Les principaux facteurs suivants affectent la vitesse de réaction. Vitesse de réaction chimique

La vitesse de réaction dépend de la nature et de la concentration des réactifs, de la température, de la pression, de la présence d'un catalyseur et de ses propriétés, du degré de broyage de la phase solide, de l'irradiation avec des quanta de lumière et d'autres facteurs.

1. La nature des substances réactives... La nature des substances réactives signifie la nature liaison chimique dans les molécules de réactif et sa force. La rupture des liaisons et la formation de nouvelles liaisons déterminent la valeur de la constante de vitesse et affectent ainsi le processus de la réaction.

L'ampleur de l'énergie d'activation est le facteur par lequel l'effet de la nature des substances réactives sur la vitesse de réaction affecte: si l'énergie d'activation est faible, alors la vitesse d'une telle réaction est élevée, par exemple, toutes les réactions d'échange d'ions procéder presque instantanément, les taux de réactions impliquant des radicaux sont très élevés; si l'énergie d'activation est élevée, alors la vitesse d'une telle réaction est faible, par exemple, ce sont de nombreuses réactions entre des substances à liaisons chimiques covalentes, entre des substances gazeuses.

2. Concentration des réactifs... La caractéristique quantitative de la dépendance de la vitesse de réaction sur la concentration loi de l'action de masse (Guldberg et Waage, 1867): la vitesse d'une réaction chimique est directement proportionnelle à la concentration de réactifs, élevée à des puissances égales aux coefficients stoechiométriques dans l'équation de réaction.

Pour la réaction aA + bB \u003d cC + dD, l'expression mathématique de la loi de l'action de masse est:

υ \u003d k · [A] a · [B] bou υ \u003d k C A a C B b,

où v - la vitesse de la réaction chimique; [ET], [DANS]ou CALIFORNIE, C B- concentrations molaires de réactifs; a, b - coefficients stoechiométriques des réactifs; k - coefficient de proportionnalité.

Des expressions similaires sont appelées équations cinétiques des réactions ... Ratio d'aspect kdans l'équation cinétique s'appelle constante de taux ... La constante de vitesse est numériquement égale à la vitesse de réaction à une concentration de réactif de 1 mol / l; k dépend de la nature des substances réactives, de la température, de la méthode d'expression de la concentration, mais ne dépend pas de l'amplitude de la concentration des substances réactives.

Pour les réactions hétérogènes de concentration de solides ne sont pas incluses dans l'équation de vitesse, puisque la réaction n'a lieu qu'à l'interface. Par exemple, l'équation cinétique de la réaction de combustion du charbon C (tv) + O 2 (g) \u003d CO 2 (g) aura la forme: υ \u003d k · [О 2].

La somme des indicateurs des degrés de concentration des réactifs dans l'équation cinétique de la réaction est appelée ordre de réaction chimique ... L'ordre de cette substance ( commande privée ) est défini comme un exposant à la concentration de cette substance. Par exemple, ordre général réactions: H 2 + I 2 \u003d 2HI est égal à deux, les ordres particuliers de l'hydrogène et de l'iode sont égaux à un, car υ \u003d k · ·.

3. Température.La dépendance de la vitesse de réaction à la température est exprimée règle de van't Hoff (1884): lorsque la température augmente tous les dix degrés, la vitesse de réaction augmente d'environ 2 à 4 fois... Expression mathématique règle de van't Hoff:

υ 2 \u003d υ 1 γ ∆ t / 10

où υ 1 et υ 2 - la vitesse de réaction à t 1 et t 2; ∆t \u003d t 2 - t 1; γ - coefficient de température indiquant combien de fois la vitesse de réaction augmente lorsque la température augmente de 10 ºС.

La dépendance de la constante de vitesse de réaction à la température est exprimée par l'équation d'Arrhenius (1889):

k \u003d A e - E / RT

où E est l'énergie d'activation, cal / mol; J / mol; e - base un algorithme naturel; A est une constante indépendante de la température; R est la constante du gaz.

L'effet de la température sur la vitesse de réaction s'explique par le fait qu'avec une augmentation de la température, le nombre de molécules actives augmente fortement (de manière exponentielle).

4. Surface des réactifs et pression. DANS réactions hétérogènes l'interaction des substances se produit à l'interface, et plus la surface de cette surface est grande, plus la vitesse de réaction est élevée... Dans ce cas, une augmentation de la surface de contact correspond à une augmentation de la concentration en réactifs.

Sur la vitesse des réactions impliquant substances gazeuses, le changement affecte pression... Une diminution ou une augmentation de la pression entraîne des changements de volume correspondants, et comme les quantités de substances ne changent pas, les concentrations des réactifs changeront.

