Швидкість хімічної реакції

Речовини, як і люди, можуть пересуватися пішки, а можуть їздити таксі. Про те, як це відбувається, розповімо у цій статті.

На цій сторінці ви дізнаєтесь

• Каталізатор – ваш найкращий друг?
• Що спільного у реагентів та продавців-консультантів із магазину одягу?
• Чи можна пантеру перетворити на черепаху?

Хімічні реакції на прискоренні

Швидкість хімічної реакції – Швидкість її протікання. Тобто вона показує, наскільки швидко витрачаються реагенти та утворюються продукти.

Важливо зрозуміти, від цього може залежати швидкість хімічної реакції. Є шість основних факторів:

• наявність каталізатора,
• температура,
• концентрація реагентів,
• тиск,
• площа зіткнення реагентів,
• природа реагентів.

Від чого залежить швидкість реакції

Все зрозуміло, крім одного: що таке каталізатор?

Каталізатор – речовина, яка прискорює реакцію, але не витрачається у процесі.

У каталізатора є своя реакція, що він викликає. Каталітична реакція – це реакція, яка протікає швидше за звичайну за рахунок використання каталізатора.

Якщо перекласти це людською мовою, то люди пішки (без каталізатора) йдуть повільніше, ніж їдуть таксі (з каталізатором).

У каталізатора є двійник із абсолютно зворотними характеристиками – інгібітор. Якщо каталізатор збільшує швидкість реакції, отже, інгібітор її зменшуватиме.

Яким чином працює каталізатор? Тут у гру вступає Енергія активації.

Енергія активації – енергія, яка потрібна для досягнення системою перехідного стану активного комплексу, після якого утворення продукту йде мимоволі.

Каталізатор зменшує енергію активації, а що менше енергія — то швидше протікає реакція.

Важливо пам'ятати — якщо некаталітична реакція, то додавання каталізатора не впливатиме на швидкість реакції. Чому так? Як ми вже говорили, каталізатор впливає на енергію активації, тобто він прискорює настання перехідного стану. Але для некаталітичних реакцій мимовільне утворення продукту характерне і без проміжного етапутому впливати просто ні на що.

Можна порівняти це з поїздкою на таксі — чим раніше ми замовимо машину і сядемо до неї, тим швидше приїдемо у потрібне місце.

У каталізатора є двійник із абсолютно зворотними характеристиками – інгібітор. Якщо каталізатор збільшує швидкість реакції, отже, інгібітор її зменшуватиме.

Важливо розуміти, що молекули/частки при нагріванні починають швидше рухатися та частіше стикатися.

Припустимо, що ми лежимо на пляжі. Якщо погода хмарна, то нам тепло, а якщо погода ясна, нам стає спекотніше (збільшується температура тіла), і тим швидше ми спалахуємо або обгоряємо (швидкість реакції збільшується).

Уточнення: тільки для рідин та газів

Важливо! Поняття концентрації поширюється лише на гази та рідини, тобто додавання твердої речовини зазвичай не впливає на швидкість реакції.

Чому додавання твердої речовини найчастіше не впливає на швидкість реакції?

Тому що при додаванні твердої речовини збільшення концентрації реагенту не станеться. А без реагентів реакція не захоче розігнатися та швидкість залишиться незмінною.

Уточнення: тільки для газів

Важливо! Так як гази – це єдині за агрегатним станом речовини, які здатні розподілятися по всьому об'єму реакційної судини, зміна тиску впливатиме тільки на них.

Значить, якщо в реагентах є хоча б один газ – зміна тиску впливатиме на швидкість реакції.

Як пов'язані між собою тиск та обсяг?

Це дві протилежні величини:

• збільшення тиску = зменшення обсягу;
• зменшення тиску = збільшення обсягу.

Як це запам'ятати? Для цього ми приготували просту картинку.

1. Від площі дотику реагентів = ступеня подрібнення

Уточнення: тільки якщо в реагентах є хоча б одна тверда речовина

Давайте наочно подивимося на реакцію між цинком та соляною кислотою. У першій склянці протікатиме повільніше, ніж у другій.

Перемішування речовин також збільшить швидкість реакції за рахунок збільшення швидкості дотику речовин.

Щоб це зрозуміти, достатньо уявити чай. Якщо туди додати ложку цукру і не перемішувати його, рівномірний розподіл цукру по склянці буде відбуватися дуже повільно.

