicos). Se conocen reacciones tan lentas que una persona simplemente no puede notarlas. Por ejemplo, la transformación del granito en arena y arcilla se lleva a cabo durante miles de años.

En otras palabras, las reacciones químicas pueden desarrollarse de diferentes formas. velocidad.

Pero, qué es esto reacción de velocidad? ¿Cuál es la definición exacta de esta cantidad y, lo más importante, su expresión matemática?

La velocidad de reacción es el 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 Es la cantidad de sustancia (mol) en el tiempo t 1 y t 2, respectivamente, en un sistema de volumen V.

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

Evidentemente, en el transcurso de la reacción se produce el consumo de reactivos, es decir, su cantidad disminuye, por tanto, para los reactivos, la expresión (n 2 - n 1) siempre tiene un valor menor que cero. Dado que la velocidad no puede ser negativa, en este caso debes poner un signo menos delante de la expresión.

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

La proporción de la cantidad de sustancia. norte al volumen en el que se encuentra esta cantidad de sustancia se llama concentración molar CON:

Por lo tanto, utilizando el concepto de concentración molar y su expresión matemática, puede escribir otra versión 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 qué determina la velocidad de una reacción en particular y cómo influir en ella. Por ejemplo, la industria del refino está literalmente ganando por cada medio por ciento adicional del producto por unidad de tiempo. Después de todo, dada la enorme cantidad de petróleo refinado, incluso el medio por ciento se traduce en una gran ganancia financiera anual. En algunos casos, es extremadamente importante frenar cualquier reacción, en particular la corrosión de los metales.

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

Para entender este problema, en primer lugar, imaginemos qué sucede como resultado de una reacción química, por ejemplo:

A + B → C + D

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

Es decir, sin duda, para que se produzca la reacción, al menos, es necesaria una colisión de las moléculas de las sustancias iniciales. 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 un aumento en la concentración de reactivos.

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 es siempre directamente proporcional a la concentración de sus moléculas constituyentes.

Sin embargo, la colisión de partículas es una condición necesaria, pero no suficiente, para que prosiga la reacción. El hecho es que, según los cálculos, el número de colisiones de moléculas de sustancias reaccionantes a su concentración razonable es tan grande que todas las reacciones deberían tener lugar en un instante. Sin embargo, en la práctica esto no sucede. ¿Qué pasa?

El punto es que no todas las colisiones de moléculas de reactivo serán necesariamente efectivas. Muchas colisiones son elásticas: las moléculas rebotan entre sí como bolas. Para que prosiga la reacción, las moléculas deben tener suficiente energía cinética. La energía mínima que deben poseer las moléculas de las sustancias que reaccionan para que pase la reacción se llama energía de activación y se denota como E a. En un sistema que consta de una gran cantidad de moléculas, hay una distribución de moléculas en energía, algunas de ellas tienen baja energía, otras tienen alta y media energía. De todas estas moléculas, solo una pequeña fracción de las moléculas tiene energía que excede la energía de activación.

Como sabrá por el curso de física, la temperatura es en realidad una medida de la energía cinética de las partículas que componen la sustancia. Es decir, cuanto más rápido se mueven las partículas que componen la sustancia, mayor es su temperatura. Así, obviamente, al aumentar la temperatura, aumentamos esencialmente 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 la influencia positiva de la temperatura en la velocidad de la reacción fue establecido empíricamente por el químico holandés Van't Hoff en el siglo XIX. Basado en su investigación, formuló una regla que aún lleva su nombre, y suena así:

La velocidad de cualquier reacción química aumenta de 2 a 4 veces cuando la temperatura aumenta 10 grados.

La representación matemática de esta regla se escribe como:

dónde V 2 y V 1 Es la velocidad a las temperaturas 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 utilizando catalizadores.

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

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

Recordemos 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 por el que avanza la reacción, así como un guía experimentado hará el recorrido de la expedición no directamente a través de la montaña, sino utilizando caminos de desvío, como resultado de lo cual incluso aquellos satélites que no tenían suficiente energía para escalar la montaña podrá moverse a otro lado de ella.

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

Además de los factores anteriores que afectan la velocidad de reacción, si existe una interfaz entre los reactivos (reacción heterogénea), la velocidad de reacción también dependerá del área de contacto de los reactivos. Por ejemplo, imagine un gránulo de aluminio metálico arrojado a un tubo de ensayo que contiene una solución acuosa de ácido clorhídrico. El aluminio es un metal activo que puede reaccionar con 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, lo que significa que la reacción con el ácido clorhídrico tiene lugar solo en su superficie. Obviamente, si aumentamos el área superficial enrollando primero el gránulo de aluminio en una hoja, proporcionaremos un mayor número de átomos de aluminio disponibles para la reacción con el ácido. Como resultado, aumentará la velocidad de reacción. De manera similar, se puede lograr un aumento en la superficie de un sólido pulverizándolo.