5. Catalyse. L'une des méthodes pour accélérer une réaction chimique est la catalyse, qui est réalisée en introduisant des catalyseurs qui augmentent la vitesse de la réaction, mais qui ne sont pas consommés en raison de son apparition. Le mécanisme d'action du catalyseur est réduit à une diminution de l'énergie d'activation de la réaction, c'est-à-dire à une diminution de la différence entre l'énergie moyenne des molécules actives et l'énergie moyenne des molécules des substances de départ. Dans ce cas, la vitesse de la réaction chimique augmente. En règle générale, le terme « catalyseur »S'applique aux substances qui augmentent la vitesse de réaction chimique. Les substances qui réduisent la vitesse de réaction sont appelées inhibiteurs .

Les catalyseurs sont directement impliqués dans le procédé, mais à la fin de celui-ci, ils peuvent être isolés du mélange réactionnel en quantité initiale. Les catalyseurs sont caractérisés par sélectivité , c'est à dire. la capacité d'influencer la progression de la réaction dans une certaine direction, par conséquent, à partir des mêmes matières premières, différents produits peuvent être obtenus, en fonction du catalyseur utilisé.

Les biocatalyseurs occupent une place particulière –enzymes qui sont des protéines. Les enzymes affectent les taux de réactions strictement définies, c'est-à-dire qu'elles ont une sélectivité très élevée. Les enzymes accélèrent les réactions des milliards et des billions de fois quand température ambiante... À des températures élevées, ils perdent leur activité, car les protéines sont dénaturées.

Il existe deux types de catalyse: catalyse homogène lorsque le catalyseur et les matières premières sont dans la même phase, et hétérogène , lorsque le catalyseur et les matières de départ sont dans des phases différentes, c'est-à-dire les réactions ont lieu à la surface du catalyseur. Le catalyseur n'affecte pas l'état d'équilibre du système, mais ne modifie que la vitesse à laquelle cet état est atteint. Cela découle du fait que l'équilibre correspond au minimum de potentiel isobare-isotherme (énergie de Gibbs), et que la constante d'équilibre a la même valeur, à la fois en présence d'un catalyseur et sans lui.

Action catalytique homogène est qu'il réagit avec l'une des matières de départ avec la formation d'un composé intermédiaire qui, à son tour, entre dans des réactions chimiques avec une autre matière de départ, donnant le produit de réaction souhaité et "libérant" le catalyseur. Ainsi, avec une catalyse homogène, le processus se déroule en plusieurs étapes, mais avec des valeurs d'énergie d'activation plus faibles pour chaque étape que pour le processus non catalytique direct.

Laisser la substance A réagir avec la substance B, formant le composé AB:

La réaction se déroule à une vitesse insignifiante. Lors de l'ajout de catalyseur K les réactions se déroulent: A + K \u003d AK et AK + B \u003d AB + K.

En ajoutant ces deux équations, nous obtenons: A + B \u003d AB.

Un exemple de réaction se déroulant avec la participation d'un catalyseur homogène est la réaction d'oxydation de l'oxyde de soufre (IV) en oxyde de soufre (VI): sans catalyseur: SO 2 + 0,5O 2 \u003d SO 3;

avec catalyseur NO 2: SO 2 + NO 2 \u003d SO 3 + NO, NO + 0,5O 2 \u003d NO 2.

Action catalytique hétérogène consiste en ce que des molécules de gaz (ou de liquide) sont adsorbées à la surface du cristal de catalyseur, ce qui conduit à une redistribution de la densité électronique dans les molécules adsorbées et à un affaiblissement de la liaison chimique en elles jusqu'à la dissociation complète du molécule en atomes. Cela facilite grandement l'interaction des molécules adsorbées (atomes) des substances en réaction les unes avec les autres. Plus la surface est grande, plus le catalyseur est efficace. Les métaux (nickel, platine, palladium, cuivre), aluminosilicates cristallins, zéolites, Al 2 O 3, Al 2 (SO 4) 3, etc. sont largement utilisés comme catalyseurs hétérogènes.

Sections: Chimie

Objectif: Mettre à jour et approfondir les connaissances sur la vitesse d'une réaction chimique, la dépendance de la vitesse des réactions homogènes et hétérogènes à divers facteurs.

Matériel: Solutions de Na 2 S 2 O 3 (0,25 N), H 2 SO 4 (2 N), chronomètre, deux burettes, eau distillée, un ballon avec des solutions aqueuses d'ammoniaque concentrées, fil de platine, deux tubes à essai avec des solutions de HCl. Un morceau d'étain granulé, un morceau de zinc, un chronomètre.