При реакції води з металами швидкість реакції зменшується із зменшенням активності металу. Тобто найактивніше з водою будуть реагувати саме лужні метали.

У людей все також. Швидкість пошуку друзів чи роботи залежить від активності людини.

Ще треба пам'ятати, що найшвидше протікають реакції між газами та між розчинами.

А чи можна пантеру перетворити на черепаху за допомогою хімії? Можна, і це навіть не магія. Для цього потрібно лише сповільнити швидкість реакції.

Фактчек

• Швидкість хімічної реакції – Швидкість її протікання.Тобто вона показує, наскільки швидко витрачаються реагенти та утворюються продукти.
• Швидкість всіх реакцій залежить від температури та від природи реагентів.
• Швидкість деяких реакцій залежить від кількох чинників:

• гази залежать від тиску та обсягу реакційної судини;
• каталізатор застосовуємо тільки для каталітичних реакцій;
• концентрація речовини впливає найчастіше лише на рідини та гази;
• площа дотику реагентів – лише ті реакції, де є хоч би один твердий реагент.

Перевір себе

Завдання 1.
Що відбудеться зі швидкістю реакції зі збільшенням концентрації водню в наступній реакції: H₂ + Cl₂ = 2HCl

Завдання 2.
Який фактор не впливає на швидкість реакції: 6Li +N₂ = 2Li3N

1. Тиск
2. Додавання каталізатора
3. Температура
4. Площа поверхні зіткнення речовин

Завдання 3.
Який фактор впливає на швидкість реакції: NaOH + HCl = NaCl + H₂O

1. Тиск
2. Розведення суміші водою
3. Додавання каталізатора
4. Площа поверхні зіткнення речовин

Відповіді: 1. — 1; 2. — 2; 3. — 2.

Кінетика хімічних реакцій вивчає швидкість протікання хімічних процесів та фактори, що впливають на цю швидкість. Розуміння кінетичних закономірностей допомагає оптимізувати хімічні процеси у різних галузях, від промисловості до медицини та навколишнього середовища.

Швидкість хімічної реакції визначається кількістю речовини, яка перетворюється на умовні одиниці за одиницю часу. Вона може бути виміряна експериментально та залежить від концентрацій реагентів, температури, тиску та інших факторів. Кінетичні дані допомагають передбачати хід реакції та створювати моделі для дослідження нових речовин та матеріалів.

Чинники, що впливають швидкість реакції, включають концентрацію реагентів, температуру, поверхню взаємодіючих частинок, наявність каталізаторів і ступінь змішування сумішей реагентів. Зміна цих факторів може значно прискорити або уповільнити реакцію, що має практичне значення у виробництві різних продуктів та матеріалів.

Вивчення кінетики хімічних реакцій має важливе значення для розробки ефективних та екологічно безпечних процесів. Розширення знань у галузі кінетики допомагає скоротити час та витрати на виробництво хімічних продуктів та лікарських засобів, а також зробити внесок у розвиток нових технологій та матеріалів.

Визначення кінетики хімічних реакцій

Кінетика хімічних реакцій – це область хімії, що вивчає швидкість реакцій та фактори, що впливають на цю швидкість. Кінетичні дослідження дозволяють зрозуміти, як змінюється концентрація реагентів та продуктів у часі та які речовини беруть участь у реакції.

Навіщо вивчати кінетику хімічних реакцій?

Вивчення кінетики хімічних реакцій має кілька важливих практичних застосувань:

• Пророцтво та оптимізація швидкості процесів: знання кінетики дозволяє оптимізувати швидкість хімічних реакцій, що особливо важливо в промисловості.
• Розуміння механізмів реакцій: кінетичні дослідження допомагають розібратися в деталях, як відбувається хімічна реакція, які кроки та проміжні речовини у ній беруть участь.
• Розробка нових ліків та каталізаторів: вивчення кінетики хімічних реакцій допомагає розробляти нові медикаменти та каталізатори для процесів у промисловості.

Чинники, що впливають швидкість реакції

Існує багато факторів, які можуть впливати на швидкість хімічної реакції. Деякі з них включають:

• Концентрація реагентів: що вище концентрація реагентів, то швидше протікає реакція.
• Температура: Збільшення температури зазвичай призводить до збільшення швидкості реакції.
• Поверхня контакту: що більше поверхню реагентів доступна взаємодії, то швидше відбувається реакція.
• Каталізатори: додавання каталізатора може прискорити реакцію, дозволяючи їй протікати при нижчій температурі або підвищеній швидкості.

