რეაქციის სიჩქარე არის მნიშვნელობა, რომელიც გვიჩვენებს რეაქტიული ნივთიერებების კონცენტრაციის ცვლილებას გარკვეული პერიოდის განმავლობაში. მისი ზომის შესაფასებლად აუცილებელია პროცესის საწყისი პირობების შეცვლა.
ჰომოგენური ურთიერთქმედება
რეაქციის სიჩქარე ზოგიერთ ნაერთს შორის, რომლებიც ერთი და იგივე აგრეგატის ფორმაშია, დამოკიდებულია მიღებული ნივთიერებების მოცულობაზე. მათემატიკური თვალსაზრისით, შესაძლებელია გამოვხატოთ კავშირი ერთგვაროვანი პროცესის სიჩქარესა და კონცენტრაციის ცვლილებას შორის დროის ერთეულზე.
ასეთი ურთიერთქმედების მაგალითია აზოტის ოქსიდის (2) დაჟანგვა აზოტის ოქსიდამდე (4).
ჰეტეროგენული პროცესები
დაწყებული ნივთიერებების რეაქციის სიჩქარე აგრეგაციის სხვადასხვა მდგომარეობებში ხასიათდება საწყისი რეაგენტების მოლების რაოდენობით ერთეულ ფართობზე დროის ერთეულზე.
ჰეტეროგენული ურთიერთქმედებები დამახასიათებელია სისტემებისთვის, რომლებსაც აქვთ სხვადასხვა აგრეგატული მდგომარეობა.
შეჯამებისას აღვნიშნავთ, რომ რეაქციის სიჩქარე აჩვენებს საწყისი რეაგენტების (რეაქციის პროდუქტების) მოლების რაოდენობის ცვლილებასდროის მონაკვეთი, ერთეულის ინტერფეისი ან ერთეულის მოცულობაზე.
კონცენტრაცია
მოდით განვიხილოთ რეაქციის სიჩქარეზე მოქმედი ძირითადი ფაქტორები. დავიწყოთ კონცენტრაციით. ასეთი დამოკიდებულება გამოხატულია მასობრივი მოქმედების კანონით. არსებობს პირდაპირპროპორციული კავშირი ურთიერთქმედებაში არსებული ნივთიერებების კონცენტრაციების პროდუქტს, მათი სტერეოქიმიური კოეფიციენტების მიხედვით, და რეაქციის სიჩქარეს შორის.
განვიხილოთ განტოლება aA + bB=cC + dD, სადაც A, B, C, D არის სითხეები ან აირები. ზემოაღნიშნული პროცესისთვის კინეტიკური განტოლება შეიძლება დაიწეროს პროპორციულობის კოეფიციენტის გათვალისწინებით, რომელსაც აქვს თავისი მნიშვნელობა თითოეული ურთიერთქმედებისთვის.
სიჩქარის გაზრდის მთავარ მიზეზად შეიძლება აღინიშნოს რეაქციაში მყოფი ნაწილაკების შეჯახების რაოდენობის ზრდა ერთეულ მოცულობაზე.
ტემპერატურა
განვიხილოთ ტემპერატურის გავლენა რეაქციის სიჩქარეზე. პროცესები, რომლებიც ხდება ერთგვაროვან სისტემებში, შესაძლებელია მხოლოდ ნაწილაკების შეჯახებისას. მაგრამ ყველა შეჯახება არ იწვევს რეაქციის პროდუქტების წარმოქმნას. მხოლოდ იმ შემთხვევაში, როდესაც ნაწილაკებს აქვთ გაზრდილი ენერგია. როდესაც რეაგენტები თბება, შეინიშნება ნაწილაკების კინეტიკური ენერგიის ზრდა, აქტიური მოლეკულების რაოდენობა, შესაბამისად, შეინიშნება რეაქციის სიჩქარის ზრდა. ტემპერატურულ ინდექსსა და პროცესის სიჩქარეს შორის კავშირი განისაზღვრება ვან ჰოფის წესით: ტემპერატურის ყოველი მატება 10°C-ით იწვევს პროცესის სიჩქარის 2-4-ჯერ ზრდას.