L'enseignant communique le sujet de la leçon, explique son objectif et propose aux élèves quelques questions de discussion:

1. Qu'est-ce qu'on appelle la vitesse en mécanique?
2. Donne des exemples réactions chimiques à des vitesses différentes.
3. Pourquoi étudier la vitesse à laquelle les phénomènes chimiques se produisent?

II Étape de la leçon - Explication du nouveau matériel.

L'étude des vitesses et des mécanismes d'une réaction chimique est appelée cinétique chimique. La vitesse des réactions chimiques varie considérablement. Certaines réactions se produisent presque instantanément, par exemple l'interaction de l'hydrogène avec l'oxygène lorsqu'il est chauffé. La rouille se forme lentement sur les objets en fer, les produits de corrosion sur les métaux.

Dans ce cas, on ne peut évidemment pas se limiter à un raisonnement purement qualitatif sur les réactions «rapides» et «lentes». Une caractéristique quantitative est nécessaire pour un concept aussi important que la vitesse d'une réaction chimique (V x. P.)

La vitesse d'une réaction chimique est un changement de la concentration de l'un des réactifs par unité de temps

C (mol / l) - concentration de substances,

t (s) - temps, V. x. p (mol / L) est la vitesse d'une réaction chimique.

Compte tenu de la cinétique des réactions chimiques, il convient de garder à l'esprit que la nature de l'interaction dépend de l'état d'agrégation des produits et des réactifs. Les produits et les réactifs, pris ensemble, forment ce que l'on appelle système physique et chimique. L'ensemble des parties homogènes du système qui ont la même composition chimique et les mêmes propriétés et qui sont séparées du reste du système par l'interface est appelé phase... Par exemple, des cristaux de chlorure de sodium ont été ajoutés dans un verre d'eau, puis au premier moment un système à deux phases est formé, qui se transformera en un système à une seule phase après la dissolution du sel. Les mélanges de gaz dans des conditions normales sont monophasés (eau et alcool) ou multiphases (eau et benzène, eau et mercure). Les systèmes constitués d'une phase sont appelés homogène, et les systèmes contenant plusieurs phases - hétérogène. En conséquence, le concept de homogène et hétérogèneréactions. Une réaction est dite homogène si les réactifs et les produits forment une phase:

HCI + NaOH \u003d NaCL + H2O

Dans une réaction hétérogène, les réactifs et les produits sont en différentes phases:

Zn + 2HCL \u003d ZnCL2 + H2

Dans ce dernier cas, les réactifs et les produits forment des phases différentes (Zn est solide, ZnCL2 est en solution et H2 est un gaz).

Si la réaction se produit entre des substances dans un système hétérogène, les substances réactives sont en contact les unes avec les autres non pas dans tout le volume, mais uniquement en surface. À cet égard, la détermination de la vitesse d'une réaction hétérogène est la suivante:

La vitesse d'une réaction hétérogène est déterminée par le nombre de moles de substances résultant de la réaction par unité de temps par unité de surface

- modification de la quantité d'une substance (réactif ou produit), mol.

- intervalle de temps - s, min.

Facteurs affectant la vitesse de réaction

1. La nature des substances réactives. L'enseignant fait preuve d'expérience:

1 ml de solution HCL est versé dans deux tubes à essai. Trempez un morceau d'étain granulé dans l'un et un morceau de zinc de même taille dans l'autre. Les élèves comparent l'intensité de l'évolution des bulles de gaz, inventent des équations pour l'interaction du HCL avec le zinc et l'étain, et concluent à propos de l'effet de la nature des réactifs sur la vitesse de réaction.

2. Concentration des réactifs.

Expérience - Interaction du thiosulfate de sodium avec l'acide sulfurique.

a) Menez d'abord une expérience de qualité. Pour ce faire, versez 1 ml de solution de thiosulfate de sodium dans un tube à essai et ajoutez du sodium et ajoutez 1-2 gouttes de solution d'acide sulfurique. Notez l'apparition après un certain temps d'opalescence et de turbidité supplémentaire de la solution due à la formation de soufre libre:

Na2S2O3 + H2SO4 \u003d Na2SO4 + SO2 + S + H2O

Le temps écoulé entre le drainage de la solution et une turbidité notable dépend de la vitesse de réaction.

b) Versez 0,25 N de la burette dans trois tubes à essai numérotés. solution de thiosulfate de sodium: dans le premier - 1 ml, dans le second - 2 ml, dans le troisième - 3 ml. Versez 2 ml d'eau de la burette dans le contenu du premier tube et 1 ml d'eau dans le second. Ainsi, la concentration conditionnelle sera: dans les éprouvettes n ° 1 - C; dans des tubes à essai n ° 2 - 2C; dans des tubes à essai n ° 3 - 3C.