Методи вивчення кінетики хімічних реакцій

Існує кілька методів, що використовуються для вивчення кінетики хімічних реакцій:

1. Метод зміни концентрації: шляхом моніторингу зміни концентрації реагентів та продуктів у часі можна визначити швидкість реакції.
2. Метод зміни температури: вимірювання швидкості реакції за різних температур дозволяє визначити активаційну енергію і побудувати рівняння швидкості реакції.
3. Метод вивчення реакційного механізму: вимірювання швидкості реакції при різних концентраціях реагентів дозволяє визначити стадії реакції та проміжні речовини, що беруть участь у реакції.

Висновки

Кінетика хімічних реакцій є важливою галуззю хімії, що дозволяє зрозуміти та оптимізувати швидкість хімічних процесів. Вивчення кінетики реакцій дозволяє передбачати та контролювати хімічні реакції, а також розробляти нові ліки та каталізатори для промисловості.

Швидкість реакцій

Швидкість хімічної реакції є зміною концентрації реагуючих речовин в одиницю часу. Вона визначається кількістю продукту, що утворюється чи зникає певний час. Швидкість реакції може бути різною та залежить від низки факторів.

Чинники, що впливають швидкість реакції

• Концентрація реагуючих речовин: що вище концентрація реагентів, то швидше відбувається реакція. Велика концентрація забезпечує більшу ймовірність зіткнень молекул і, відповідно, більшу кількість реакцій.
• Температура: Збільшення температури призводить до збільшення швидкості реакції. У разі підвищення температури відбувається збільшення середньої кінетичної енергії частинок, що сприяє частіше зіткненням між молекулами.
• Каталізатори: каталізатори прискорюють хімічні реакції, беручи участь у них, але не використовуються та не змінюються в ході реакції. Вони знижують енергію активації реакції, що дозволяє їй протікати з більшою швидкістю.
• Поверхня контакту: при підвищенні поверхні контакту речовин, що реагують (наприклад, у вигляді порошку або каталізатора) збільшується кількість ефективних зіткнень і, отже, збільшується швидкість реакції.

Швидкість реакції та механізми реакцій

Швидкість реакції може бути описана за допомогою реакційного механізму, що складається з послідовності етапів, які називають елементарними реакціями. Елементарні реакції пояснюють, як саме молекули речовин взаємодіють одна з одною, утворюючи нові сполуки.

Зазвичай, реакційний механізм складається з кількох іонних та радикальних етапів, що включають утворення проміжних та кінцевих продуктів реакції. Швидкість кожної елементарної реакції залежить від її стеричних та електронних факторів, і загальна швидкість реакції є добутком швидкостей всіх елементарних кроків.

Визначення швидкості реакції

Швидкість реакції може бути визначена у різний спосіб. Наприклад, можна використовувати спектрофотометрію для вимірювання зміни концентрації реагуючих речовин протягом реакції.Можна також використовувати титрування для визначення кількості продукту або витрати реагенту з часом.

Приклади методів визначення швидкості реакції

Метод	Опис
Спектрофотометрія	Вимірювання поглинання або пропускання світла для визначення концентрації речовин, що реагують.
Титрування	Вимірювання об'єму розчину, необхідного для повного реагування з відомим об'ємом реагенту. Дозволяє визначити концентрацію реагенту або продукту.
Масова спектрометрія	Вимірювання маси іонів для визначення концентрації речовин, що реагують.

Вимірювання швидкості реакції дозволяє встановити закономірності та взаємозв'язки між різними факторами, що впливають на швидкість хімічних реакцій, та дозволяє оптимізувати умови реакції у різних процесах промислового та наукового виробництва.

Як визначається швидкість реакції

Швидкість хімічної реакції – це величина, що характеризує зміну концентрацій реагентів та продуктів реакції з часом. Вона показує, як швидко чи повільно відбувається реакція і може залежати від різних факторів.

