Хурд химийн урвал.
Урвалын хурдыг урвалжуудын аль нэгний молийн концентрацийн өөрчлөлтөөр тодорхойлно.
V = ± ((C2 - C1) / (t2 - t1)) = ± (DC / Dt)
Энд C1 ба C2 - молийн концентрацибодисыг t1 ба t2 удаа тус тус (тэмдэг (+) - хурдыг урвалын бүтээгдэхүүнээр, тэмдэг (-) - эхлэлийн бодисоор тодорхойлно).
Урвалж буй бодисын молекулууд мөргөлдөх үед урвал үүсдэг. Түүний хурд нь мөргөлдөөний тоо, тэдгээрийн өөрчлөлтөд хүргэх магадлалаар тодорхойлогддог. Мөргөлдөөний тоог урвалд орж буй бодисын концентраци, урвалын магадлалыг мөргөлдөж буй молекулуудын энергиээр тодорхойлно.
Химийн урвалын хурдад нөлөөлөх хүчин зүйлүүд.
1. Урвалж буй бодисын шинж чанар. Дүр бол том үүрэг гүйцэтгэдэг химийн холбооболон урвалжийн молекулуудын бүтэц. Урвал нь бага бат бөх холбоог устгах, илүү хүчтэй холбоо бүхий бодис үүсэх чиглэлд явагддаг. Тиймээс H2 ба N2 молекулуудын холбоог таслахын тулд өндөр энерги; ийм молекулууд бага зэрэг урвалд ордог. Өндөр туйлтай молекулуудын (HCl, H2O) холбоог таслахад бага энерги шаардагдах бөгөөд урвалын хурд нь хамаагүй өндөр байдаг. Электролитийн уусмал дахь ионуудын хоорондын урвал бараг тэр даруй явагддаг.
Фтор нь тасалгааны температурт устөрөгчтэй тэсрэх урвалд ордог бол бром нь устөрөгчтэй халаахад удаан урвалд ордог.
Кальцийн исэл нь устай хүчтэй урвалд орж, дулааныг ялгаруулдаг; зэсийн исэл - урвалд ордоггүй.
2. Төвлөрөл. Концентраци нэмэгдэх тусам (нэгж эзэлхүүн дэх тоосонцрын тоо) урвалд орж буй бодисын молекулуудын мөргөлдөөн ихэвчлэн тохиолддог - урвалын хурд нэмэгддэг.
Хууль идэвхтэй масс(K. Guldberg, P. Waage, 1867).
Химийн урвалын хурд нь урвалж буй бодисын концентрацийн бүтээгдэхүүнтэй шууд пропорциональ байна.
aA + bB +… ®… .
V = k [A]a [B]b … .
Урвалын хурдны тогтмол k нь урвалж, температур, катализаторын шинж чанараас хамаардаг боловч урвалд орох бодисын концентрацаас хамаардаггүй.
Физик утгаХурдны тогтмол нь урвалд орох бодисын нэгж концентраци дахь урвалын хурдтай тэнцүү байна.
Учир нь гетероген урвалуудхатуу фазын концентрацийг урвалын хурдны илэрхийлэлд оруулаагүй болно.
3. Температур. Температурыг 10 ° C-аар нэмэгдүүлэх бүрт урвалын хурд 2-4 дахин нэмэгддэг (вант Хоффын дүрэм). Температур t1-ээс t2 хүртэл өсөхөд урвалын хурдны өөрчлөлтийг дараах томъёогоор тооцоолж болно.
(t2 - t1) / 10 Vt2 / Vt1 = g
(Үүнд Vt2 ба Vt1 нь t2 ба t1 температур дахь урвалын хурд; g- температурын коэффициентэнэ урвал).
Вант Хоффын дүрэм нь зөвхөн нарийн температурын хязгаарт хамаарна. Аррениусын тэгшитгэл илүү нарийвчлалтай:
k = A e -Ea/RT
А нь урвалжуудын шинж чанараас хамаарах тогтмол;
R нь бүх нийтийн хийн тогтмол;
Ea нь идэвхжүүлэх энерги, өөрөөр хэлбэл. мөргөлдөж буй молекулууд мөргөлдөхөд байх ёстой энерги химийн хувирал.
