Reaktionsgeschwindigkeit ist ein Wert, der die Änderung der Konzentration von Reaktanten über einen bestimmten Zeitraum angibt. Um seine Größe abzuschätzen, müssen die Anfangsbedingungen des Prozesses geändert werden.
Homogene Wechselwirkungen
Die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen einigen Verbindungen, die in der gleichen Aggregatform vorliegen, hängt vom Volumen der aufgenommenen Substanzen ab. Aus mathematischer Sicht ist es möglich, den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit eines homogenen Prozesses und der Konzentrationsänderung pro Zeiteinheit auszudrücken.
Ein Beispiel für eine solche Wechselwirkung ist die Oxidation von Stickstoffmonoxid (2) zu Stickstoffmonoxid (4).
Heterogene Prozesse
Die Reaktionsgeschwindigkeit für Ausgangsstoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen wird durch die Anzahl Mol Ausgangsreagenzien pro Flächeneinheit pro Zeiteinheit charakterisiert.
Heterogene Wechselwirkungen sind charakteristisch für Systeme mit unterschiedlichen Aggregatzuständen.
Zusammenfassend stellen wir fest, dass die Reaktionsgeschwindigkeit die Änderung in der Anzahl der Mole der anfänglichen Reagenzien (Reaktionsprodukte) für zeigtZeitraum, pro Schnittstelleneinheit oder pro Volumeneinheit.
Konzentration
Lassen Sie uns die Hauptfaktoren betrachten, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen. Beginnen wir mit der Konzentration. Eine solche Abhängigkeit wird durch das Massenwirkungsgesetz ausgedrückt. Es besteht eine direkt proportionale Beziehung zwischen dem Produkt der Konzentrationen von Stoffen, die in Wechselwirkung treten, bezogen auf ihre stereochemischen Koeffizienten, und der Geschwindigkeit der Reaktion.
Betrachte die Gleichung aA + bB=cC + dD, wobei A, B, C, D Flüssigkeiten oder Gase sind. Für den obigen Vorgang kann die kinetische Gleichung unter Berücksichtigung des Proportionalitätskoeffizienten geschrieben werden, der für jede Wechselwirkung einen eigenen Wert hat.
Als Hauptgrund für die Geschwindigkeitszunahme kann man eine Zunahme der Anzahl der Kollisionen reagierender Teilchen pro Volumeneinheit feststellen.
Temperatur
Betrachten Sie den Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Prozesse, die in homogenen Systemen ablaufen, sind nur möglich, wenn Teilchen kollidieren. Aber nicht alle Stöße führen zur Bildung von Reaktionsprodukten. Nur in dem Fall, wenn die Teilchen eine erhöhte Energie haben. Wenn die Reagenzien erhitzt werden, wird eine Zunahme der kinetischen Energie der Partikel beobachtet, die Anzahl der aktiven Moleküle nimmt zu, daher wird eine Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet. Der Zusammenhang zwischen dem Temperaturindex und der Prozessrate wird durch die Van't-Hoff-Regel bestimmt: Jede Temperaturerhöhung um 10°C führt zu einer Erhöhung der Prozessrate um das 2- bis 4-fache.
Katalysator
Betrachten wir die Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, konzentrieren wir uns auf Substanzen, die die Geschwindigkeit des Prozesses erhöhen können, dh auf Katalysatoren. Je nach Aggregatzustand des Katalysators und der Reaktanden werden mehrere Arten der Katalyse unterschieden:
- homogene Form, bei der die Reaktionspartner und der Katalysator den gleichen Aggregatzustand haben;
- heterogen, wenn Edukte und Katalysator in der gleichen Phase vorliegen.
Nickel, Platin, Rhodium, Palladium können als Beispiele für Substanzen unterschieden werden, die Wechselwirkungen beschleunigen.
Inhibitoren sind Substanzen, die eine Reaktion verlangsamen.
Kontaktbereich
Was bestimmt noch die Reaktionsgeschwindigkeit? Die Chemie gliedert sich in mehrere Abschnitte, die sich jeweils mit der Betrachtung bestimmter Prozesse und Phänomene befassen. Der Studiengang Physikalische Chemie untersucht den Zusammenhang zwischen der Kontaktfläche und der Geschwindigkeit des Prozesses.
Um die Kontaktfläche der Reagenzien zu vergrößern, werden diese auf eine bestimmte Größe zerkleinert. Die schnellste Wechselwirkung findet in Lösungen statt, weshalb viele Reaktionen in wässrigem Medium durchgeführt werden.
Beim Mahlen von Feststoffen ist Maß zu beachten. Wenn beispielsweise Pyrit (Eisensulfit) in Staub umgewandelt wird, werden seine Partikel in einem Ofen gesintert, was sich negativ auf die Geschwindigkeit des Oxidationsprozesses dieser Verbindung auswirkt und die Ausbeute an Schwefeldioxid abnimmt.
Reagenzien
Lassen Sie uns versuchen zu verstehen, wie man die Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit davon bestimmt, welche Reagenzien interagieren. Beispielsweise können aktive Metalle, die sich in der elektrochemischen Beketov-Reihe vor Wasserstoff befinden, mit Säurelösungen interagieren, und diejenigen, die sich nach H2 befinden, haben eine solche Fähigkeit nicht. Der Grund für dieses Phänomen liegt in der unterschiedlichen chemischen Aktivität von Metallen.