კატალიზატორი
რეაქციის სიჩქარეზე მოქმედი ფაქტორების გათვალისწინებით, მოდით ყურადღება გავამახვილოთ ნივთიერებებზე, რომლებსაც შეუძლიათ პროცესის სიჩქარის გაზრდა, ანუ კატალიზატორებზე. კატალიზატორისა და რეაქტანტების აგრეგაციის მდგომარეობიდან გამომდინარე, განასხვავებენ კატალიზის რამდენიმე ტიპს:
- ჰომოგენური ფორმა, რომელშიც რეაქტორებსა და კატალიზატორებს აქვთ აგრეგაციის ერთნაირი მდგომარეობა;
- ჰეტეროგენულია, როდესაც რეაქტორები და კატალიზატორი ერთსა და იმავე ფაზაშია.
ნიკელი, პლატინა, როდიუმი, პალადიუმი შეიძლება გამოიყოს ნივთიერებების მაგალითებად, რომლებიც აჩქარებენ ურთიერთქმედებას.
ინჰიბიტორები არის ნივთიერებები, რომლებიც ანელებენ რეაქციას.
საკონტაქტო ზონა
კიდევ რა განსაზღვრავს რეაქციის სიჩქარეს? ქიმია დაყოფილია რამდენიმე განყოფილებად, რომელთაგან თითოეული ეხება გარკვეული პროცესებისა და ფენომენების განხილვას. ფიზიკური ქიმიის კურსი იკვლევს ურთიერთობას კონტაქტის არესა და პროცესის სიჩქარეს შორის.
რეაგენტების საკონტაქტო არეალის გაზრდის მიზნით, მათ აჭედებენ გარკვეულ ზომამდე. ყველაზე სწრაფი ურთიერთქმედება ხდება ხსნარებში, რის გამოც მრავალი რეაქცია მიმდინარეობს წყალხსნარში.
მყარი ნივთიერების დაფქვისას უნდა დაიცვან ზომა. მაგალითად, როდესაც პირიტი (რკინის სულფიტი) მტვრად გარდაიქმნება, მისი ნაწილაკები ადუღდება ღუმელში, რაც უარყოფითად მოქმედებს ამ ნაერთის ჟანგვის პროცესის სიჩქარეზე და მცირდება გოგირდის დიოქსიდის გამოსავლიანობა.
რეაგენტები
მოდით ვცადოთ გავიგოთ, როგორ განვსაზღვროთ რეაქციის სიჩქარე იმის მიხედვით, თუ რომელი რეაგენტები ურთიერთობენ? მაგალითად, წყალბადამდე ბეკეტოვის ელექტროქიმიურ სერიაში მდებარე აქტიურ ლითონებს შეუძლიათ ურთიერთქმედება მჟავა ხსნარებთან, ხოლო მათ, რომლებიც H2-ის შემდეგ არიან, არ გააჩნიათ ასეთი უნარი. ამ ფენომენის მიზეზი ლითონების განსხვავებულ ქიმიურ აქტივობაშია.
წნევა
როგორ არის დაკავშირებული რეაქციის სიჩქარე ამ მნიშვნელობასთან? ქიმია არის მეცნიერება, რომელიც მჭიდროდ არის დაკავშირებული ფიზიკასთან, ამიტომ დამოკიდებულება პირდაპირპროპორციულია, ის რეგულირდება გაზის კანონებით. რაოდენობებს შორის პირდაპირი კავშირია. და იმისათვის, რომ გავიგოთ რომელი კანონი განსაზღვრავს ქიმიური რეაქციის სიჩქარეს, საჭიროა ვიცოდეთ აგრეგაციის მდგომარეობა და რეაგენტების კონცენტრაცია.
სიჩქარების ტიპები ქიმიაში
ჩვეულებრივია მყისიერი და საშუალო მნიშვნელობების გამოყოფა. ქიმიური ურთიერთქმედების საშუალო სიჩქარე განისაზღვრება, როგორც სხვაობა რეაგენტების კონცენტრაციებში დროის მონაკვეთში.
მიღებული მნიშვნელობა უარყოფითია, როდესაც კონცენტრაცია მცირდება, დადებითია, როდესაც ურთიერთქმედების პროდუქტების კონცენტრაცია იზრდება.
ჭეშმარიტი (მყისიერი) მნიშვნელობა არის ასეთი თანაფარდობა დროის გარკვეულ ერთეულში.
SI სისტემაში ქიმიური პროცესის სიჩქარე გამოიხატება [mol×m-3×s-1].
პრობლემები ქიმიაში
მოდით გადავხედოთ სიჩქარის განსაზღვრასთან დაკავშირებული პრობლემების მაგალითებს.