Химийн урвалын энергийн диаграм.
A - урвалж, B - идэвхжүүлсэн цогцолбор ( шилжилтийн төлөв), C - бүтээгдэхүүн.
Идэвхжүүлэх энерги Ea өндөр байх тусам температур нэмэгдэх тусам урвалын хурд нэмэгддэг.
4. Урвалж буй бодисын контактын гадаргуу. Гетероген системүүдийн хувьд (бодисууд нэгтгэх янз бүрийн төлөвт байх үед) контактын гадаргуу их байх тусам урвал хурдан явагдана. Гадаргуу хатуу бодиснунтаглах замаар, уусдаг бодисын хувьд тэдгээрийг уусгах замаар нэмэгдүүлэх боломжтой.
5. Катализ. Урвалын төгсгөлд өөрчлөгдөөгүй, урвалд оролцож, хурдыг нь нэмэгдүүлдэг бодисыг катализатор гэж нэрлэдэг. Катализаторын үйл ажиллагааны механизм нь завсрын нэгдлүүд үүссэний улмаас урвалын идэвхжүүлэлтийн энерги буурсантай холбоотой юм. Нэг төрлийн катализийн үед урвалж ба катализатор нь нэг үе шатыг бүрдүүлдэг (ижил төлөвт байдаг). гетероген катализ- өөр өөр үе шатууд (нэгтгэлийн янз бүрийн төлөвт байдаг). Хүсээгүй өвчний явцыг эрс удаашруулна химийн процессуудзарим тохиолдолд урвалын орчинд дарангуйлагч нэмж болно ("сөрөг катализ" үзэгдэл).
Химийн тэнцвэр.
Урвуу урвалууд- химийн урвал хоёр зэрэг явагддаг эсрэг чиглэлүүд.
Химийн тэнцвэр гэдэг нь урагшлах урвалын хурд (V1) нь урвуу урвалын хурдтай (V2) тэнцүү байх системийн төлөв юм. Химийн тэнцвэрт байдалд бодисын концентраци өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Химийн тэнцвэрт байдал нь динамик шинж чанартай: урагш ба урвуу урвалууд тэнцвэрт байдалд зогсдоггүй.
муж химийн тэнцвэрт байдалнь тэнцвэрийн тогтмолоор тоон хувьд тодорхойлогддог бөгөөд энэ нь урагш (K1) ба урвуу (K2) урвалын тогтмолуудын харьцаа юм.
mA + nB pC + dD урвалын хувьд тэнцвэрийн тогтмол нь тэнцүү байна
K = K1 / K2 = ([C]p [D]d) / ([A]m [B]n)
Тэнцвэрийн тогтмол байдал нь температур болон урвалд орох бодисын шинж чанараас хамаарна. Тэнцвэрийн тогтмол нь их байх тусам илүү тэнцвэртэйшууд урвалын бүтээгдэхүүн үүсэх тал руу шилжсэн.
Тэнцвэрийг өөрчлөх арга замууд.
Ле Шательегийн зарчим. Хэрэв тэнцвэрт байдалд байгаа систем нөлөөлсөн бол гадны нөлөө(концентраци, температур, даралтын өөрчлөлт), дараа нь энэ нөлөөг сулруулдаг хоёр эсрэг урвалын аль нэгийг бий болгодог.
V1 A + B C V2
1. Даралт. Даралтын өсөлт (хийн хувьд) тэнцвэрийг эзлэхүүн буурахад хүргэдэг урвал руу шилжүүлдэг (өөрөөр хэлбэл үүсэх бага тоомолекулууд).
V1 A + B C; P-ийн өсөлт нь V1 > V2 V2 2 1-д хүргэдэг
2. Температурын өсөлт нь тэнцвэрийн байрлалыг эндотермик урвал руу (жишээ нь дулаан шингээх үед үүсэх урвал руу) шилжүүлдэг.
V1 B + Q, дараа нь t°C-ийн өсөлт нь V2 > V1 A + B V2 V1 B - Q, дараа нь t°C-ийн өсөлт нь V1 > V2 A + B V2 руу хүргэдэг.