Чинники, що впливають швидкість реакції

Швидкість хімічної реакції залежить від ряду факторів:

• Концентрація реагентів: що вище концентрація реагентів, то швидше протікає реакція. Велика концентрація реагентів означає, що більше молекул реагентів зіштовхуватиметься між собою, що сприяє збільшенню частоти зіткнень.
• Температура: підвищення температури підвищує швидкість реакції. При підвищенні температури молекули реагентів рухаються швидше, стикаються частіше і мають більшу енергію, що сприяє більш ефективним зіткненням.
• Площа поверхні: Збільшення площі поверхні реагентів збільшує швидкість реакції.Чим більша поверхня реагентів доступна для зіткнень, тим більше молекул може реагувати одна з одною.
• Каталізатори: каталізатори підвищують швидкість реакції без зміни концентрації. Вони знижують енергію активації реакції, прискорюючи зіткнення молекул реагентів.

Методи визначення швидкості реакції

Швидкість реакції можна визначити за допомогою наступних методів:

1. Метод вимірювання концентрації реагентів та продуктів на різних етапах реакції. Шляхом проведення серії експериментів та вимірювань концентрацій можна визначити, як змінюється концентрація у часі та тим самим визначити швидкість реакції.
2. Метод виміру часу, протягом якого реакція завершується. Цей метод має на увазі спостереження за системою, поки реакція повністю не протікала, і вимір часу, витраченого на завершення реакції.
3. Метод вимірювання зміни обсягу чи маси системи. Цей метод застосовується у разі, коли реакція супроводжується зміною обсягу чи маси системи. Вимірювання цих параметрів з часом дозволяє визначити швидкість реакції.

Таким чином, швидкість реакції залежить від різних факторів та може бути визначена за допомогою різних методів вимірювання. Вивчення швидкості реакції дозволяє зрозуміти кінетику реакцій та застосовувати цю інформацію у різних галузях, від промисловості до медицини.

Чинники, що впливають швидкість реакції

Швидкість хімічної реакції залежить від кількох факторів, які можуть бути змінені для керування цією швидкістю. Деякі з головних факторів, що впливають на швидкість реакції, включають:

1. Концентрація реагентів

• Чим вище концентрація реагентів, тим більше колізій між молекулами і, отже, вища ймовірність їхньої взаємодії та успішного утворення продуктів реакції.
• Збільшення концентрації реагентів призводить до збільшення кількості зіткнень і, отже, збільшення швидкості реакції.

2. Температура

• При підвищенні температури молекули реагентів одержують більше енергії, що збільшує ймовірність успішної реакції. В результаті швидкість реакції збільшується.
• Збільшення температури також може прискорювати реакцію шляхом зміни структури та властивостей реагентів.

3. Поверхня контакту

• Якщо поверхня контакту між реагентами збільшується, то збільшується площа міжфазного контакту, що сприяє більш швидкому перебігу реакції.
• Наприклад, поділ твердого реагенту на дрібні частинки може підвищити швидкість реакції, оскільки збільшує доступність молекул речовини до реагування.

4. Використання каталізаторів

• Каталізатори – це речовини, які підвищують швидкість реакції, не беручи участь у її остаточному перетворенні. Вони знижують енергію активації реакції та прискорюють перебіг процесу.
• Каталізатори можуть бути використані повторно та не витрачаються в ході реакції.

5. Тиск та обсяг

• Зміна тиску та обсягу газоподібних реагентів може впливати на швидкість реакції.
• Збільшення тиску чи зменшення обсягу газів збільшує концентрацію молекул і, отже, ймовірність зіткнень, що може прискорити реакцію.

Всі ці фактори можуть використовуватися для зміни швидкості хімічної реакції в залежності від необхідних умов та цілей.

Температура

Температура одна із чинників, які впливають швидкість хімічних реакцій. Вона визначає енергетичну активність частинок, що реагують, а також ймовірність їх зіткнення.

При підвищенні температури, кінетична енергія та швидкість руху молекул збільшуються.Це призводить до збільшення частоти зіткнень між молекулами, а отже, збільшується швидкість хімічної реакції. Зворотне твердження також справедливе: зниження температури призводить до уповільнення реакції.

Взаємодія молекул при хімічних реакціях вимагає подолання активаційного бар'єру – енергії, яка потрібна на настання реакції. Підвищення температури дозволяє молекулам подолати цей бар'єр, оскільки вони мають більшу енергію. Таким чином, зростання температури сприяє збільшенню ймовірності зіткнень із достатньою енергією для реакції.

