Velocidad reacciones quimicas.
La velocidad de reacción está determinada por un cambio en la concentración molar de uno de los reactivos:
V = ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) = ± (CC / Dt)
donde C 1 y C 2 - concentraciones molares sustancias en los tiempos t 1 y t 2, respectivamente (signo (+) - si la velocidad está determinada por el producto de reacción, signo (-) - por la sustancia de partida).
Las reacciones ocurren cuando las moléculas de sustancias que reaccionan chocan. Su velocidad está determinada por el número de colisiones y la probabilidad de que conduzcan a una transformación. El número de colisiones está determinado por las concentraciones de las sustancias que reaccionan y la probabilidad de una reacción está determinada por la energía de las moléculas que chocan.
Factores que influyen en la velocidad de las reacciones químicas.
1. La naturaleza de las sustancias reaccionantes. El personaje juega un papel importante. enlaces químicos y la estructura de las moléculas de reactivo. Las reacciones proceden en la dirección de la destrucción de enlaces menos fuertes y la formación de sustancias con enlaces más fuertes. Por tanto, para romper los enlaces en las moléculas de H2 y N2, es necesario altas energías; tales moléculas son ligeramente reactivas. Romper enlaces en moléculas altamente polares (HCl, H 2 O) requiere menos energía y la velocidad de reacción es mucho mayor. Las reacciones entre iones en soluciones de electrolitos ocurren casi instantáneamente.
El flúor reacciona explosivamente con el hidrógeno a temperatura ambiente, el bromo reacciona lentamente con el hidrógeno cuando se calienta.
El óxido de calcio reacciona vigorosamente con el agua, liberando calor; Óxido de cobre: no reacciona.
2. Concentración. A medida que aumenta la concentración (el número de partículas por unidad de volumen), las colisiones de moléculas de sustancias que reaccionan ocurren con mayor frecuencia: la velocidad de reacción aumenta.
Ley masas activas(K. Guldberg, P. Waage, 1867).
La velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos.
aA + bB + . . . ® . . .
V = k [A] a [B] b . . .
La constante de velocidad de reacción k depende de la naturaleza de los reactivos, la temperatura y el catalizador, pero no depende de las concentraciones de los reactivos.
Significado físico La constante de velocidad es igual a la velocidad de reacción en concentraciones unitarias de los reactivos.
Para reacciones heterogéneas la concentración de la fase sólida no está incluida en la expresión de la velocidad de reacción.
3. Temperatura. Por cada aumento de 10°C en la temperatura, la velocidad de reacción aumenta de 2 a 4 veces (regla de Van't Hoff). A medida que la temperatura aumenta de t 1 a t 2, el cambio en la velocidad de reacción se puede calcular mediante la fórmula:
| (t 2 - t 1) / 10 |
| Vt 2 / Vt 1 = g |
(donde Vt 2 y Vt 1 son las velocidades de reacción a temperaturas t 2 y t 1, respectivamente; g- coeficiente de temperatura esta reacción).
La regla de Van't Hoff sólo es aplicable en un rango de temperatura estrecho. Más precisa es la ecuación de Arrhenius:
k = A e -Ea/RT
A es una constante que depende de la naturaleza de los reactivos;
R es la constante universal de los gases;
Ea es la energía de activación, es decir energía que deben tener las moléculas en colisión para que la colisión resulte en transformación química.
Diagrama de energía de una reacción química.
A - reactivos, B - complejo activado ( estado de transición), C - productos.
Cuanto mayor es la energía de activación Ea, más aumenta la velocidad de reacción al aumentar la temperatura.
4. Superficie de contacto de sustancias reaccionantes. Para sistemas heterogéneos (cuando las sustancias se encuentran en diferentes estados de agregación), cuanto mayor es la superficie de contacto, más rápida se produce la reacción. La superficie de los sólidos se puede aumentar triturándolos y de las sustancias solubles disolviéndolas.
5. Catálisis. Las sustancias que participan en las reacciones y aumentan su velocidad, permaneciendo sin cambios al final de la reacción, se denominan catalizadores. El mecanismo de acción de los catalizadores está asociado a una disminución de la energía de activación de la reacción debido a la formación de compuestos intermedios. En catálisis homogénea los reactivos y el catalizador constituyen una fase (están en el mismo estado de agregación); en catálisis heterogénea, son fases diferentes (están en diferentes estados de agregación); Ralentizar drásticamente la progresión de enfermedades no deseadas. procesos quimicos en algunos casos, se pueden añadir inhibidores al medio de reacción (el fenómeno de la “catálisis negativa”).