3. Төвлөрөл нэмэгдэнэ эхлэх материалурвалын бөмбөрцөгөөс бүтээгдэхүүнийг зайлуулах нь тэнцвэрийг шууд урвал руу шилжүүлдэг. [A] эсвэл [B] эсвэл [A] ба [B] эхлэлийн бодисын концентрацийг нэмэгдүүлэх: V1 > V2.
4. Катализатор нь тэнцвэрийн байрлалд нөлөөлдөггүй.
Химийн урвалд "иончлол"-той төстэй зүйл тохиолддог. Жишээлбэл, хоёр бодис ба үндсэн бодисыг нэгтгэх; дараа нь бага зэрэг бодсоны дараа бид атом гэж нэрлэж болно ( - бидний электрон гэж нэрлэдэг зүйл, мөн - ион гэж нэрлэдэг зүйл). Ийм орлуулалтын дараа өмнөх шигээ тэнцвэрийн тэгшитгэлийг бичиж болно
. (42.9)
Энэ томьёо нь мэдээжийн хэрэг буруу, учир нь "тогтмол" нь нэгтгэх боломжтой хэмжээ гэх мэтээс хамаардаг боловч термодинамик аргументуудад хандвал экспоненциал хүчин зүйлийн утгыг илэрхийлж болно. дараа нь энэ нь урвалд шаардагдах энергитэй нягт холбоотой болох нь харагдаж байна.
Энэ томъёог мөргөлдөөний үр дүн гэж ойлгохыг хичээцгээе, ойролцоогоор бид ууршилтын томъёог ойлгосон шиг, сансарт зугтаж буй электронууд болон нэгж хугацаанд буцаж ирдэг электронуудыг тоолъё. Мөргөлдөөн, заримдаа холболт үүсгэдэг гэж бодъё. Мөн энэ нь ерөнхий бүжигт оролцдог цогц молекул бөгөөд бусад молекулуудад цохиулж, үе үе дэлбэрч, дахин нурж унахад хангалттай энергийг хүлээн авдаг гэж үзье.
Химийн урвалын хувьд нөхцөл байдал нь хэрэв ойртож буй атомууд хэт бага энергитэй бол энэ энерги нь урвалд хангалттай боловч атомуудын мөргөлдөөн нь урвал эхлэх гэсэн үг биш гэдгийг анхаарна уу. Ихэвчлэн мөргөлдөөн нь илүү "хатуу", "зөөлөн" мөргөлдөөнтэй байх шаардлагатай бөгөөд үйл явц нь урвалд хангалттай энерги гаргаж байсан ч урвалыг эхлүүлэхэд хангалтгүй байж болно. Ингэж бодъё нийтлэг шинж чанархимийн урвал гэдэг нь энгийн мөргөлдөөн нь нэгдэж, үүсэхэд хангалтгүй, гэхдээ тодорхой хэмжээний энергитэй мөргөлдөх шаардлагатай байдаг шаардлага юм. Энэ энергийг идэвхжүүлэх энерги, өөрөөр хэлбэл урвалыг "идэвхжүүлэх" энерги гэж нэрлэдэг. Мөргөлдөөнд хариу үйлдэл үзүүлэхэд шаардагдах илүүдэл энерги гэж үзье. Дараа нь үүсгэх, үүсгэх хурд нь атомын тооны үржвэрийг агуулсан байх ёстой бөгөөд энэ нь тухайн атомын тодорхой том талбайг цохих хурд ба утгаараа (атомууд хангалттай энергитэй байх магадлал) үржүүлсэн байх ёстой. :
. (42.10)
Одоо бид урвуу үйл явцын хурдыг олох хэрэгтэй. Тэд дахин салах магадлалтай. Салахын тулд тэд тусдаа оршин тогтнох хангалттай эрчим хүчгүй байдаг. Гэхдээ молекулууд хоорондоо холбогдоно гэдэг амаргүй тул бие биенээсээ холдохын тулд ямар нэгэн саад бэрхшээлийг даван туулах ёстой. Тэд зөвхөн оршин тогтноход шаардлагатай энергийг нөөцлөхөөс гадна ямар нэг зүйлийг нөөцлөх ёстой. Энэ нь хөндий рүү буухаасаа өмнө толгод руу авирахтай адил зүйл болж хувирдаг; эхлээд та өндөрт авирч, дараа нь доошоо бууж, зөвхөн дараа нь тараах хэрэгтэй (Зураг 42.1). Тиймээс, шилжилтийн хурд нь бүтээгдэхүүнтэй пропорциональ байна - нэг дэх молекулын анхны тоо 
:
. (42.11)
Тогтмол нь атомын эзэлхүүн ба мөргөлдөөний давтамжийн нийлбэр юм; Үүнийг ууршилтын нэгэн адил давхаргын талбай, зузааныг үржүүлэх замаар олж авч болно, гэхдээ одоо бид үүнийг хийхгүй. Одоо бидний сонирхож байгаа зүйл бол эдгээр хурд тэнцүү байх үед тэдгээрийн харьцаа нэгтэй тэнцүү байх явдал юм. Энэ нь өмнөх шигээ хөндлөн огтлол, хурд болон тооноос хамаарахгүй бусад хүчин зүйлийг агуулж байгааг харуулж байна.