Як аналогію можна навести рух автомобілів: при підвищенні температури дороги, автомобілі рухаються швидше, а при зниженні температури швидкість руху зменшується.

Слід зазначити, що підвищення температури також може змінювати хімічні рівноваги. У реакції, що протікає в обох напрямках (причому один напрямок оборотний), підвищення температури може призвести до зсуву рівноваги в одну із сторін залежно від зміни ентальпії реакції.

Таблиця нижче показує загальний вплив температури на швидкість реакції:

Температура	Вплив на швидкість реакції
Підвищення	Збільшення швидкості реакції
Зниження	Зменшення швидкості реакції

Чинники, що впливають швидкість реакції (продовження)

Температура

Одним із основних факторів, що впливають на швидкість хімічної реакції, є температура. При підвищенні температури молекули речовини одержують велику енергію, що призводить до збільшення швидкості та частоти зіткнень між реагентами. В результаті більш активні зіткнення молекул сприяють збільшенню числа успішних (нееластичних) зіткнень і виникненню реакції.

Концентрація реагентів

Концентрація реагентів також впливає швидкість реакції. При збільшенні концентрації реагентів кількість зіткнень між ними збільшується, що призводить до збільшення ймовірності успішних зіткнень і виникнення реакції.

Каталізатори

Каталізатори – речовини, які підвищують швидкість хімічної реакції, не беручи участь у ній. Вони прискорюють реакцію, забезпечуючи альтернативний механізм шляху перетворення реагентів на продукти. Каталізатори знижують енергію активації реакції, що дозволяє досягати більшої швидкості реакції при нижчій температурі.

1. Одним із прикладів каталізаторів є ферменти в організмах живих істот. Вони прискорюють хімічні реакції, що відбуваються в організмі, наприклад травлення.
2. У промисловості широко застосовуються каталізатори для прискорення хімічних процесів, наприклад, при виробництві пластмас і косметичних засобів.

Використання каталізаторів дозволяє заощадити час та енергію, а також знизити витрати на виробництво.

Концентрація реагентів

Концентрація реагентів – це кількісне вираження відношення маси речовини до об'єму або маси розчинника. Вона відіграє у кінетиці хімічних реакцій, оскільки впливає швидкість протікання процесу.

Залежність швидкості реакції від концентрації реагентів

Збільшення концентрації реагентів веде до підвищення швидкості реакції. Це пов'язано з тим, що велика концентрація реагентів призводить до збільшення числа зіткнень між молекулами, що у свою чергу збільшує ймовірність успішного зіткнення та утворення продуктів реакції.

Залежно від типу реакції, концентрація реагентів може проводити швидкість реакції різними способами.Наприклад, у разі реакцій нульового порядку концентрація реагентів не впливає на швидкість реакції, оскільки вона не бере участі в реакційному рівнянні. Однак, у більшості випадків концентрація реагентів має прямий вплив на швидкість реакції.

Методи зміни концентрації реагентів

Існує кілька способів зміни концентрації реагентів у системі:

1. Додавання чи видалення реагентів.
2. Зміна об'єму чи маси розчинника.
3. Зміна температури, що може призвести до зміни розчинності та, отже, концентрації реагентів.

Значення концентрації реагентів у практичних додатках

Знання концентрації реагентів є важливим при проведенні хімічних реакцій у промисловості та лабораторних умовах. Точна подача реагентів зі збалансованою концентрацією дозволяє контролювати швидкість та результат реакції, що є основою для розробки нових технологій та процесів.

Питання-відповідь:

Що таке кінетика хімічних реакцій?

Кінетика хімічних реакцій – це наука, вивчає швидкість процесів перетворення речовини під час хімічних реакцій.

Як визначити швидкість хімічної реакції?

Швидкість хімічної реакції визначається зміною концентрацій реагентів або продуктів реакції з часом. Для цього можна використовувати різні методи аналізу, такі як спектрофотометрію або хроматографія.

Які фактори впливають на швидкість хімічної реакції?

На швидкість хімічної реакції впливають концентрація реагентів, температура, поверхня контакту реагентів, наявність каталізаторів та тиск (у разі газових реакцій).

Якою є роль концентрації реагентів на швидкість реакції?

Збільшення концентрації реагентів призводить до збільшення кількості зіткнень між молекулами, що прискорює хімічну реакцію. При низькій концентрації реагентів швидкість реакції буде низькою.