Además, la velocidad de una reacción heterogénea, en la que un sólido reacciona con una sustancia gaseosa o líquida, a menudo se ve afectada positivamente por la agitación, lo que se debe al hecho de que, como resultado de la agitación, se eliminan las moléculas acumuladas de los productos de reacción. de la zona de reacción y se "introduce" una nueva porción de las moléculas de reactivo.

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

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

1) la 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 los reactivos: cuanto mayor sea el área de contacto de los reactivos, mayor será la velocidad de reacción

4) agitación, si la reacción ocurre con una sustancia sólida y un líquido o gas, la agitación puede acelerarla.

Conceptos básicos estudiados:

Tasa de reacción química

Concentración molar

Cinética

Reacciones homogéneas y heterogéneas.

Factores que afectan la velocidad de las reacciones químicas.

Catalizador, inhibidor

Catálisis

Reacciones reversibles e irreversibles

Equilibrio químico

Las reacciones químicas son reacciones que dan como resultado otras a partir de algunas sustancias (se forman nuevas sustancias a partir de las sustancias originales). Algunas reacciones químicas tienen lugar en una fracción de segundo (explosión), mientras que otras toman minutos, días, años, décadas, etc.

Por ejemplo: instantáneamente con ignición y explosión, ocurre una reacción de combustión de pólvora, y la reacción de oscurecimiento de la plata u oxidación del hierro (corrosión) avanza tan lentamente que su resultado solo puede ser monitoreado después de un largo tiempo.

Para caracterizar la velocidad de una reacción química, se utiliza el concepto de velocidad de una reacción química - υ.

Tasa de reacción química Es el cambio en la concentración de una de las sustancias que reaccionan en la reacción por unidad de tiempo.

La fórmula para calcular la velocidad de una reacción química:

υ =	desde 2 - desde 1	=	∆ con
t 2 - t 1	∆ t

с 1 - concentración molar de la sustancia en el momento inicial t 1

с 2 - concentración molar de la sustancia en el momento inicial t 2

dado que la velocidad de una reacción química se caracteriza por un cambio en la concentración molar de las sustancias que reaccionan (sustancias de partida), entonces t 2> t 1 y c 2> c 1 (la concentración de las sustancias de partida disminuye a medida que avanza la reacción ).

Concentración (es) molar (s) Es la cantidad de sustancia por unidad de volumen. La unidad de medida para la concentración molar es [mol / l].

La rama de la química que estudia la velocidad de las reacciones químicas se llama cinética química... Conociendo sus leyes, una persona puede controlar los procesos químicos, establecerlos a cierta velocidad.

Al calcular la velocidad de una reacción química, debe recordarse que las reacciones se dividen en homogéneas y heterogéneas.

Reacciones homogéneas- reacciones que tienen lugar en el mismo entorno (es decir, los reactivos están en el mismo estado de agregación; por ejemplo: gas + gas, líquido + líquido).

Reacciones heterogéneas- estas son reacciones que ocurren entre sustancias en un medio no homogéneo (hay una interfaz de fase, es decir, las sustancias que reaccionan se encuentran en un estado de agregación diferente; por ejemplo: gas + líquido, líquido + sólido).

La fórmula anterior para calcular la velocidad de una reacción química es válida solo para reacciones homogéneas. Si la reacción es heterogénea, entonces solo puede ir a la superficie de la sección de reactivos.

Para una reacción heterogénea, la velocidad se calcula mediante la fórmula:

∆ν - cambio en la cantidad de sustancia

S - el área de la interfaz

∆ t es el intervalo de tiempo durante el cual tuvo lugar la reacción

La velocidad de las reacciones químicas depende de varios factores: la naturaleza de las sustancias que reaccionan, la concentración de sustancias, la temperatura, los catalizadores o inhibidores.

Dependencia de la velocidad de reacción de la naturaleza de las sustancias que reaccionan.

Analicemos esta dependencia de la velocidad de reacción por ejemplo: coloque en dos tubos de ensayo en los que haya la misma cantidad de solución de ácido clorhídrico (HCl), gránulos metálicos de la misma área: en el primer tubo de ensayo un gránulo de hierro (Fe), y en el segundo - un gránulo de magnesio (Mg). Como resultado de las observaciones, de acuerdo con la tasa de evolución de hidrógeno (H 2), se puede observar que el magnesio reacciona con la tasa más alta con el ácido clorhídrico que el hierro.... La velocidad de una reacción química determinada está influenciada por la naturaleza del metal (es decir, el magnesio es un metal más reactivo que el hierro y, por lo tanto, reacciona más vigorosamente con un ácido).

Dependencia de la velocidad de las reacciones químicas de la concentración de reactivos.

Cuanto mayor sea la concentración de la sustancia reaccionante (de partida), más rápido avanza la reacción. Por el contrario, cuanto menor sea la concentración del reactivo, más lenta será la reacción.

