อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี: ความหมายและการพึ่งพาปัจจัยต่างๆ

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

อัตราการเกิดปฏิกิริยาคือค่าที่แสดงการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นในช่วงระยะเวลาหนึ่ง จำเป็นต้องเปลี่ยนเงื่อนไขเริ่มต้นของกระบวนการเพื่อประเมินขนาด

ปฏิสัมพันธ์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน

อัตราการเกิดปฏิกิริยาระหว่างสารประกอบบางชนิดที่อยู่ในรูปแบบการรวมตัวเดียวกันนั้นขึ้นอยู่กับปริมาตรของสารที่ได้รับ จากมุมมองทางคณิตศาสตร์ เป็นไปได้ที่จะแสดงความสัมพันธ์ระหว่างอัตราของกระบวนการที่เป็นเนื้อเดียวกันและการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นต่อหน่วยเวลา

ตัวอย่างของปฏิกิริยาดังกล่าวคือการเกิดออกซิเดชันของไนตริกออกไซด์ (2) กับไนตริกออกไซด์ (4)

กระบวนการต่างกัน

อัตราการเกิดปฏิกิริยาของสารตั้งต้นในสถานะการรวมตัวที่แตกต่างกันนั้นแสดงลักษณะโดยจำนวนโมลของสารทำปฏิกิริยาเริ่มต้นต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลา

การโต้ตอบที่ต่างกันเป็นลักษณะของระบบที่มีสถานะรวมต่างกัน

สรุป เราสังเกตว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาแสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงในจำนวนโมลของสารตั้งต้น (ผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา) สำหรับระยะเวลาต่อหน่วยอินเทอร์เฟซหรือต่อหน่วยปริมาณ

สมาธิ

ลองพิจารณาปัจจัยหลักที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยากัน เริ่มต้นด้วยความเข้มข้น การพึ่งพาอาศัยกันดังกล่าวแสดงออกโดยกฎแห่งการกระทำมวลชน มีความสัมพันธ์แบบสัดส่วนโดยตรงระหว่างผลคูณของความเข้มข้นของสารที่มีปฏิกิริยา พิจารณาในแง่ของสัมประสิทธิ์สเตอริโอเคมี และความเร็วของปฏิกิริยา

พิจารณาสมการ aA + bB=cC + dD โดยที่ A, B, C, D เป็นของเหลวหรือก๊าซ สำหรับกระบวนการข้างต้น สามารถเขียนสมการจลนศาสตร์โดยคำนึงถึงสัมประสิทธิ์สัดส่วน ซึ่งมีค่าของตัวเองสำหรับการโต้ตอบแต่ละครั้ง

เนื่องจากเหตุผลหลักที่ทำให้ความเร็วเพิ่มขึ้น เราสามารถสังเกตได้ว่าจำนวนการชนกันของอนุภาคที่ทำปฏิกิริยาต่อหน่วยปริมาตรเพิ่มขึ้น

อุณหภูมิ

พิจารณาผลของอุณหภูมิต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา กระบวนการที่เกิดขึ้นในระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออนุภาคชนกัน แต่ไม่ใช่การชนกันทั้งหมดจะนำไปสู่การก่อตัวของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยา เฉพาะในกรณีที่อนุภาคมีพลังงานเพิ่มขึ้น เมื่อรีเอเจนต์ถูกทำให้ร้อน พลังงานจลน์ของอนุภาคจะเพิ่มขึ้น จำนวนของโมเลกุลที่ออกฤทธิ์จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงสังเกตได้ว่าอัตราการเกิดปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์ระหว่างดัชนีอุณหภูมิและอัตรากระบวนการถูกกำหนดโดยกฎ van't Hoff: แต่ละอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10°C จะทำให้อัตรากระบวนการเพิ่มขึ้น 2-4 เท่า