Ajouter 1 goutte de solution d'acide sulfurique dans le tube à essai n ° 1 avec une solution de thiosulfate de sodium, agiter pour mélanger le contenu et allumer le chronomètre. Notez le temps écoulé entre le drainage des solutions et l'apparition perceptible d'opalescence.

Répéter l'expérience avec les tubes à essai n ° 2 et n ° 3, ajouter 1 goutte de solution d'acide sulfurique chacun et déterminer le temps de réaction.

Après l'expérience, l'enseignant sur le tableau noir construit un graphique de la dépendance de la vitesse de réaction sur la concentration des réactifs, où en abscisse il trace la concentration conditionnelle de solution de thiosulfate de sodium, en ordonnée la vitesse de réaction conditionnelle. (L'horaire peut être préparé à l'avance).

Les élèves analysent le graphique et tirent des conclusions sur la dépendance de la vitesse de réaction à la concentration des réactifs.

L'effet de la concentration de réactifs sur la vitesse d'interaction chimique est exprimé par la loi fondamentale de la cinétique chimique.

La vitesse des réactions chimiques se déroulant en milieu homogène à température constante est directement proportionnelle au produit des concentrations des substances réactives, élevé à la puissance de leurs coefficients stœchiométriques

= k[UNE] n [B] m

Cette équation est l'équation cinétique de la vitesse. [ UNE], [B] (mol / l) - concentration des substances de départ; n, m- coefficients dans l'équation de réaction; k -constante de taux.

La signification physique de la constante de vitesse ( k):

si [ UNE] = [B] \u003d 1 mol / L \u003d\u003e \u003d k1 n 1 m. ,ceux. \u003d k... C'est la vitesse de cette réaction dans les conditions standard.

N ° 1.2H 2 (g) + O 2 (g) -\u003e 2H 2 O (g)

= k 2

Comment la vitesse de cette réaction changera-t-elle si la concentration de chacune des substances de départ est doublée?

1 = k(2) 2 (2);

2 et 2 - nouvelles concentrations de substances de départ.

1 = k4 2 2

1 = 8k 2 .

Comparez avec l'équation (1) - la vitesse a été multipliée par 8.

№ 2. 2Сu (s) + О 2 (g) 2СuO (s)

= k 2, cependant, la concentration du solide est exclue de l'équation - elle ne peut pas être modifiée - une constante.

Cu (tv.) \u003d\u003e [Cu] \u003d const

= k,

3. Température.

La température a une grande influence sur la vitesse des réactions chimiques

Van't Hoff a formulé la règle: n une augmentation de la température tous les 10 ° C entraîne une augmentation de la vitesse de réaction de 2 à 4 fois (cette valeur est appelée coefficient de température de réaction).

Avec une augmentation de la température, la vitesse moyenne des molécules, leur énergie et le nombre de collisions augmentent de manière insignifiante, mais la fraction de molécules «actives» participant à des collisions efficaces qui franchissent la barrière énergétique de la réaction augmente fortement.

Mathématique cette dépendance s'exprime par la relation

où? t2 ,? t1 est la vitesse de réaction, respectivement, aux températures finales t 2 t 1, et est le coefficient de température de la vitesse de réaction avec une augmentation de la température tous les 10 o C.

Exemples: combien de fois la vitesse d'une réaction chimique augmentera-t-elle à t o: 50 o -\u003e 100 o, si \u003d 2?

2 = 1 2 100 –50 10 ; 2 = 1 2 5

c'est-à-dire que la vitesse de la réaction chimique augmentera 32 fois.

4. Catalyseur

L'un des moyens les plus efficaces pour influencer la vitesse des réactions chimiques est l'utilisation de catalyseurs. Comme vous le savez déjà du cours de chimie de l'école, catalyseurs - ce sont des substances qui modifient la vitesse de réaction, et à la fin du processus elles-mêmes restent inchangées à la fois en composition et en poids. En d'autres termes, au moment de la réaction elle-même, le catalyseur participe activement au processus chimique, comme les réactifs, mais à la fin de la réaction, une différence fondamentale apparaît entre eux: les réactifs changent de composition chimique, se transformant en produits, et le catalyseur est libéré sous sa forme originale.

Le plus souvent, le rôle d'un catalyseur est d'augmenter la vitesse de la réaction, bien que certains catalyseurs n'accélèrent pas mais ralentissent le processus. Le phénomène d'accélération des réactions chimiques dû à la présence de catalyseurs est appelé catalyse,et décélération - inhibition.

La catalyse est une branche très importante de la chimie et de la technologie chimique. Vous avez appris à connaître certains catalyseurs en étudiant la chimie de l'azote et du soufre. L'enseignant fait preuve d'expérience.