Зураг. 42.1. Урвал дахь энергийн харьцаа.
Сонирхолтой нь, урвалын хурд өөр өөр хэвээр байна 
, хэдийгээр энэ тогтмол нь концентрацийн асуудалд бидний тулгарсантай ямар ч хамааралгүй болсон; идэвхжүүлэх энерги нь эрчим хүчнээс эрс ялгаатай. Эрчим хүч нь пропорцийг зохицуулж, тэнцвэрийг тогтоодог боловч хэрэв бид хурдан болж хувирдаг эсэхийг мэдэхийг хүсвэл энэ нь тэнцвэртэй ямар ч холбоогүй бөгөөд экспоненциал ашиглан хурдыг хянадаг идэвхжүүлэх энерги гарч ирнэ. урвалын.
Түүнээс гадна, энэ нь шиг суурь тогтмол биш юм. Урвал нь хананы гадаргуу дээр эсвэл өөр гадаргуу дээр явагддаг гэж бодъё, тэгвэл тэдгээр нь үүн дээр тархаж, нэгдэх нь тэдэнд илүү хялбар байх болно. Өөрөөр хэлбэл, та уулын дундуур “хонгил” ухаж, уулын оройг урж хаях боломжтой. Эрчим хүч хэмнэлттэй тул бид ямар замаар явахаас үл хамааран үр дүн нь ижил байх болно: -аас ба бид ийг авдаг тул энергийн ялгаа нь ямар замаар явахаас хамаарахгүй. урвал байдаг, гэхдээ идэвхжүүлэх энерги нь энэ замаас ихээхэн хамааралтай байдаг. Ийм учраас химийн урвалын хурд маш мэдрэмтгий байдаг гадаад нөхцөл. Та урвалжууд хүрч буй гадаргууг өөрчилснөөр урвалын хурдыг өөрчилж болно, та "баррель багц" хийж, гадаргуугийн шинж чанараас хамаарч ямар ч хурдыг сонгох боломжтой. Та урвал явагдаж буй орчинд гуравдагч объектыг нэвтрүүлж болно; энэ нь мөн урвалын хурдыг ихээхэн өөрчилж чаддаг, бага зэрэг өөрчлөлттэй ийм бодисууд заримдаа урвалын хурдад ихээхэн нөлөөлдөг; тэдгээрийг катализатор гэж нэрлэдэг. Энэ нь өгөгдсөн температурт хэт өндөр байдаг тул бараг ямар ч хариу үйлдэл үзүүлэхгүй байж магадгүй, гэхдээ хэрэв та энэ тусгай бодис - катализаторыг нэмбэл урвал нь маш хурдан явагддаг, учир нь энэ нь урвуу урвалын хурдтай байдаг тэнцвэрийн концентрацийн томъёоноос хасагдана. Бидний хамгийн түрүүнд бичсэн тэнцвэрийн хуулийн (42.9) зөв эсэх нь аливаа урвалын механизмаас үл хамааран бүрэн баталгаатай юм!
Химийн урвалын кинематик
Химийн урвалын хурд.
Урвалын хурдыг урвалжуудын аль нэгний молийн концентрацийн өөрчлөлтөөр тодорхойлно.