Por ejemplo: vierta una solución concentrada de ácido clorhídrico (HCl) en un tubo y una solución diluida de ácido clorhídrico en el otro. Coloque un gránulo de zinc (Zn) en ambos tubos de ensayo. Observemos, según la tasa de desprendimiento de hidrógeno, que la reacción será más rápida en el primer tubo de ensayo, porque la concentración de ácido clorhídrico es más alta que en el segundo tubo de ensayo.

Para determinar la dependencia de la velocidad de una reacción química, utilice ley de acción de las masas (actuantes) : la velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos, tomadas en potencias que son iguales a sus coeficientes.

Por ejemplo, para una reacción que se desarrolla según el esquema: nA + mB → D, la velocidad de una reacción química está determinada por la fórmula:

υ ch.r. = k C (A) n C (B) m, dónde

υ x.p - velocidad de reacción química

C (A) - A

C (B) - concentración molar de una sustancia V

n y m - sus coeficientes

k - constante de velocidad de reacción química (valor de referencia).

La ley de acción de masas no se aplica a las sustancias en estado sólido, porque su concentración es constante (debido a que reaccionan solo en la superficie, que permanece inalterada).

Por ejemplo: para la reacción 2 Cu + O 2 = 2CuO la velocidad de reacción está determinada por la fórmula:

υ ch.r. = k C (O 2)

PROBLEMA: La constante de velocidad de reacción 2A + B = D es 0.005. calcule la velocidad de reacción a una concentración molar de sustancia A = 0,6 mol / l, sustancia B = 0,8 mol / l.

Dependencia de la temperatura de la velocidad de reacción química.

Esta dependencia está determinada regla de van't-Hoff (1884): con un aumento de temperatura por cada 10 ° C, la velocidad de una reacción química aumenta en promedio de 2 a 4 veces.

Entonces, la interacción del hidrógeno (Н 2) y el oxígeno (О 2) a temperatura ambiente casi no ocurre, por lo que la velocidad de esta reacción química es baja. Pero a una temperatura de 500 C o esta reacción tiene lugar en 50 minutos, ya una temperatura de 700 C o, casi instantáneamente.

La fórmula para calcular la velocidad de una reacción química de acuerdo con la regla de Van't Hoff:

donde: υ t 1 y υ t 2 son las velocidades de las reacciones químicas en t 2 y t 1

γ - coeficiente de temperatura, que muestra cuántas veces aumenta la velocidad de reacción con un aumento de la temperatura en 10 ° C.

Cambio en la velocidad de reacción:

2. Sustituye los datos del enunciado del problema en la fórmula:

La dependencia de la velocidad de reacción de sustancias especiales: catalizadores e inhibidores.

Catalizador- una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química, pero no participa en ella.

Inhibidor- una sustancia que ralentiza una reacción química, pero no participa en ella.

Ejemplo: en un tubo de ensayo con una solución de peróxido de hidrógeno al 3% (H 2 O 2), que se calentó, agregue una antorcha humeante; no se encenderá, porque la velocidad de reacción de la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua (H 2 O) y oxígeno (O 2) es muy baja, y el oxígeno formado no es suficiente para llevar a cabo una reacción cualitativa para el oxígeno (manteniendo la combustión). Ahora agregaremos un poco de polvo negro de óxido de manganeso (IV) (MnO 2) al tubo de ensayo y veremos que ha comenzado una violenta evolución de burbujas de gas (oxígeno), y la antorcha humeante introducida en el tubo de ensayo se enciende intensamente. El MnO 2 es un catalizador para esta reacción, aceleró la velocidad de reacción, pero no participó en ella (esto se puede probar pesando el catalizador antes y después de la reacción; su masa no cambiará).

La velocidad de una reacción química depende de muchos factores, incluida la naturaleza de los reactivos, la concentración de los reactivos, la temperatura y la presencia de catalizadores. Consideremos estos factores.

1). La naturaleza de los reactivos.... Si hay una interacción entre sustancias con un enlace iónico, entonces la reacción procede más rápido que entre sustancias con un enlace covalente.

2.) Concentración de reactivos... Para que tenga lugar una reacción química, es necesaria una colisión de moléculas de sustancias reaccionantes. Es decir, las moléculas deben acercarse tanto entre sí que los átomos de una partícula experimenten la acción de los campos eléctricos de la otra. Solo en este caso serán posibles las transiciones de electrones y los correspondientes reordenamientos de los átomos, como resultado de lo cual se forman moléculas de nuevas sustancias. Por lo tanto, la velocidad de las reacciones químicas es proporcional al número de colisiones que ocurren entre moléculas, y el número de colisiones, a su vez, es proporcional a la concentración de las sustancias que reaccionan. Sobre la base del material experimental, los científicos noruegos Guldberg y Vaage e independientemente de ellos el científico ruso Beketov en 1867 formularon la ley básica de la cinética química: ley de acción de masas(ZDM): a temperatura constante, la velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos por la potencia de sus coeficientes estequiométricos. Para el caso general:

la ley de la acción de masas tiene la forma:

El registro de la ley de acción de masas para esta reacción se llama la ecuación cinética básica de la reacción... En la ecuación cinética básica, k es la constante de velocidad de reacción, que depende de la naturaleza de las sustancias que reaccionan y de la temperatura.