Si un fil de platine préchauffé est placé dans un ballon ouvert contenant une solution aqueuse concentrée d'ammoniaque, il devient chaud et reste dans un état de chaleur rouge pendant une longue période. Mais d'où vient l'énergie pour garder le platine au chaud? Tout est expliqué simplement. En présence de platine, l'ammoniac interagit avec l'oxygène atmosphérique, la réaction est hautement exothermique (Н -900 kJ):

4NH 3 (G) + 5O 2 \u003d 4NO (G) + 6H 2 O (G)

Alors que la réaction initiée au platine se poursuit, la chaleur générée maintient le catalyseur à une température élevée.

Tâches de calcul

1. Dans deux récipients identiques pendant 10 s, nous avons obtenu: dans le premier - 22,4 litres de H 2. Où la vitesse de réaction chimique est-elle la plus élevée? Combien de fois?
2. En 10 s, la concentration de la substance de départ est passée de 1 mol / L. jusqu'à 0,5 mol / l. Calculez la vitesse moyenne de cette réaction.
3. Quel est le coefficient de température de réaction si à t o: 30 o -\u003e 60 o la vitesse de réaction a augmenté de 64 fois?

IV Étape de la leçon - Devoirs

Exercice 1

Combien de fois la vitesse de réaction d'interaction du monoxyde de carbone (II) avec l'oxygène augmentera-t-elle si la concentration des substances initiales est multipliée par trois?

Mission 2

Combien de fois la vitesse d'une réaction chimique augmentera-t-elle lorsque la température augmente de 40 ° C, si le coefficient de température de la vitesse de réaction est de 3?

Mission 3

Théorie (par synopsis)

Liste de références

1. Gorsky M.V. Enseigner les bases de la chimie générale - M.: Education, 1991.
2. Dorofeev A.N., Fedotova M.I. Atelier sur la chimie inorganique. L.: Chimie, 1990.
3. Tretyakov Y., Metlin Y. G. Fondamentaux de la chimie générale. - M.: Éducation, 1985.
4. Ulyanova G.M. Chimie 11e année St. Petersburg "Parity", 2002
5. Makarenya A.A. Répétons la chimie - M.: "Lycée" 1993.
6. Varlamova T.M., Krakova A.I. Général et chimie inorganique: Cours de base. - M.: Rolf, 2000.

Vitesse de réaction chimique - changement de la quantité de l'un des réactifs par unité de temps dans une unité d'espace réactionnel.

Les facteurs suivants influencent la vitesse d'une réaction chimique:

• la nature des réactifs;
• concentration de réactifs;
• surface de contact des réactifs (dans des réactions hétérogènes);
• température;
• l'action des catalyseurs.

Théorie des collisions actives permet d'expliquer l'influence de certains facteurs sur la vitesse d'une réaction chimique. Les principales dispositions de cette théorie:

• Les réactions se produisent lorsque des particules de réactifs entrent en collision, qui ont une certaine énergie.
• Plus il y a de particules de réactif, plus elles sont proches les unes des autres, plus de chances ils doivent faire face et réagir.
• Seules les collisions efficaces conduisent à une réaction, c'est-à-dire de telle sorte que les «anciens liens» sont détruits ou affaiblis et que de «nouveaux» peuvent donc se former. Pour cela, les particules doivent avoir une énergie suffisante.
• L'énergie excédentaire minimale requise pour une collision efficace des particules de réactif est appelée énergie d'activation Еа.
• L'activité des produits chimiques se manifeste par la faible énergie d'activation des réactions avec leur participation. Plus l'énergie d'activation est faible, plus la vitesse de réaction est élevée. Par exemple, dans les réactions entre cations et anions, l'énergie d'activation est très faible, de sorte que ces réactions se déroulent presque instantanément.

Influence de la concentration des réactifs sur la vitesse de réaction

Avec une augmentation de la concentration des réactifs, la vitesse de réaction augmente. Pour réagir, deux particules chimiques doivent se rapprocher, la vitesse de réaction dépend donc du nombre de collisions entre elles. Une augmentation du nombre de particules dans un volume donné conduit à des collisions plus fréquentes et à une augmentation de la vitesse de réaction.

Une augmentation de la vitesse de la réaction se déroulant en phase gazeuse entraînera une augmentation de la pression ou une diminution du volume occupé par le mélange.