Equilibrio químico.
Reacciones reversibles- reacciones químicas que ocurren simultáneamente en dos direcciones opuestas.
El equilibrio químico es un estado de un sistema en el que la velocidad de la reacción directa (V1) es igual a la velocidad de la reacción inversa (V2). En el equilibrio químico, las concentraciones de sustancias permanecen sin cambios. El equilibrio químico es de naturaleza dinámica: las reacciones directas e inversas no se detienen en el equilibrio.
Estado equilibrio químico se caracteriza cuantitativamente por una constante de equilibrio, que es la relación entre las constantes de las reacciones directa (K 1) e inversa (K 2).
Para la reacción mA + nB<->La constante de equilibrio pC + dD es igual a
K = K 1 / K 2 = ([C] p [D] d) / ([A] m [B] n)
La constante de equilibrio depende de la temperatura y la naturaleza de los reactivos. Cuanto mayor sea la constante de equilibrio, mayor más equilibrio Se desplazó hacia la formación de productos de reacción directa.
Formas de cambiar el equilibrio.
El principio de Le Chatelier. Si un sistema en equilibrio se ve afectado por influencia externa(concentración, temperatura, cambio de presión), entonces favorece la ocurrencia de una de las dos reacciones opuestas que debilitan este efecto.
La velocidad de las reacciones químicas.
La velocidad de reacción está determinada por un cambio en la concentración molar de uno de los reactivos:
V = ± ((C2 - C1) / (t2 - t1)) = ± (CC / Dt)
donde C1 y C2 son concentraciones molares de sustancias en los tiempos t1 y t2, respectivamente (signo (+) - si la velocidad está determinada por el producto de reacción, signo (-) - por la sustancia de partida).
Las reacciones ocurren cuando las moléculas de sustancias que reaccionan chocan. Su velocidad está determinada por el número de colisiones y la probabilidad de que conduzcan a una transformación. El número de colisiones está determinado por las concentraciones de las sustancias que reaccionan y la probabilidad de una reacción está determinada por la energía de las moléculas que chocan.
Factores que influyen en la velocidad de las reacciones químicas.
1. La naturaleza de las sustancias reaccionantes. La naturaleza de los enlaces químicos y la estructura de las moléculas de los reactivos juegan un papel importante. Las reacciones proceden en la dirección de la destrucción de enlaces menos fuertes y la formación de sustancias con enlaces más fuertes. Por tanto, romper enlaces en las moléculas de H2 y N2 requiere altas energías; tales moléculas son ligeramente reactivas. Romper enlaces en moléculas altamente polares (HCl, H2O) requiere menos energía y la velocidad de reacción es mucho mayor. Las reacciones entre iones en soluciones de electrolitos ocurren casi instantáneamente.
El flúor reacciona explosivamente con el hidrógeno a temperatura ambiente, el bromo reacciona lentamente con el hidrógeno cuando se calienta.
El óxido de calcio reacciona vigorosamente con el agua, liberando calor; Óxido de cobre: no reacciona.
2. Concentración. A medida que aumenta la concentración (el número de partículas por unidad de volumen), las colisiones de moléculas de sustancias que reaccionan ocurren con mayor frecuencia: la velocidad de reacción aumenta.
Ley de acción de masas (K. Guldberg, P. Waage, 1867).
La velocidad de una reacción química es directamente proporcional al producto de las concentraciones de los reactivos.
aA + bB +… ®… .
V = k [A]a [B]b … .
La constante de velocidad de reacción k depende de la naturaleza de los reactivos, la temperatura y el catalizador, pero no depende de las concentraciones de los reactivos.
El significado físico de la constante de velocidad es que es igual a la velocidad de reacción en concentraciones unitarias de los reactivos.
Para reacciones heterogéneas, la concentración de la fase sólida no se incluye en la expresión de la velocidad de reacción.