La mayoría de las reacciones químicas son reversibles. En el curso de tales reacciones, sus productos, a medida que se acumulan, reaccionan entre sí con la formación de sustancias iniciales:

Velocidad de reacción hacia adelante:

Tasa de retroalimentación:

En el momento del equilibrio:

Por lo tanto, la ley de acción de masas en un estado de equilibrio tomará la forma:

,

donde K es la constante de equilibrio de la reacción.

3) Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción... La velocidad de las reacciones químicas, por regla general, aumenta cuando se excede la temperatura. Consideremos esto usando el ejemplo de la interacción del hidrógeno con el oxígeno.

2H 2 + O 2 = 2H 2 O

A 20 0 С, la velocidad de reacción es prácticamente cero y se necesitarían 54 mil millones de años para que la interacción pasara en un 15%. A 500 0 С, se necesitarán 50 minutos para que se forme agua, y a 700 0 С la reacción procede instantáneamente.

La dependencia de la velocidad de reacción de la temperatura se expresa regla de van't Hoff: con un aumento de la temperatura en 10 °, la velocidad de reacción aumenta de 2 a 4 veces. La regla de Van't Hoff está escrita:

4) Efecto de los catalizadores... La velocidad de las reacciones químicas se puede ajustar usando catalizadores- Sustancias que cambian la velocidad de reacción y permanecen inalteradas después de la reacción. Cambiar la velocidad de reacción en presencia de un catalizador se llama catálisis. Distinguir positivo(la velocidad de reacción aumenta) y negativo(la velocidad de reacción disminuye) catálisis. A veces, el catalizador se forma durante la reacción, tales procesos se denominan autocatalíticos. Distinguir entre catálisis homogénea y heterogénea.

A homogéneo Por catálisis, el catalizador y los reactivos están en la misma fase. Por ejemplo:

A heterogéneo catálisis, el catalizador y los reactivos están en diferentes fases. Por ejemplo:

La catálisis heterogénea está asociada con procesos enzimáticos. Todos los procesos químicos en los organismos vivos están catalizados por enzimas, que son proteínas con funciones especializadas específicas. En las soluciones en las que tienen lugar procesos enzimáticos, no existe un entorno heterogéneo típico, debido a la ausencia de una interfaz claramente definida. Estos procesos se denominan catálisis microheterogénea.

Tasa de reacción química

Tasa de reacción química- cambio en la cantidad de uno de los reactivos por unidad de tiempo en una unidad de espacio de reacción. Es un concepto clave en cinética química. La velocidad de una reacción química es siempre un valor positivo, por lo tanto, si está determinada por la sustancia inicial (cuya concentración disminuye durante la reacción), entonces el valor resultante se multiplica por -1.

Por ejemplo, para una reacción:

la expresión de velocidad se verá así:

... La velocidad de una reacción química en cada momento es proporcional a las concentraciones de los reactivos elevadas a potencias iguales a sus coeficientes estequiométricos.

Para reacciones elementales, el exponente a la concentración de cada sustancia es a menudo igual a su coeficiente estequiométrico; para reacciones complejas, esta regla no se observa. Además de la concentración, los siguientes factores afectan la velocidad de una reacción química:

• la naturaleza de las sustancias que reaccionan,
• presencia de un catalizador,
• temperatura (regla de van't Hoff),
• presión,
• la superficie de los reactivos.

Si consideramos la reacción química más simple A + B → C, notamos que instante la velocidad de una reacción química es variable.

Literatura

• Kubasov A.A. Cinética química y catálisis.
• Prigogine I., Defey R. Termodinámica química. Novosibirsk: Nauka, 1966, 510 p.
• Yablonsky G.S., Bykov V.I., Gorban A.N., Modelos cinéticos de reacciones catalíticas, Novosibirsk: Nauka (rama siberiana), 1983.- 255 p.

Fundación Wikimedia. 2010.

• Dialectos galeses del inglés
• Saw (serie de películas)

Vea qué es "Velocidad de reacción química" en otros diccionarios:

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TASA DE REACCIÓN QUÍMICA- el concepto básico de quím. cinética, que expresa la relación entre la cantidad de sustancia reaccionada (en moles) y el período de tiempo durante el cual tuvo lugar la interacción. Dado que la interacción cambia las concentraciones de reactivos, la tasa generalmente ... Gran Enciclopedia Politécnica