Sur la base de données expérimentales en 1867, les scientifiques norvégiens K. Guldberg et P Vaage, et indépendamment d'eux en 1865, le scientifique russe N.I. Beketov a formulé la loi fondamentale de la cinétique chimique, établissant dépendance de la vitesse de réaction de la concentration des réactifs

Loi de l'action de masse (ZDM):

La vitesse d'une réaction chimique est proportionnelle au produit des concentrations des réactifs pris en puissances égales à leurs coefficients dans l'équation de réaction. ("Masse active" est synonyme du concept moderne de "concentration")

aA +bВ \u003dcC +dD,où k- constante de vitesse de réaction

La ZDM n'est effectuée que pour les réactions chimiques élémentaires se déroulant en une seule étape. Si la réaction se déroule séquentiellement en plusieurs étapes, la vitesse totale de l'ensemble du processus est déterminée par sa partie la plus lente.

Expressions pour les vitesses différents types réactions

ZDM fait référence à des réactions homogènes. Si la réaction est hétérogène (les réactifs sont dans différents états d'agrégation), seuls les réactifs liquides ou uniquement gazeux entrent dans l'équation ZDM, et les réactifs solides sont exclus, affectant uniquement la constante de vitesse k.

Molécularité de la réaction Est le nombre minimum de molécules participant à un processus chimique élémentaire. En termes de molécule, les réactions chimiques élémentaires sont divisées en molécules (A →) et bimoléculaires (A + B →); les réactions trimoléculaires sont extrêmement rares.

Taux de réactions hétérogènes

• Dépend de surface de contact des substances, c'est à dire. sur le degré de broyage des substances, l'exhaustivité du mélange des réactifs.
• Un exemple est la combustion du bois. Une bûche entière brûle relativement lentement dans l'air. Si vous augmentez la surface de contact du bois avec l'air, en divisant la bûche en copeaux, la vitesse de combustion augmentera.
• Le fer pyrophorique est versé sur une feuille de papier filtre. Pendant l'automne, les particules de fer chauffent et enflamment le papier.

Effet de la température sur la vitesse de réaction

Au 19ème siècle, le scientifique néerlandais Van't Hoff a découvert expérimentalement que lorsque la température augmente de 10 ° C, les taux de nombreuses réactions augmentent de 2 à 4 fois.

La règle de Van't Hoff

Avec une augmentation de la température tous les 10 ° C, la vitesse de réaction augmente de 2 à 4 fois.

Ici γ (lettre grecque "gamma") - le soi-disant coefficient de température ou coefficient de Van't Hoff, prend des valeurs de 2 à 4.

Pour chaque réaction spécifique, le coefficient de température est déterminé empiriquement. Il montre combien de fois la vitesse d'une réaction chimique donnée (et sa constante de vitesse) augmente chaque fois que la température augmente de 10 degrés.

La règle de Van't Hoff est utilisée pour approximer le changement de la constante de vitesse de réaction avec l'augmentation ou la diminution de la température. Une relation plus précise entre la constante de vitesse et la température a été établie par le chimiste suédois Svante Arrhenius:

Que plus E une réaction spécifique, le moins (à une température donnée) sera la constante de vitesse k (et la vitesse) de cette réaction. Une augmentation de T conduit à une augmentation de la constante de vitesse, qui s'explique par le fait qu'une augmentation de température conduit à une augmentation rapide du nombre de molécules «énergétiques» capables de franchir la barrière d'activation E a.

Effet du catalyseur sur la vitesse de réaction

Il est possible de modifier la vitesse de réaction en utilisant des substances spéciales qui modifient le mécanisme de réaction et le dirigent le long d'un chemin énergétiquement plus favorable avec une énergie d'activation plus faible.

Catalyseurs- ce sont des substances qui participent à une réaction chimique et augmentent sa vitesse, mais après la fin de la réaction, elles restent inchangées qualitativement et quantitativement.

Les inhibiteurs- des substances qui ralentissent les réactions chimiques.

Changer la vitesse d'une réaction chimique ou sa direction à l'aide d'un catalyseur est appelé catalyse .

Certaines réactions chimiques se produisent presque instantanément (explosion d'un mélange oxygène-hydrogène, réactions d'échange d'ions dans une solution aqueuse), la seconde - rapidement (combustion de substances, interaction du zinc avec l'acide), et d'autres encore - lentement (rouille du fer, pourriture de résidus organiques). Ces réactions lentes sont connues qu'une personne ne peut tout simplement pas les remarquer. Par exemple, la transformation du granit en sable et en argile se produit sur des milliers d'années.

En d'autres termes, les réactions chimiques peuvent se dérouler de différentes manières. la vitesse.

mais qu'est-ce que c'est réaction de vitesse? Quel est définition précise valeur donnée et, surtout, son expression mathématique?

La vitesse de réaction est appelée le changement de la quantité d'une substance par unité de temps dans une unité de volume. Mathématiquement, cette expression s'écrit:

Où n 1 et n 2 Est la quantité de substance (mol) aux temps t 1 et t 2, respectivement, dans un système de volume V.

