post

Скорост на химичните реакции

Скорост на химичните реакции се нарича величината, която описва как се променят моларните концентрации на веществата спрямо времето, при протичането на химично взаимодействие.

Понятия

Химията е наука, която изучава материята. Но аз предпочитам да я възприемам като изследване на изменението… то е свързване и разпадане, а после трансформация (Walter White, Breaking Bad series).

Химична реакция е всяко изменение или взаимодействие на веществата и превръщането им от едно в друго. Тези процеси протичат за различно време (t) ако условията са различни.

Веществата, които участват в реакциите, могат да се измерват в маса, обем или в количество вещество (молове). Концентрацията им измерена в количество вещество (n) спрямо обема (V) на системата се нарича моларна концентрация (c).

c = n/V  (mol/m3) (лабораторно размерността обикновено е мол за литър);

Скорост на химичните реакции

Изразът за скорост на химичните реакции отразява изменението на моларната концентрация на веществата за единица време:

vср = ±Δc/Δt (mol/m3.s);

Тъй като често отделните вещества в реакцията изменят концентрацията си различно по време на взаимодействието, изразът за скоростта се съставя поотделно спрямо всяко вещество. Когато той касае реагентите, чиято концентрация намалява в течение на времето, полученият резултат ще е с отрицателен знак. Но понеже скоростта е положителна величина, тогава следва пред израза да се добави знакът минус ().

Изчисляването на скоростта на самата химична реакция става, като изразът за средната скорост на едно от участващите вещества се раздели на броя молове (n), с които то участва във взаимодействието. За целта уравнението на процеса трябва предварително да е изравнено така, че веществата да са в стехиометрично еквивалентни количества. Тогава изразът за скорост на химичните реакции добива вида:

vср = ±(Δc/Δt)/n (mol/m3.s) – скорост на химична реакция;

Следващият пример може да илюстрира как става това:

2H2 + O2 → 2H2O (стехиометрично изравнено уравнение);

vср(H2) = ±(Δc(H2)/Δt)/2;         vср(H2О) = ±(Δc(H2О)/Δt)/2;        vср2) = ±(Δc(О2)/Δt);

Полученият резултат и от трите израза ще е един и същ.

Фактори влияещи на скоростта на химичните реакции

Както беше споменато в началото, различната скорост на химичните реакции, може да е резултат от различните условия, при които протичат те. Ако обърнем внимание на горния пример с водата, при стайна температура водородът и кислородът практически не реагират. Но ако се внесе пламък в сместа, следва експлозивна реакция. При температури по-ниски от 500°С взаимодействието може да отнеме няколко часа или дори няколко седмици в зависимост от температурата. Влияние върху скоростта оказват също концентрацията на веществата, налягането и дори внасянето на външни агенти като катализатори.

Концентрацията като скоростоопределящ фактор

В една еднородна (хомогенна) система, за да протече химична реакция е необходимо реагиращите частици да се срещнат, сблъскат и свържат. Не всеки сблъсък е ефективен. Сблъсък, при който се формира химична връзка между частиците се нарича елементарен акт.

Броят на елементарните актове в една химическа смес е в тясна зависимост от броя на сблъскванията, а те от своя страна са зависими от концентрацията на веществата в системата. На базата на този факт, шведските учени Катон Гулдберг и Питър Вааге извеждат своя закон за действие на масите (ЗДМ), който гласи следното:  Скоростта на химичните реакции е пропорционална на произведението от моларните концентрации на реагентите, повдигнати на степен, отговаряща на моловете, с които даденото вещество участва в реакцията.

за уравнението: nA + mB + … →

v = k.[A]n.[B]m

Означенията са както следва: k – коефициент на пропорционалност, наречен скоростна константа, А,В,С… – химичните вещества, n,m,l… – моловете, а със средни скоби [ ] се отбелязва моларната концентрация (с) на съответното вещество.

Ако концентрацията на някой от реагентите е прекалено висока и не се променя в течение на времето, тогава тя не се включва в израза за скоростта. Същото важи и за концентрацията на твърдо вещество в система от флуиди.

Скоростопределящ етап на реакцията

При някои процеси, скоростта на химичната реакция установена опитно, се разминава с тази, която би следвала да бъде изчислена по закона за действие на масите. Това е така, защото някои взаимодействия преминават през междинни етапи и скоростоопределящ е този, който е най-бавен.