3. Temperatura. Por cada aumento de 10°C en la temperatura, la velocidad de reacción aumenta de 2 a 4 veces (regla de Van't Hoff). A medida que la temperatura aumenta de t1 a t2, el cambio en la velocidad de reacción se puede calcular mediante la fórmula:
(t2 - t1) / 10 Vt2 / Vt1 = g
(donde Vt2 y Vt1 son las velocidades de reacción a las temperaturas t2 y t1, respectivamente; g es el coeficiente de temperatura de esta reacción).
La regla de Van't Hoff sólo es aplicable en un rango de temperatura estrecho. Más precisa es la ecuación de Arrhenius:
k = A e -Ea/RT
A es una constante que depende de la naturaleza de los reactivos;
R es la constante universal de los gases;
Ea es la energía de activación, es decir la energía que deben tener las moléculas en colisión para que la colisión conduzca a una transformación química.
Diagrama de energía de una reacción química.
A - reactivos, B - complejo activado (estado de transición), C - productos.
Cuanto mayor es la energía de activación Ea, más aumenta la velocidad de reacción al aumentar la temperatura.
4. Superficie de contacto de sustancias reaccionantes. Para sistemas heterogéneos (cuando las sustancias se encuentran en diferentes estados de agregación), cuanto mayor es la superficie de contacto, más rápida se produce la reacción. La superficie de los sólidos se puede aumentar triturándolos y de las sustancias solubles disolviéndolas.
5. Catálisis. Las sustancias que participan en las reacciones y aumentan su velocidad, permaneciendo sin cambios al final de la reacción, se denominan catalizadores. El mecanismo de acción de los catalizadores está asociado a una disminución de la energía de activación de la reacción debido a la formación de compuestos intermedios. En catálisis homogénea, los reactivos y el catalizador constituyen una fase (están en el mismo estado de agregación); en catálisis heterogénea, son fases diferentes (están en diferentes estados de agregación). En algunos casos, la aparición de procesos químicos indeseables se puede ralentizar drásticamente añadiendo inhibidores al medio de reacción (el fenómeno de la “catálisis negativa”).
Equilibrio químico.
Las reacciones reversibles son reacciones químicas que ocurren simultáneamente en dos direcciones opuestas.
El equilibrio químico es un estado de un sistema en el que la velocidad de la reacción directa (V1) es igual a la velocidad de la reacción inversa (V2). En el equilibrio químico, las concentraciones de sustancias permanecen sin cambios. El equilibrio químico es de naturaleza dinámica: las reacciones directas e inversas no se detienen en el equilibrio.
El estado de equilibrio químico se caracteriza cuantitativamente por una constante de equilibrio, que es la relación entre las constantes de las reacciones directa (K1) e inversa (K2).
Para la reacción mA + nB pC + dD la constante de equilibrio es igual a
K = K1 / K2 = ([C]p [D]d) / ([A]m [B]n)
La constante de equilibrio depende de la temperatura y la naturaleza de los reactivos. Cuanto mayor es la constante de equilibrio, más se desplaza el equilibrio hacia la formación de productos de reacción directa.
Formas de cambiar el equilibrio.
El principio de Le Chatelier. Si se produce una influencia externa sobre un sistema que se encuentra en equilibrio (concentración, temperatura, cambios de presión), entonces favorece la ocurrencia de cualquiera de las dos reacciones opuestas que debilita esta influencia.
V1 A + B C V2
1. Presión. Un aumento de presión (para los gases) desplaza el equilibrio hacia una reacción que conduce a una disminución del volumen (es decir, la formación número más pequeño moléculas).
V1 A + B C; un aumento en P conduce a V1 > V2 V2 2 1
2. Un aumento de temperatura desplaza la posición de equilibrio hacia una reacción endotérmica (es decir, hacia una reacción que se produce con la absorción de calor)
V1 B + Q, entonces un aumento de t°C conduce a V2 > V1 A + B V2 V1 B - Q, luego un aumento de t°C conduce a V1 > V2 A + B V2
3. Un aumento en la concentración de sustancias de partida y la eliminación de productos de la esfera de reacción desplaza el equilibrio hacia una reacción directa. Aumento de las concentraciones de las sustancias de partida [A] o [B] o [A] y [B]: V1 > V2.