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Reacciones químicas- transformación de unas sustancias en otras, diferentes de las originales en composición o estructura química. El número total de átomos de cada elemento dado, así como los propios elementos químicos que componen la sustancia, permanecen en la composición química. sin alterar; esta R. x ... Gran enciclopedia soviética

velocidad de dibujo- velocidad lineal del movimiento del metal a la salida del dibujo, m / s. En las máquinas de estirado modernas, la velocidad de estirado alcanza de 50 a 80 m / s. Sin embargo, incluso al estirar el cable, la velocidad no suele superar los 30-40 m / s. A… … Diccionario enciclopédico de metalurgia

Tasa de reacción química

El tema "La velocidad de una reacción química" es quizás el más difícil y controvertido del plan de estudios escolar. Esto se debe a la complejidad de la cinética química en sí, una de las ramas de la química física. La definición misma del concepto de "velocidad de una reacción química" es ambigua (ver, por ejemplo, un artículo de L.S. Guzei en el periódico "Chemistry", 2001, No. 28,
con. 12). Surgen aún más problemas cuando se intenta aplicar la ley de acción de masas para la velocidad de reacción a cualquier sistema químico, porque el rango de objetos para los cuales es posible una descripción cuantitativa de los procesos cinéticos dentro del currículo escolar es muy estrecho. Me gustaría señalar especialmente la incorrección de usar la ley de acción de masas para la velocidad de una reacción química en equilibrio químico.
Al mismo tiempo, sería incorrecto negarse a considerar este tema en la escuela por completo. La idea de la velocidad de una reacción química es muy importante en el estudio de muchos procesos naturales y tecnológicos; sin ellos, es imposible hablar de catálisis y catalizadores, incluidas las enzimas. Aunque, al discutir las transformaciones de sustancias, se utilizan principalmente ideas cualitativas sobre la velocidad de una reacción química, la introducción de las relaciones cuantitativas más simples sigue siendo deseable, especialmente para reacciones elementales.
El artículo publicado analiza con suficiente detalle las cuestiones de la cinética química que se pueden discutir en las lecciones de química de la escuela. La exclusión de los aspectos controvertidos y controvertidos de este tema del curso de química escolar es especialmente importante para aquellos estudiantes que van a continuar su educación química en una universidad. Después de todo, el conocimiento adquirido en la escuela a menudo entra en conflicto con la realidad científica.

Las reacciones químicas pueden variar significativamente en su duración. Una mezcla de hidrógeno y oxígeno a temperatura ambiente puede permanecer prácticamente sin cambios durante mucho tiempo, pero se producirá una explosión por impacto o ignición. La placa de hierro se oxida lentamente y un trozo de fósforo blanco se enciende espontáneamente en el aire. Es importante saber qué tan rápido procede esta o aquella reacción para poder controlar su curso.

Conceptos básicos

Una característica cuantitativa de la rapidez con que avanza una reacción dada es la velocidad de una reacción química, es decir, la velocidad a la que se consumen los reactivos o la velocidad a la que aparecen los productos. En este caso, no importa cuál de las sustancias que participan en la reacción estemos hablando, ya que todas están interconectadas a través de la ecuación de la reacción. Al cambiar la cantidad de una de las sustancias, se pueden juzgar los cambios correspondientes en las cantidades de todas las demás.

Tasa de reacción química () se denomina cambio en la cantidad de una sustancia o producto reactivo () por unidad de tiempo () por unidad de volumen (V):

= /(V ).

La velocidad de reacción en este caso se expresa generalmente en mol / (l s).

La expresión anterior se refiere a reacciones químicas homogéneas que ocurren en un medio homogéneo, por ejemplo, entre gases o en solución:

2SO 2 + O 2 = 2SO 3,

BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2HCl.

Las reacciones químicas heterogéneas tienen lugar en las superficies de contacto de una sustancia sólida y un gas, una sustancia sólida y un líquido, etc. Las reacciones heterogéneas incluyen, por ejemplo, reacciones de metales con ácidos:

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2.

En este caso la velocidad de reacción es el cambio en la cantidad de una sustancia o producto reactivo () por unidad de tiempo() por unidad de superficie (S):

= /(S ).

La velocidad de la reacción heterogénea se expresa en mol / (m 2 s).

Para controlar las reacciones químicas, es importante no solo poder determinar sus velocidades, sino también averiguar qué condiciones las afectan. La sección de química que estudia la velocidad de las reacciones químicas y la influencia de varios factores en ella se llama cinética química.

Frecuencia de impacto de las partículas que reaccionan

El factor más importante que determina la velocidad de una reacción química es concentración.

Con un aumento en la concentración de reactivos, la velocidad de reacción, por regla general, aumenta. Para reaccionar, dos partículas químicas deben acercarse, por lo que la velocidad de la reacción depende del número de colisiones entre ellas. Un aumento en el número de partículas en un volumen dado conduce a colisiones más frecuentes y a un aumento en la velocidad de reacción.