При по-сложните  полимолекулни реакции, за да се осъществи елементарен акт е необходимо в реакционната смес да се срещнат 3 или повече частици с достатъчно енергия, да се сблъскат едновременно и да се формира новата молекула. Подобно събитие е много малко вероятно и в резултат би отнело големи периоди от време да се осъществят химичните процеси.

Далеч по-вероятна е срещата на две молекули с достатъчно енергия за осъществяване на елементарен акт. Поради тази причина съществуват междинни реакционни етапи, посредством които сложните полимолекулни реакции се свеждат до моно- или бимолекулни  взаимодествия. Всички те формират механизма на химичната реакция. И в крайна сметка, измежду всичките, скоростоопределящ етап е най-бавният от реакционния механизъм.

Подходящ пример за това е взаимодействието на бромоводород с молекулен кислород:

4HBr + O2 → 2H2O + 2Br2 (пълно стехиометрично уравнение на реакцията)

  1. Етап – бавен: HBr + O2 → HBrO2
  2. Етап – бърз: HBrO2 + HBr  → 2HBrО
  3. Етап – бърз: HBrO + HBr  → H2O + Br2

изразът за скоростта на реакцията, изведен според закона за действие на масите, ще е спрямо етап 1, а не спрямо пълното стехиометрично уравнение:

v = k.[HBr].[O2] може да се запише и във вида v = k.c(HBr).c(O2)

Температурата като скоростоопределящ фактор

Може да се приеме като правило, че с повишаването на температурата в повечето случаи, се увеличава и скоростта на химичните реакции. Всъщност съществува емпирична зависимост изведена от нидерландецът Якоб Вант Хоф, според която повишението на температурата с около 10% води до увеличаване на скоростта между 2 и 4 пъти.

Причината за това е, че при внасянето на топлина се повишава средната енергия на молекулите. Оттук се увеличава броят на елементарните актове и респективно образуването на продукти на реакциите. Но защо се случва точно така?

Стана вече ясно, че не всеки сблъсък е елементарен акт, защото частиците понякога нямат достатъчно енергия да образуват т.нар. активен комплекс. Той представлява структура, при която изходните химични връзки все още не са напълно разкъсани, а новите не са изцяло образувани.

Енергията необходима за образуване на активен комплекс се нарича активираща енергия (Еа) – активира реагиращите частици. Енергията на активния комплекс е по-голяма от тази на изходните вещества. Внасянето на топлина в химичната смес повишава енергията на частиците на реагентите. Така те по-лесно достигат до нивата на активиращата енергия. Това е причината да се увеличава ефективността на сблъсъците и съответно броят на елементарните актове.

скорост на химичните реакции - образуване на активен комплекс, активираща енергия

Диаграма на активиращата енергия и образуването на активен комплекс

Ако при превръщането на активния комплекс се отдели по-малко енергия от тази, която е била необходима за активирането на реагиращите частици, това означава, че реакцията е ендотермична и има отрицателен топлинен ефект. В случай, че отделената енергия е по-голяма от активиращата енергия, следва, че  реакцията е екзотермична и притежава положителен топлинен ефект.

Активиращата енергия зависи от природата на реагентите.

Налягането като скоростоопределящ фактор

Налягането повлиява скоростта на химичните реакции само ако във взаимодействието участват газове. Намаляването обема на системата довежда до увеличаване на общия брой удари между частиците. Оттук следва да се увеличат броят и на ефективните удари, които водят до взаимодействие.

Катализаторите като скоростоопределящ фактор

Ако се снижи енергийната бариера на активация, може да се наблюдава увеличение на средната скорост на химичните реакции. Някои вещества в природата имат способността да променят реакционния път на взаимодействия, в които те пряко не участват, като снижават енергийната бариера или я разбиват на части. Те се наричат катализатори, а процесът катализа. Ако катализаторите имат биологичен произход, носят още названието ензими.

Чрез тях средната скорост на химичните реакции може да се увеличи значително. Така например за процеси, които протичат за десетилетия, добавянето на катализатор е възможно да ги ускори достатъчно, за да се осъществят за няколко дни или дори часа.

Контактната повърхност като скоростоопределящ фактор

Когато твърдо вещество реагира с флуид или с друго твърдо вещество, много важна за скоростта е площта на контактната повърхност между реагентите. За да се увеличи тя, преди реакцията твърдите вещества се стриват. Колкото по-фино стрити са те и частиците им са по-малки, толкова по-голяма площ ще има контактната повърхност и следователно по-бързо ще протече взаимодействието.

 

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!