Le signe plus ou moins (±) qui se trouvera devant l'expression de la vitesse dépend du fait que nous examinons le changement de la quantité de substance que nous recherchons - produit ou réactif.

Bien entendu, au cours de la réaction, il se produit une consommation de réactifs, c'est-à-dire que leur quantité diminue, par conséquent, pour les réactifs, l'expression (n 2 - n 1) a toujours une valeur inférieure à zéro. Comme la vitesse ne peut pas être négative, dans ce cas, un signe moins doit être placé avant l'expression.

Si l'on regarde l'évolution de la quantité de produit, et non de réactif, alors le signe moins n'est pas requis avant l'expression pour calculer la vitesse, puisque l'expression (n 2 - n 1) dans ce cas est toujours positive, car la quantité de produit résultant de la réaction ne peut qu'augmenter.

Le rapport de la quantité de substance n au volume dans lequel se trouve cette quantité de substance est appelée concentration molaire AVEC:

Ainsi, en utilisant le concept de concentration molaire et son expression mathématique, vous pouvez écrire une autre version de la détermination de la vitesse de réaction:

La vitesse de réaction est le changement de la concentration molaire d'une substance à la suite d'une réaction chimique en une unité de temps:

Facteurs affectant la vitesse de réaction

Il est souvent extrêmement important de savoir ce qui détermine la vitesse d'une réaction particulière et comment l'influencer. Par exemple, l'industrie du raffinage bat littéralement pour chaque demi-pour cent supplémentaire de produit par unité de temps. En effet, étant donné l'énorme quantité de pétrole raffiné, même un demi pour cent se transforme en un gros bénéfice financier annuel. Dans certains cas, il est extrêmement important de ralentir toute réaction, en particulier la corrosion des métaux.

Alors, qu'est-ce qui détermine la vitesse de réaction? Cela dépend, assez curieusement, de nombreux paramètres différents.

Pour comprendre ce problème, imaginons tout d'abord ce qui se passe à la suite d'une réaction chimique, par exemple:

L'équation ci-dessus reflète le processus dans lequel les molécules des substances A et B, en collision les unes avec les autres, forment des molécules de substances C et D.

Autrement dit, sans aucun doute, pour que la réaction se produise, au moins une collision des molécules des substances initiales est nécessaire. Évidemment, si on augmente le nombre de molécules par unité de volume, le nombre de collisions augmentera de la même manière que la fréquence de vos collisions avec des passagers sur un bus bondé augmente par rapport à un bus à moitié vide.

En d'autres termes, la vitesse de réaction augmente avec une augmentation de la concentration des réactifs.

Dans le cas où l'un des réactifs ou plusieurs à la fois sont des gaz, la vitesse de réaction augmente avec la pression croissante, puisque la pression du gaz est toujours directement proportionnelle à la concentration de ses molécules constitutives.

Néanmoins, la collision des particules est une condition nécessaire, mais pas du tout suffisante pour la réaction. Le fait est que, selon les calculs, le nombre de collisions de molécules de substances réactives à leur concentration raisonnable est si grand que toutes les réactions doivent avoir lieu en un instant. Cependant, dans la pratique, cela ne se produit pas. Quel est le problème?

Le fait est que toutes les collisions de molécules de réactifs ne seront pas nécessairement efficaces. De nombreuses collisions sont élastiques - les molécules rebondissent les unes sur les autres comme des balles. Les molécules doivent avoir une énergie cinétique suffisante pour que la réaction se déroule. L'énergie minimale que les molécules des substances réactives doivent posséder pour que la réaction se déroule est appelée énergie d'activation et est notée E a. Dans un système constitué d'un grand nombre de molécules, il existe une répartition des molécules en énergie, certaines d'entre elles ont une énergie faible, d'autres une énergie élevée et moyenne. De toutes ces molécules, seule une petite fraction des molécules a une énergie qui dépasse l'énergie d'activation.

Comme on le sait par le cours de la physique, la température est en fait une mesure de l'énergie cinétique des particules qui composent la substance. Autrement dit, plus les particules qui composent la substance se déplacent rapidement, plus sa température est élevée. Ainsi, évidemment, en augmentant la température, on augmente essentiellement l'énergie cinétique des molécules, de sorte que la fraction de molécules avec une énergie dépassant E a augmente et leur collision conduira à une réaction chimique.

Le fait de l'effet positif de la température sur la vitesse de réaction a été établi empiriquement par le chimiste néerlandais Van't Hoff au 19ème siècle. Sur la base de ses recherches, il a formulé une règle qui porte toujours son nom, et cela ressemble à ceci:

La vitesse de toute réaction chimique augmente de 2 à 4 fois lorsque la température augmente de 10 degrés.