V = ± ((C 2 - C 1 ) / (t 2 - t 1 )) = ± ( ХАМТ / т)
Энд C 1 ба C 2 - t үед бодисын молийн концентраци 1 ба t 2 тус тус (тэмдэг (+) - хурд нь урвалын бүтээгдэхүүнээр тодорхойлогдвол тэмдэг (-) - эхлэл бодис).
Урвалж буй бодисын молекулууд мөргөлдөх үед урвал үүсдэг. Түүний хурд нь мөргөлдөөний тоо, тэдгээрийн өөрчлөлтөд хүргэх магадлалаар тодорхойлогддог. Мөргөлдөөний тоог урвалд орж буй бодисын концентраци, урвалын магадлалыг мөргөлдөж буй молекулуудын энергиээр тодорхойлно.
Химийн урвалын хурдад нөлөөлөх хүчин зүйлүүд.
1. Урвалж буй бодисын шинж чанар. Химийн холболтын шинж чанар, урвалжийн молекулуудын бүтэц чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Урвал нь бага бат бөх холбоог устгах, илүү хүчтэй холбоо бүхий бодис үүсэх чиглэлд явагддаг. Тиймээс молекул дахь холбоог таслахын тулд H 2 ба N 2 өндөр эрчим хүч шаардлагатай; ийм молекулууд бага зэрэг урвалд ордог. Өндөр туйлттай молекулуудын холбоог таслах (HCl, H 2 O) Эрчим хүч бага шаардагддаг бөгөөд урвалын хурд нь илүү хурдан байдаг. Электролитийн уусмал дахь ионуудын хоорондын урвал бараг тэр даруй явагддаг.
Жишээ.
Фтор нь тасалгааны температурт устөрөгчтэй тэсрэх урвалд ордог бол бром нь устөрөгчтэй халаахад удаан урвалд ордог.
Кальцийн исэл нь устай хүчтэй урвалд орж, дулааныг ялгаруулдаг; зэсийн исэл - урвалд ордоггүй.
2. Төвлөрөл. Концентраци нэмэгдэх тусам (нэгж эзэлхүүн дэх тоосонцрын тоо) урвалд орж буй бодисын молекулуудын мөргөлдөөн ихэвчлэн тохиолддог - урвалын хурд нэмэгддэг.
Массын үйл ажиллагааны хууль (K. Guldberg, P. Waage, 1867).
Химийн урвалын хурд нь урвалж буй бодисын концентрацийн бүтээгдэхүүнтэй шууд пропорциональ байна.
aA + bB +. . . . . .
V = k [A] а [B] б . . .
Урвалын хурдны тогтмол k нь урвалж, температур, катализаторын шинж чанараас хамаардаг боловч урвалд орох бодисын концентрацаас хамаардаггүй.
Хурдны тогтмолын физик утга нь урвалд орох бодисын нэгж концентраци дахь урвалын хурдтай тэнцүү байна.
Гетероген урвалын хувьд хатуу фазын концентрацийг урвалын хурдны илэрхийлэлд оруулаагүй болно.
3. Температур. Температурыг 10 ° C-аар нэмэгдүүлэх бүрт урвалын хурд 2-4 дахин нэмэгддэг (вант Хоффын дүрэм). Температур нь t-ээс нэмэгдэхэд 1-ээс 2 хүртэл Урвалын хурдны өөрчлөлтийг дараах томъёогоор тооцоолж болно.
(Үүнд Vt 2 ба Vt 1 - t температур дахь урвалын хурд 2 ба t 1 тус тус; - энэ урвалын температурын коэффициент).
Вант Хоффын дүрэм нь зөвхөн нарийн температурын хязгаарт хамаарна. Аррениусын тэгшитгэл илүү нарийвчлалтай:
k = A e -Ea/RT
Хаана
А нь урвалд орж буй бодисын шинж чанараас хамаарах тогтмол;
R нь бүх нийтийн хийн тогтмол;
Ea нь идэвхжүүлэх энерги, өөрөөр хэлбэл. мөргөлдөж буй молекулууд химийн өөрчлөлтөд хүргэхийн тулд байх ёстой энерги.
Химийн урвалын энергийн диаграм.