ตัวเร่งปฏิกิริยา

เมื่อพิจารณาปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา เรามาเน้นที่สารที่สามารถเพิ่มความเร็วของกระบวนการได้ นั่นคือ ตัวเร่งปฏิกิริยา ขึ้นอยู่กับสถานะของการรวมตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวทำปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาหลายประเภทมีความโดดเด่น:

รูปแบบที่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งตัวทำปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยามีสถานะการรวมตัวเหมือนกัน
ต่างกันเมื่อสารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ในเฟสเดียวกัน

นิกเกิล แพลตตินั่ม โรเดียม และแพลเลเดียมสามารถแยกแยะเป็นตัวอย่างของสารที่เร่งปฏิกิริยาได้

สารยับยั้งคือสารที่ทำให้ปฏิกิริยาช้าลง

พื้นที่ติดต่อ

อะไรเป็นตัวกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยา? เคมีแบ่งออกเป็นหลายส่วน ซึ่งแต่ละส่วนเกี่ยวข้องกับการพิจารณากระบวนการและปรากฏการณ์บางอย่าง หลักสูตรเคมีฟิสิกส์ตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่างพื้นที่สัมผัสและความเร็วของกระบวนการ

เพื่อเพิ่มพื้นที่สัมผัสของรีเอเจนต์ พวกเขาจะถูกบดให้เป็นขนาดที่แน่นอน ปฏิกิริยาที่เร็วที่สุดเกิดขึ้นในสารละลาย ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำปฏิกิริยาจำนวนมากในตัวกลางที่เป็นน้ำ

เมื่อบดของแข็งต้องวัด ตัวอย่างเช่น เมื่อไพไรต์ (ไอรอนซัลไฟต์) ถูกแปลงเป็นฝุ่น อนุภาคของมันถูกเผาในเตาเผา ซึ่งส่งผลเสียต่ออัตราของกระบวนการออกซิเดชันของสารประกอบนี้ และผลผลิตของซัลเฟอร์ไดออกไซด์ลดลง

รีเอเจนต์

มาทำความเข้าใจวิธีการกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับตัวทำปฏิกิริยากันอย่างไร? ตัวอย่างเช่น โลหะออกฤทธิ์ที่อยู่ในชุดเคมีไฟฟ้าของ Beketov ก่อนไฮโดรเจนจะสามารถโต้ตอบกับสารละลายกรดได้ และโลหะที่อยู่หลัง H_{2 ไม่มีความสามารถดังกล่าว สาเหตุของปรากฏการณ์นี้อยู่ที่กิจกรรมทางเคมีต่างๆ ของโลหะ}

ความดัน

อัตราการเกิดปฏิกิริยาสัมพันธ์กับค่านี้อย่างไร? เคมีเป็นวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์อย่างใกล้ชิด ดังนั้นการพึ่งพาอาศัยกันจึงเป็นสัดส่วนโดยตรง มันถูกควบคุมโดยกฎของแก๊ส มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างปริมาณ และเพื่อให้เข้าใจว่ากฎข้อใดกำหนดอัตราของปฏิกิริยาเคมี จำเป็นต้องทราบสถานะของการรวมกลุ่มและความเข้มข้นของรีเอเจนต์

ประเภทของความเร็วในวิชาเคมี

มันเป็นเรื่องปกติที่จะแยกค่าทันทีและค่าเฉลี่ยออกมา อัตราเฉลี่ยของปฏิกิริยาเคมีถูกกำหนดเป็นความแตกต่างในความเข้มข้นของสารตั้งต้นในช่วงเวลาหนึ่ง

ค่าที่ได้จะเป็นลบเมื่อความเข้มข้นลดลง บวกเมื่อความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ปฏิสัมพันธ์เพิ่มขึ้น

ค่าจริง (ทันที) คืออัตราส่วนในหน่วยเวลาหนึ่งๆ

ในระบบ SI อัตราของกระบวนการทางเคมีจะแสดงเป็น [mol×m^-3×s^-1].