Druck
Wie hängt die Reaktionsgeschwindigkeit mit diesem Wert zusammen? Die Chemie ist eine Wissenschaft, die eng mit der Physik verwandt ist, daher ist die Abhängigkeit direkt proportional, sie wird durch Gasgesetze geregelt. Zwischen den Mengen besteht ein direkter Zusammenhang. Und um zu verstehen, welches Gesetz die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion bestimmt, muss man den Aggregatzustand und die Konzentration der Reagenzien kennen.
Geschwindigkeitsarten in der Chemie
Es ist üblich, Momentan- und Durchschnittswerte herauszuheben. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der chemischen Wechselwirkung ist definiert als die Differenz der Konzentrationen der Reaktanten über einen bestimmten Zeitraum.
Der erh altene Wert ist negativ, wenn die Konzentration abnimmt, positiv, wenn die Konzentration der Wechselwirkungsprodukte zunimmt.
Der wahre (momentane) Wert ist ein solches Verhältnis in einer bestimmten Zeiteinheit.
Im SI-System wird die Geschwindigkeit eines chemischen Prozesses ausgedrückt in [mol×m-3×s-1].
Probleme in der Chemie
Schauen wir uns einige Beispiele für Probleme im Zusammenhang mit der Geschwindigkeitsbestimmung an.
Beispiel 1. InChlor und Wasserstoff werden in einem Gefäß gemischt, dann wird die Mischung erhitzt. Nach 5 Sekunden erreichte die Chlorwasserstoffkonzentration einen Wert von 0,05 mol/dm3. Berechnen Sie die mittlere Bildungsgeschwindigkeit von Chlorwasserstoff (mol/dm3 s).
Es ist notwendig, die Änderung der Chlorwasserstoffkonzentration 5 Sekunden nach der Wechselwirkung zu bestimmen, indem der Anfangswert von der Endkonzentration abgezogen wird:
C(HCl)=c2 - c1=0,05 - 0=0,05 mol/dm3.
Berechnen Sie die mittlere Bildungsgeschwindigkeit von Chlorwasserstoff:
V=0,05/5=0,010 mol/dm3 ×s.
Beispiel 2. In einem Behälter mit einem Volumen von 3 dm3 läuft folgender Vorgang ab:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
Die anfängliche Wasserstoffmasse beträgt 1 g. Zwei Sekunden nach Beginn der Wechselwirkung hat die Wasserstoffmasse einen Wert von 0,4 g angenommen. Berechnen Sie die durchschnittliche Geschwindigkeit der Ethanproduktion (mol/dm 3×s).
Die Masse des umgesetzten Wasserstoffs ist definiert als die Differenz zwischen dem Anfangswert und der Endzahl. Es ist 1 - 0,4=0,6 (g). Um die Anzahl der Wasserstoffmole zu bestimmen, muss sie durch die Molmasse eines bestimmten Gases geteilt werden: n \u003d 0,6/2 \u003d 0,3 mol. Nach der Gleichung entsteht 1 Mol Ethan aus 2 Mol Wasserstoff, also aus 0,3 Mol H2 erhält man 0,15 Mol Ethan.
Bestimme die Konzentration des entstehenden Kohlenwasserstoffs, wir erh alten 0,05 mol/dm3. Dann können Sie die durchschnittliche Geschwindigkeit seiner Bildung berechnen:=0,025 mol/dm3 ×s.
Schlussfolgerung
Verschiedene Faktoren beeinflussen die Geschwindigkeit der chemischen Wechselwirkung: die Art der reagierenden Substanzen (Aktivierungsenergie), ihre Konzentration, das Vorhandensein eines Katalysators, der Mahlgrad, der Druck, die Art der Strahlung.
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts schlug Professor N. N. Beketov vor, dass es einen Zusammenhang zwischen der Masse der anfänglichen Reagenzien und der Dauer des Prozesses gibt. Diese Hypothese wurde im Massenwirkungsgesetz bestätigt, das 1867 von den norwegischen Chemikern P. Wage und K. Guldberg aufgestellt wurde.
Die Physikalische Chemie untersucht den Mechanismus und die Geschwindigkeit verschiedener Prozesse. Die einfachsten einstufig ablaufenden Prozesse nennt man monomolekulare Prozesse. Komplexe Interaktionen umfassen mehrere elementare sequenzielle Interaktionen, daher wird jede Stufe separat betrachtet.
Um die maximale Ausbeute an Reaktionsprodukten bei minimalen Energiekosten zu erh alten, ist es wichtig, die Hauptfaktoren zu berücksichtigen, die den Ablauf des Prozesses beeinflussen.
Um beispielsweise den Prozess der Zersetzung von Wasser in einfache Substanzen zu beschleunigen, wird ein Katalysator benötigt, dessen Rolle Manganoxid (4) übernimmt.
Alle Nuancen, die mit der Auswahl der Reagenzien, der Auswahl des optimalen Drucks und der optimalen Temperatur sowie der Konzentration der Reagenzien verbunden sind, werden in der chemischen Kinetik berücksichtigt.