მაგალითი 1. Inქლორს და წყალბადს ურევენ ჭურჭელში, შემდეგ ნარევს აცხელებენ. 5 წამის შემდეგ წყალბადის ქლორიდის კონცენტრაციამ მიიღო მნიშვნელობა 0,05 მოლ/დმ3. გამოთვალეთ წყალბადის ქლორიდის წარმოქმნის საშუალო სიჩქარე (მოლ/დმ3 წმ).
აუცილებელია წყალბადის ქლორიდის კონცენტრაციის ცვლილების დადგენა ურთიერთქმედებიდან 5 წამის შემდეგ, საწყისი მნიშვნელობის გამოკლებით საბოლოო კონცენტრაციას:
C(HCl)=c2 - c1=0.05 - 0=0.05 მოლი/დმ3.
გამოთვალეთ წყალბადის ქლორიდის წარმოქმნის საშუალო სიჩქარე:
V=0,05/5=0,010 მოლი/დმ3 ×წ.
მაგალითი 2. ჭურჭელში, რომლის მოცულობაა 3 დმ3, ხდება შემდეგი პროცესი:
C2H2 + 2H2=C2 H6.
წყალბადის საწყისი მასა არის 1გ. ურთიერთქმედების დაწყებიდან ორი წამის შემდეგ წყალბადის მასამ შეიძინა მნიშვნელობა 0,4გ. გამოთვალეთ ეთანის გამომუშავების საშუალო სიჩქარე (მოლ/დმ 3×s).
წყალბადის მასა, რომელიც რეაგირებდა, განისაზღვრება, როგორც სხვაობა საწყის მნიშვნელობასა და საბოლოო რიცხვს შორის. ეს არის 1 - 0.4=0.6 (გ). წყალბადის მოლების რაოდენობის დასადგენად, აუცილებელია მისი გაყოფა მოცემული გაზის მოლარულ მასაზე: n \u003d 0.6/2 \u003d 0.3 მოლი. განტოლების მიხედვით 2 მოლი წყალბადისგან წარმოიქმნება 1 მოლი ეთანი, შესაბამისად 0,3 მოლი H2 მივიღებთ 0,15 მოლ ეთანს..
განისაზღვრეთ მიღებული ნახშირწყალბადის კონცენტრაცია, მივიღებთ 0,05 მოლ/დმ3. შემდეგ შეგიძლიათ გამოთვალოთ მისი წარმოქმნის საშუალო სიჩქარე:=0,025 მოლი/დმ3 ×s.
დასკვნა
ქიმიური ურთიერთქმედების სიჩქარეზე გავლენას ახდენს სხვადასხვა ფაქტორები: რეაქციაში მყოფი ნივთიერებების ბუნება (აქტივაციის ენერგია), მათი კონცენტრაცია, კატალიზატორის არსებობა, დაფქვის ხარისხი, წნევა, გამოსხივების ტიპი.
მეცხრამეტე საუკუნის მეორე ნახევარში პროფესორმა ნ.ნ.ბეკეტოვმა გამოთქვა ვარაუდი, რომ არსებობს კავშირი საწყისი რეაგენტების მასებსა და პროცესის ხანგრძლივობას შორის. ეს ჰიპოთეზა დადასტურდა მასობრივი მოქმედების კანონში, რომელიც 1867 წელს დაადგინეს ნორვეგიელმა ქიმიკოსებმა: P. Wage და K. Guldberg.
ფიზიკური ქიმია სწავლობს სხვადასხვა პროცესის მექანიზმს და სიჩქარეს. ერთ ეტაპზე მიმდინარე უმარტივეს პროცესებს მონომოლეკულური პროცესები ეწოდება. რთული ურთიერთქმედებები მოიცავს რამდენიმე ელემენტარულ თანმიმდევრულ ურთიერთქმედებას, ამიტომ თითოეული ეტაპი განიხილება ცალკე.
რეაქციის პროდუქტების მაქსიმალური გამოსავლის მისაღებად მინიმალური ენერგეტიკული ხარჯებით, მნიშვნელოვანია გავითვალისწინოთ ძირითადი ფაქტორები, რომლებიც გავლენას ახდენენ პროცესის მიმდინარეობაზე.
მაგალითად წყლის მარტივ ნივთიერებებად დაშლის პროცესის დასაჩქარებლად საჭიროა კატალიზატორი, რომლის როლს ასრულებს მანგანუმის ოქსიდი (4).
ქიმიურ კინეტიკაში გათვალისწინებულია ყველა ნიუანსი, რომელიც დაკავშირებულია რეაგენტების არჩევასთან, ოპტიმალური წნევისა და ტემპერატურის არჩევასთან, რეაგენტების კონცენტრაციასთან.