Para reacciones homogéneas, aumentar la concentración de uno o más reactivos aumentará la velocidad de reacción. Con una disminución de la concentración, se observa el efecto contrario. La concentración de sustancias en solución se puede cambiar agregando o eliminando reactivos o solventes de la esfera de reacción. En los gases, la concentración de una de las sustancias se puede aumentar introduciendo una cantidad adicional de esta sustancia en la mezcla de reacción. La concentración de todas las sustancias gaseosas se puede aumentar simultáneamente disminuyendo el volumen ocupado por la mezcla. En este caso, aumentará la velocidad de reacción. El aumento de volumen conduce al resultado contrario.

La velocidad de reacciones heterogéneas depende de superficie de contacto, es decir. sobre el grado de trituración de sustancias, la integridad de la mezcla de reactivos, así como sobre el estado de las estructuras cristalinas de los sólidos. Cualquier alteración en la estructura cristalina provoca un aumento en la reactividad de los sólidos, porque se requiere energía adicional para romper una estructura cristalina sólida.

Considere la posibilidad de quemar leña. Un tronco entero se quema relativamente lento en el aire. Si aumenta la superficie de contacto de la madera con el aire, dividiendo el tronco en astillas, aumentará la velocidad de combustión. Al mismo tiempo, la madera se quema en oxígeno puro mucho más rápido que en el aire, que contiene solo alrededor del 20% de oxígeno.

Para que se produzca una reacción química, debe producirse una colisión de partículas (átomos, moléculas o iones). Como resultado de las colisiones, los átomos se reorganizan y surgen nuevos enlaces químicos, lo que conduce a la formación de nuevas sustancias. La probabilidad de colisión de dos partículas es bastante alta, la probabilidad de colisión simultánea de tres partículas es mucho menor. Una colisión simultánea de cuatro partículas es extremadamente improbable. Por lo tanto, la mayoría de las reacciones se desarrollan en varias etapas, en cada una de las cuales no interactúan más de tres partículas.

La reacción de oxidación del bromuro de hidrógeno avanza a una velocidad notable a 400–600 ° С:

4HBr + O 2 = 2H 2 O + 2Br 2.

Según la ecuación de reacción, cinco moléculas deben chocar al mismo tiempo. Sin embargo, la probabilidad de que ocurra tal evento es prácticamente nula. Además, los estudios experimentales han demostrado que el aumento de la concentración, ya sea de oxígeno o de bromuro de hidrógeno, aumenta la velocidad de reacción en la misma cantidad de veces. Y esto a pesar de que por cada molécula de oxígeno se consumen cuatro moléculas de bromuro de hidrógeno.

Un examen detallado de este proceso muestra que se desarrolla en varias etapas:

1) HBr + O2 = HOOBr (reacción lenta);

2) HOOBr + HBr = 2HOVr (respuesta rápida);

3) HOBr + HBr = H 2 O + Br 2 (respuesta rápida).

Las reacciones dadas, las llamadas reacciones elementales reflejar mecanismo de reacción oxidación de bromuro de hidrógeno con oxígeno. Es importante señalar que solo dos moléculas están involucradas en cada una de las reacciones intermedias. Sumar las dos primeras ecuaciones y duplicar la tercera da la ecuación de reacción total. La velocidad de reacción general está determinada por la reacción intermedia más lenta, en la que interactúan una molécula de bromuro de hidrógeno y una molécula de oxígeno.

La velocidad de las reacciones elementales es directamente proporcional al producto de las concentraciones molares. con (con Es la cantidad de sustancia por unidad de volumen, con = /V) de reactivos tomados en potencias iguales a sus coeficientes estequiométricos ( ley de acción de masas para la velocidad de la reacción química). Esto es cierto solo para las ecuaciones de reacción que reflejan los mecanismos de procesos químicos reales, cuando los coeficientes estequiométricos frente a las fórmulas de los reactivos corresponden al número de partículas que interactúan.

Según el número de moléculas que interactúan en la reacción, se distinguen las reacciones monomoleculares, bimoleculares y trimoleculares. Por ejemplo, la disociación del yodo molecular en átomos: I 2 = 2I es una reacción monomolecular.

Interacción del yodo con el hidrógeno: I 2 + H 2 = 2HI - reacción bimolecular. La ley de acción de masas para reacciones químicas de diferente peso molecular se escribe de diferentes formas.

Reacciones monomoleculares:

A = B + C,

= kc A,

dónde k Es la velocidad de reacción constante.

Reacciones bimoleculares:

= kc A C V.

Reacciones trimoleculares:

= kc 2 A C V.

Energía de activación

La colisión de partículas químicas conduce a una interacción química solo si las partículas que chocan tienen una energía que excede un cierto valor. Considere la interacción de sustancias gaseosas que consisten en moléculas A 2 y B 2:

A 2 + B 2 = 2AB.

En el curso de una reacción química, se produce una reordenación de átomos, acompañada de la ruptura de enlaces químicos en los materiales de partida y la formación de enlaces en los productos de reacción. Cuando las moléculas reaccionan chocan, el llamado complejo activado, en el que se produce una redistribución de la densidad de electrones, y solo entonces se obtiene el producto final de la reacción:

La energía requerida para la transición de sustancias al estado de complejo activado se llama energía de activación.