4. Los catalizadores no afectan la posición de equilibrio.
En las reacciones químicas ocurre algo parecido a la “ionización”. Por ejemplo, dos sustancias y se combinan en la sustancia principal; luego, después de pensar un poco, podemos llamar átomo ( - lo que llamamos electrón, y - lo que llamamos ion). Después de tal reemplazo, como antes, podemos escribir la ecuación de equilibrio
. (42.9)
Esta fórmula, por supuesto, es inexacta, porque la "constante" depende del volumen al que se le permite combinar, etc., pero recurriendo a argumentos termodinámicos, se puede dar significado al valor en términos de un factor exponencial, y luego resulta que está estrechamente relacionado con la energía requerida para una reacción.
Intentemos entender esta fórmula como resultado de las colisiones, aproximadamente de la misma manera que comprendimos la fórmula de la evaporación, contando los electrones que escapan al espacio y los que regresan por unidad de tiempo. Supongamos que en colisiones y en ocasiones se forma una conexión. Y supongamos también que se trata de una molécula compleja que participa en una danza general y es golpeada por otras moléculas, y de vez en cuando recibe energía suficiente para explotar y desmoronarse nuevamente.
Tenga en cuenta que en las reacciones químicas la situación es que si los átomos que se acercan tienen muy poca energía, entonces, aunque esta energía es suficiente para la reacción, el hecho de la colisión de los átomos no significa necesariamente el inicio de la reacción. Por lo general, se requiere que la colisión sea más "dura", una colisión "suave" entre y puede no ser suficiente para iniciar una reacción, incluso si el proceso libera suficiente energía para la reacción. Supongamos que característica común Las reacciones químicas es un requisito según el cual no basta con una simple colisión para combinarse y formarse, sino que es necesario que choquen con una determinada cantidad de energía. Esta energía se llama energía de activación, es decir, la energía necesaria para “activar” una reacción. Sea el exceso de energía necesaria para que las colisiones provoquen una reacción. Entonces la velocidad con la que se genera debe contener el producto del número de átomos y , multiplicado por la velocidad con la que un átomo individual golpea un área determinada de magnitud , y por el valor (la probabilidad de que los átomos tengan suficiente energía) :
. (42.10)
Ahora necesitamos encontrar la velocidad del proceso inverso. Existe alguna posibilidad de que vuelvan a separarse. Al separarse, no tienen suficiente energía para asegurar su existencia separada. Pero como no es fácil para las moléculas conectarse, debe haber algún tipo de barrera a través de la cual deben cruzar para poder separarse. Deben abastecerse no sólo de la energía necesaria para su existencia, sino también de tener algo de reserva. Resulta algo así como subir una colina antes de descender a un valle; Primero hay que subir a una altura, luego bajar y solo después dispersarse (Fig. 42.1). Por tanto, la velocidad de transición en y es proporcional al producto: el número inicial de moléculas por 
:
. (42.11)
La constante es la suma del volumen de los átomos y la frecuencia de las colisiones; se puede obtener, como en el caso de la evaporación, multiplicando el área y el espesor de la capa, pero no lo haremos ahora. Ahora estamos más interesados en el hecho de que cuando estas velocidades son iguales, su relación es igual a uno. Esto sugiere que, como antes, contiene secciones transversales, velocidades y otros factores que no dependen de los números.
Higo. 42.1. Relación de energía en una reacción.
Curiosamente, la velocidad de reacción todavía varía a medida que 
, aunque esta constante ya no tiene relación con la que encontramos en el problema de las concentraciones; La energía de activación es muy diferente de la energía. La energía regula las proporciones y en qué se establece el equilibrio, pero si queremos saber si rápidamente se convierte en , entonces esto no tiene nada que ver con el equilibrio, y aparece otra energía, la energía de activación, que, usando la exponencial, controla la velocidad. de reacción.