A - урвалж, B - идэвхжүүлсэн цогцолбор (шилжилтийн төлөв), C - бүтээгдэхүүн.
Идэвхжүүлэх энерги Ea өндөр байх тусам температур нэмэгдэх тусам урвалын хурд нэмэгддэг.
4. Урвалж буй бодисын контактын гадаргуу. Гетероген системүүдийн хувьд (бодисууд нэгтгэх янз бүрийн төлөвт байх үед) контактын гадаргуу их байх тусам урвал хурдан явагдана. Хатуу бодисын гадаргуугийн талбайг нунтаглах замаар, уусдаг бодисыг уусгах замаар нэмэгдүүлэх боломжтой.
5. Катализ. Урвалын төгсгөлд өөрчлөгдөөгүй, урвалд оролцож, хурдыг нь нэмэгдүүлдэг бодисыг катализатор гэж нэрлэдэг. Катализаторын үйл ажиллагааны механизм нь завсрын нэгдлүүд үүссэний улмаас урвалын идэвхжүүлэлтийн энерги буурсантай холбоотой юм. Нэг төрлийн катализийн үед урвалжууд болон катализаторууд нь нэг үе шатыг үүсгэдэг (гетероген катализийн үед тэдгээр нь өөр өөр үе шатууд байдаг (агрегатууд нь өөр өөр төлөвт байдаг); Зарим тохиолдолд хүсээгүй химийн үйл явц үүсэхийг урвалын орчинд дарангуйлагч ("сөрөг катализ" үзэгдэл) нэмснээр огцом удаашруулж болно.
Химийн тэнцвэр.
Урвуу урвал гэдэг нь хоёр эсрэг чиглэлд нэгэн зэрэг явагдах химийн урвал юм.
Химийн тэнцвэр гэдэг нь шууд урвалын хурд (V1) нь урвуу урвалын хурдтай (V) тэнцүү байх системийн төлөв юм. 2 ). Химийн тэнцвэрт байдалд бодисын концентраци өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Химийн тэнцвэрт байдал нь динамик шинж чанартай: урагш ба урвуу урвалууд тэнцвэрт байдалд зогсдоггүй.
Химийн тэнцвэрийн төлөв нь шулуун шугамын тогтмолуудын харьцаа (K) тэнцвэрийн тогтмолоор тоон хувьд тодорхойлогддог. 1) ба урвуу (K 2) урвалууд.
mA + nB pC + dD урвалын хувьд тэнцвэрийн тогтмол нь тэнцүү байна
K = K 1 /К 2 = ([C] х [D] г ) / ([A] м [B] n )
Тэнцвэрийн тогтмол байдал нь температур болон урвалд орох бодисын шинж чанараас хамаарна. Тэнцвэрийн тогтмол хэмжээ их байх тусам тэнцвэр шууд урвалын бүтээгдэхүүн үүсэх тал руу шилждэг.
Тэнцвэрийг өөрчлөх арга замууд.
Ле Шательегийн зарчим. Хэрэв тэнцвэрт байдалд байгаа системд гадны нөлөөлөл (концентраци, температур, даралтын өөрчлөлт) үүссэн бол энэ нь эсрэг хоёр урвалын аль нь энэ нөлөөллийг сулруулж байвал энэ нь үүсэхийг дэмжинэ.
1. Даралт. Даралтын өсөлт (хийн хувьд) тэнцвэрийг эзлэхүүнийг багасгах урвал руу шилжүүлдэг (өөрөөр хэлбэл цөөн молекул үүсэх).
2. Температурын өсөлт нь тэнцвэрийн байрлалыг эндотермик урвал руу (жишээ нь дулаан шингээх үед үүсэх урвал руу) шилжүүлдэг.
3. Эхлэх бодисын концентраци нэмэгдэж, урвалын бөмбөрцөгөөс бүтээгдэхүүнийг зайлуулах нь тэнцвэрийг шууд урвал руу шилжүүлдэг. [A] эсвэл [B] эсвэл [A] ба [B] эхлэлийн бодисын концентрацийг нэмэгдүүлэх: V 1 > V 2 .
4. Катализатор нь тэнцвэрийн байрлалд нөлөөлдөггүй.