La actividad de los productos químicos se manifiesta en la baja energía de activación de las reacciones con su participación. Cuanto menor sea la energía de activación, mayor será la velocidad de reacción. Por ejemplo, en las reacciones entre cationes y aniones, la energía de activación es muy pequeña, por lo que tales reacciones proceden casi instantáneamente. Si la energía de activación es alta, una parte muy pequeña de las colisiones conduce a la formación de nuevas sustancias. Por tanto, la velocidad de reacción entre hidrógeno y oxígeno a temperatura ambiente es prácticamente cero.

Entonces, la velocidad de reacción está influenciada por naturaleza de los reactivos... Considere, por ejemplo, la reacción de metales con ácidos. Si se sumergen piezas idénticas de cobre, zinc, magnesio y hierro en tubos de ensayo con ácido sulfúrico diluido, se puede ver que la intensidad de la liberación de burbujas de gas hidrógeno, que caracteriza la velocidad de reacción, difiere significativamente para estos metales. En un tubo de ensayo con magnesio se observa una violenta evolución de hidrógeno, en un tubo de ensayo con zinc se liberan burbujas de gas con algo más calma. La reacción en un tubo de ensayo con hierro avanza aún más lentamente (Fig.). El cobre no reacciona en absoluto con el ácido sulfúrico diluido. Por tanto, la velocidad de reacción depende de la actividad del metal.

Al reemplazar el ácido sulfúrico (ácido fuerte) con acético (ácido débil), la velocidad de reacción en todos los casos se ralentiza significativamente. Se puede concluir que la naturaleza de ambos reactivos, tanto metálicos como ácidos, afecta la velocidad de reacción de un metal con un ácido.

Mejora temperatura conduce a un aumento de la energía cinética de las partículas químicas, es decir, aumenta el número de partículas con una energía superior a la energía de activación. A medida que aumenta la temperatura, también aumenta el número de colisiones de partículas, lo que en cierta medida aumenta la velocidad de reacción. Sin embargo, un aumento en la eficiencia de las colisiones al aumentar la energía cinética tiene un efecto mayor en la velocidad de reacción que un aumento en el número de colisiones.

Cuando la temperatura aumenta diez grados, la velocidad aumenta en un factor igual al coeficiente de temperatura de la velocidad:

= T+10 /T .

Cuando la temperatura sube de T antes de T"
relación de velocidad de reacción T" y T es igual a
coeficiente de temperatura de velocidad en potencia ( T" – T)/10:

T" /T = (T"–T)/10.

Para muchas reacciones homogéneas, el coeficiente de temperatura de la velocidad es 24 (regla de van't Hoff). La dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura se puede rastrear mediante el ejemplo de la interacción del óxido de cobre (II) con ácido sulfúrico diluido. La reacción es muy lenta a temperatura ambiente. Cuando se calienta, la mezcla de reacción se vuelve azul rápidamente debido a la formación de sulfato de cobre (II):

CuO + H 2 SO 4 = CuSO 4 + H 2 O.

Catalizadores e inhibidores

Muchas reacciones pueden acelerarse o ralentizarse mediante la introducción de determinadas sustancias. Las sustancias agregadas no participan en la reacción y no se consumen durante su curso, pero tienen un efecto significativo en la velocidad de reacción. Estas sustancias cambian el mecanismo de reacción (incluida la composición del complejo activado) y reducen la energía de activación, lo que acelera las reacciones químicas. Sustancias: los aceleradores de reacción se denominan catalizadores, y el fenómeno mismo de tal aceleración de la reacción es catálisis.

Muchas reacciones en ausencia de catalizadores se desarrollan muy lentamente o no se desarrollan en absoluto. Una de estas reacciones es la descomposición del peróxido de hidrógeno:

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2.

Si coloca un trozo de dióxido de manganeso sólido en un recipiente con una solución acuosa de peróxido de hidrógeno, comenzará una violenta evolución de oxígeno. Después de la eliminación del dióxido de manganeso, la reacción prácticamente se detiene. Pesando, es fácil asegurarse de que el dióxido de manganeso no se consume en este proceso, solo cataliza la reacción.

Dependiendo de si el catalizador y los reactivos se encuentran en el mismo estado o en diferentes estados de agregación, se distinguen catálisis homogénea y heterogénea.

Con catálisis homogénea, el catalizador puede acelerar la reacción formando intermedios al reaccionar con uno de los reactivos de partida. Por ejemplo:

En la catálisis heterogénea, generalmente ocurre una reacción química en la superficie del catalizador:

Los catalizadores son de naturaleza generalizada. Casi todas las transformaciones de sustancias en organismos vivos proceden con la participación de catalizadores orgánicos: enzimas.

Los catalizadores se utilizan en la producción química para acelerar ciertos procesos. Además de ellos, también se utilizan sustancias que ralentizan las reacciones químicas: inhibidores... Con la ayuda de inhibidores, en particular, protegen los metales de la corrosión.