Además, no es una constante fundamental como . Supongamos que la reacción ocurre en la superficie de la pared, o en alguna otra superficie, entonces pueden extenderse sobre ella de tal manera que combinarse será más fácil para ellos. En otras palabras, puedes cavar un “túnel” a través de una montaña o arrancar la cima de una montaña. Debido a la conservación de la energía, no importa qué camino tomemos, el resultado será el mismo: de y obtenemos , por lo que la diferencia de energía no depende del camino por el que hay una reacción Sin embargo, la energía de activación depende en gran medida de este camino. Esta es la razón por la que las velocidades de las reacciones químicas son tan sensibles a condiciones externas. Puede cambiar la velocidad de reacción cambiando la superficie con la que entran en contacto los reactivos; puede hacer un "conjunto de barriles" y utilizarlo para seleccionar cualquier velocidad si depende de las propiedades de la superficie. Se puede introducir un tercer objeto en el entorno en el que se produce la reacción; también puede cambiar en gran medida la velocidad de una reacción; estas sustancias, con un ligero cambio, a veces influyen mucho en la velocidad de una reacción; se les llama catalizadores. Puede que prácticamente no haya reacción alguna, porque es demasiado alta para una temperatura determinada, pero si se agrega esta sustancia especial, un catalizador, la reacción avanza muy rápidamente porque disminuye. Por lo tanto, la velocidad de la reacción inversa es proporcional. y sale de la fórmula para las concentraciones de equilibrio. ¡La exactitud de la ley de equilibrio (42.9), que escribimos en primer lugar, está absolutamente garantizada independientemente de cualquier posible mecanismo de reacción!
La velocidad de una reacción química es el cambio en la concentración de uno de los reactivos o uno de los productos de la reacción. Por unidad de tiempo con volumen constante. La unidad de velocidad es el mol en el numerador y el denominador es el litro·segundo.
Ley Básica cinemática química:
– la velocidad de una reacción química es proporcional a la concentración de los reactivos.
Dónde 
,
factor de proporcionalidad.
=
Dónde 
Y 
es un coeficiente estereoquímico.
La ley básica de la cinemática química no tiene en cuenta la reacción de sustancias en estado sólido. Ya que su concentración es constante y reaccionan sólo en la superficie y que permanece sin cambios. Por ejemplo, al quemar carbón: C+O 2 →CO 2 La reacción se produce entre las moléculas de oxígeno y sólido sólo en la interfaz de fase. Esto significa que la masa de la fase sólida no afecta la velocidad de reacción. EN en este caso la velocidad de reacción es proporcional sólo a la concentración de oxígeno.
2. Dependencia de la velocidad de reacción de la temperatura.
La dependencia de la velocidad de reacción de la temperatura está determinada por la regla de Van't Hoff: con cada aumento de temperatura de 10°, la velocidad de reacción (la mayoría) aumenta de 2 a 4 veces. Matemáticamente, esta dependencia se expresa mediante la fórmula
Dónde 
- inicial, 
- al que se calentó, 
Coeficiente de temperatura, se mide de 2 a 4.
3. Activaciones energéticas.
El fuerte aumento de la velocidad de reacción al aumentar la temperatura se explica por la energía de activación. Según esta teoría, sólo las moléculas activas entran en interacciones químicas; las moléculas inactivas pueden activarse si se les proporciona incluso una energía mínima; este proceso se llama activación. Una forma de activarlo es aumentar la temperatura.
La energía que se debe impartir a las moléculas (o partículas) de las sustancias que reaccionan para convertirlas en sustancias activas se llama energía de activación. Su valor se determina experimentalmente y se expresa en kJ/mol y se denomina E. La energía de activación depende de la naturaleza de las sustancias que reaccionan y sirve como característica de la reacción. A materiales de partida formado un producto de venta, deben superar la barrera energética.
En este caso, se forma un estado de transición o un complejo activado, que luego se gasta en la reacción.
La velocidad de reacción depende de la energía de activación; si la energía de activación es baja, entonces la velocidad es alta y viceversa. Para la activación se utilizan calentamiento, irradiación y catalizadores.
4.Catálisis homogénea y heterogénea.
Catálisis Es una sustancia que cambia la velocidad de una reacción.
Catálisis positiva: esta sustancia aumenta la velocidad de reacción.
La catálisis negativa es una disminución en la velocidad de una reacción.
A veces, la velocidad de una reacción cambia debido a los propios productos de la reacción o a los materiales de partida; este proceso se denomina autocatálisis. La catálisis puede ser homogénea o heterogénea. En la catálisis heterogénea, los reactivos forman un sistema de fases rosadas con el catalizador y existe una interfaz en la que se produce la reacción. Al mismo tiempo papel importante Juega la adsorción: esta es la concentración de sustancias gaseosas o disueltas en la superficie de otras sustancias llamadas adsorbentes.
La catálisis homogénea es una catálisis cuando los reactivos y los catalizadores están en el mismo estado de agregación, es decir. formar un sistema monofásico.