ปัญหาในวิชาเคมี

มาดูตัวอย่างปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการกำหนดความเร็วกัน

ตัวอย่างที่ 1 ในผสมคลอรีนและไฮโดรเจนในภาชนะ จากนั้นให้ความร้อน หลังจากผ่านไป 5 วินาที ความเข้มข้นของไฮโดรเจนคลอไรด์จะได้รับค่า 0.05 โมล/dm³ คำนวณอัตราเฉลี่ยของการก่อตัวของไฮโดรเจนคลอไรด์ (mol/dm^{3 s).}

จำเป็นต้องกำหนดการเปลี่ยนแปลงในความเข้มข้นของไฮโดรเจนคลอไรด์ 5 วินาทีหลังจากการโต้ตอบ โดยลบค่าเริ่มต้นออกจากความเข้มข้นสุดท้าย:

C(HCl)=c2 - c1=0.05 - 0=0.05 โมล/dm3.

คำนวณอัตราเฉลี่ยของการเกิดไฮโดรเจนคลอไรด์:

V=0.05/5=0.010 โมล/dm3 ×s.

ตัวอย่างที่ 2 ในเรือที่มีปริมาตร 3 dm3 กระบวนการต่อไปนี้จะเกิดขึ้น:

C₂H₂ + 2H₂=C_{2 H}6_.

มวลเริ่มต้นของไฮโดรเจนคือ 1 ก. สองวินาทีหลังจากการเริ่มต้นของปฏิกิริยา มวลของไฮโดรเจนได้รับค่า 0.4 ก. คำนวณอัตราเฉลี่ยของการผลิตอีเทน (mol/dm 3×s).

มวลของไฮโดรเจนที่ทำปฏิกิริยาถูกกำหนดเป็นความแตกต่างระหว่างค่าเริ่มต้นและจำนวนสุดท้าย คือ 1 - 0.4=0.6 (g) ในการกำหนดจำนวนโมลของไฮโดรเจน จำเป็นต้องหารด้วยมวลโมลาร์ของก๊าซที่กำหนด: n \u003d 0.6/2 \u003d 0.3 โมล จากสมการ อีเทน 1 โมลเกิดจากไฮโดรเจน 2 โมล ดังนั้น จาก 0.3 โมลของ H_{2 เราจะได้อีเทน 0.15 โมล}

กำหนดความเข้มข้นของไฮโดรคาร์บอนที่ได้ เราจะได้ 0.05 โมล/dm³ จากนั้นคุณสามารถคำนวณอัตราเฉลี่ยของการก่อตัวของมัน:=0.025 mol/dm^{3 ×s.}

สรุป

ปัจจัยต่างๆ ที่มีอิทธิพลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาทางเคมี: ธรรมชาติของสารที่ทำปฏิกิริยา (พลังงานกระตุ้น), ความเข้มข้น, การปรากฏตัวของตัวเร่งปฏิกิริยา, ระดับของการบด, ความดัน, ประเภทของรังสี

ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่สิบเก้า ศาสตราจารย์ N. N. Beketov เสนอว่ามีความเชื่อมโยงระหว่างมวลของสารทำปฏิกิริยาตั้งต้นกับระยะเวลาของกระบวนการ สมมติฐานนี้ได้รับการยืนยันในกฎหมายว่าด้วยการกระทำโดยมวลซึ่งก่อตั้งขึ้นในปี 2410 โดยนักเคมีชาวนอร์เวย์: P. Wage และ K. Guldberg

เคมีฟิสิกส์ศึกษากลไกและความเร็วของกระบวนการต่างๆ กระบวนการที่ง่ายที่สุดที่เกิดขึ้นในขั้นตอนเดียวเรียกว่ากระบวนการโมเลกุลเดี่ยว การโต้ตอบที่ซับซ้อนเกี่ยวข้องกับการโต้ตอบตามลำดับเบื้องต้นหลายอย่าง ดังนั้นแต่ละขั้นตอนจึงถูกพิจารณาแยกกัน