Factores que afectan la velocidad de una reacción química.

Aumentar la velocidad	Reducir la velocidad
La presencia de reactivos químicamente activos.	La presencia de reactivos químicamente inactivos.
Incrementando la concentración de reactivos	Reducir la concentración de reactivos
Aumento de la superficie de reactivos sólidos y líquidos.	Reducir la superficie de reactivos sólidos y líquidos.
Aumento de temperatura	Bajando la temperatura
La presencia de un catalizador.	Presencia de un inhibidor

TAREAS

1. Dé una definición de la velocidad de una reacción química. Escribe la expresión de la ley cinética de masas efectivas para las siguientes reacciones:

a) 2C (tv.) + O 2 (g) = 2CO (g);

b) 2HI (g) = H 2 (g) + I 2 (g).

2. ¿Qué determina la velocidad de una reacción química? Da una expresión matemática para la dependencia de la velocidad de una reacción química con la temperatura.

3. Indique cómo afecta la velocidad de reacción (a volumen constante):

a) un aumento en la concentración de reactivos;

b) triturar el reactivo sólido;
c) bajar la temperatura;
d) la introducción del catalizador;
e) reducir la concentración de reactivos;
f) aumento de temperatura;
g) la introducción de un inhibidor;
h) una disminución en la concentración de productos.

4. Calcular la velocidad de una reacción química

CO (g) + H 2 O (g) = CO 2 (g) + H 2 (g)

en un recipiente con una capacidad de 1 litro, si después de 1 min 30 s después de su inicio la cantidad de sustancia de hidrógeno fue de 0,32 mol, y después de 2 min 10 s se convirtió en 0,44 mol. ¿Cómo afectará un aumento en la concentración de CO a la velocidad de reacción?

5. Como resultado de una reacción durante un cierto período de tiempo, se formaron 6,4 g de yoduro de hidrógeno y en otra reacción en las mismas condiciones, 6,4 g de dióxido de azufre. Compare las tasas de estas reacciones. ¿Cómo cambiarán las velocidades de estas reacciones al aumentar la temperatura?

6. Determine la velocidad de reacción

CO (g) + Cl 2 (g) = COCl 2 (g),

si, 20 s después del inicio de la reacción, la cantidad inicial de la sustancia de monóxido de carbono (II) disminuyó de 6 moles en 3 veces (el volumen del reactor es 100 l). ¿Cómo cambiará la velocidad de reacción si se usa bromo menos activo en lugar de cloro? ¿Cómo cambiará la velocidad de reacción cuando se administre?
un catalizador; b) un inhibidor?

7. En cuyo caso la reacción

CaO (tv.) + CO 2 (g.) = CaCO 3 (tv.)

corre más rápido: cuando se utilizan trozos grandes o polvo de óxido de calcio? Calcular:
a) la cantidad de sustancia; b) la masa de carbonato cálcico formado en 10 s, si la velocidad de reacción es 0,1 mol / (l s), el volumen del reactor es 1 litro.

8. La interacción de una muestra de magnesio con ácido clorhídrico HCl permite obtener 0,02 mol de cloruro de magnesio 30 s después del inicio de la reacción. Determina cuánto tiempo lleva obtener 0.06 mol de cloruro de magnesio.

E) de 70 a 40 ° C, la velocidad de reacción disminuyó 8 veces;
g) de 60 a 40 ° C, la velocidad de reacción disminuyó 6,25 veces;
h) de 40 a 10 ° C, la velocidad de reacción disminuyó 27 veces.

11. El propietario del automóvil lo pintó con pintura nueva y luego descubrió que, de acuerdo con las instrucciones, debería secarse durante 3 horas a 105 ° C. ¿Cuánto tiempo se secará la pintura a 25 ° C, si el coeficiente de temperatura de la reacción de polimerización subyacente a este proceso es: a) 2; b) 3; ¿a las 4?

RESPUESTAS A PREGUNTAS

1.a) = kc(O 2); b) = kc(HOLA) 2.

2. T+10 = T .

3. La velocidad de reacción aumenta en los casos a, b, d, f; disminuye - c, d, g; no cambia - h.

4. 0,003 mol / (l s). Con un aumento en la concentración de CO, aumenta la velocidad de reacción.

5. La velocidad de la primera reacción es 2 veces menor.

6. 0,002 mol / (l s).

7. a) 1 mol; b) 100 g.

9. La velocidad de las reacciones d, g, h aumentará 2 veces; 4 veces - a, b, f; 8 veces - en, g.

10. Coeficiente de temperatura:

2 para las reacciones b, f; = 2,5 - pulg, g; = 3 - d, h; = 3,5 - a, d.

a) 768 horas (32 días, es decir, más de 1 mes);
b) 19.683 horas (820 días, es decir, más de 2 años);
c) 196608 horas (8192 días, es decir, 22 años).