La représentation mathématique de cette règle s'écrit:

où V 2 et V 1 Est la vitesse aux températures t 2 et t 1, respectivement, et γ est le coefficient de température de la réaction, dont la valeur se situe le plus souvent dans l'intervalle de 2 à 4.

Souvent, la vitesse de nombreuses réactions peut être augmentée en utilisant catalyseurs.

Les catalyseurs sont des substances qui accélèrent le cours de toute réaction et ne sont pas consommées en même temps.

Mais comment les catalyseurs parviennent-ils à augmenter la vitesse de réaction?

Rappelons l'énergie d'activation E a. Les molécules avec une énergie inférieure à l'énergie d'activation en l'absence de catalyseur ne peuvent pas interagir entre elles. Les catalyseurs changent le chemin sur lequel se déroule la réaction, tout comme un guide expérimenté effectuera le parcours de l'expédition non pas directement à travers la montagne, mais en utilisant des chemins de détour, ce qui fait que même les satellites qui n'avaient pas assez d'énergie pour grimper la montagne peut se déplacer d'un autre côté d'elle.

Bien que le catalyseur ne soit pas consommé pendant la réaction, il y prend néanmoins une part active, formant des composés intermédiaires avec des réactifs, mais à la fin de la réaction, il revient à son état d'origine.

En plus des facteurs ci-dessus affectant la vitesse de réaction, s'il existe une interface entre les réactifs (réaction hétérogène), la vitesse de réaction dépendra également de la surface de contact des réactifs. Par exemple, imaginez un granule d'aluminium métallique jeté dans un tube à essai avec solution aqueuse d'acide chlorhydrique. L'aluminium est un métal actif qui peut réagir avec les acides comme non oxydants. Avec l'acide chlorhydrique, l'équation de réaction est la suivante:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

L'aluminium est un solide, ce qui signifie que la réaction avec l'acide chlorhydrique n'a lieu qu'à sa surface. Évidemment, si nous augmentons la surface en roulant d'abord le granule d'aluminium en feuille, nous fournissons ainsi grande quantité atomes d'aluminium disponibles pour la réaction avec l'acide. En conséquence, la vitesse de réaction augmentera. De même, l'augmentation de la surface d'un solide peut être obtenue en le broyant en poudre.

En outre, la vitesse d'une réaction hétérogène, dans laquelle un solide réagit avec une substance gazeuse ou liquide, est souvent affectée positivement par l'agitation, ce qui est dû au fait qu'à la suite de l'agitation, les molécules accumulées des produits de réaction sont éliminées. de la zone de réaction et une nouvelle partie des molécules de réactif est "introduite".

Ce dernier doit également noter l'énorme influence sur la vitesse de la réaction et la nature des réactifs. Par exemple, plus le métal alcalin est bas dans le tableau périodique, plus il réagit rapidement avec l'eau, le fluor parmi tous les halogènes réagit le plus rapidement avec l'hydrogène gazeux, etc.

Pour résumer tout ce qui précède, la vitesse de réaction dépend des facteurs suivants:

1) la concentration de réactifs: plus la vitesse de réaction est élevée.

2) température: avec l'augmentation de la température, la vitesse de toute réaction augmente.

3) la surface de contact des réactifs: plus la surface de contact des réactifs est grande, plus la vitesse de réaction est élevée.

4) sous agitation, si la réaction se produit entre le solide et le liquide ou le gaz, l'agitation peut l'accélérer.

Chimie physique: notes de cours Berezovchuk AV

2. Facteurs affectant la vitesse de la réaction chimique

Pour des réactions homogènes et hétérogènes:

1) la concentration des réactifs;

2) température;

3) catalyseur;

4) inhibiteur.

Pour hétérogène uniquement:

1) le taux d'alimentation en réactifs à l'interface;

2) superficie.

Le facteur principal est la nature des substances réactives - la nature de la liaison entre les atomes dans les molécules réactives.

NO 2 - oxyde nitrique (IV) - queue de renard, CO - monoxyde de carbone, monoxyde de carbone.

S'ils sont oxydés avec de l'oxygène, dans le premier cas, la réaction se déroulera instantanément, il vaut la peine d'ouvrir le bouchon du récipient, dans le second cas, la réaction est prolongée dans le temps.

La concentration des réactifs sera discutée ci-dessous.

L'opalescence bleue indique le moment du dépôt de soufre, plus la concentration est élevée, plus la vitesse est élevée.

Figure: Dix

Plus la concentration de Na 2 S 2 O 3 est élevée, moins la réaction prend de temps. Le graphique (Fig. 10) montre une relation directement proportionnelle. La dépendance quantitative de la vitesse de réaction sur la concentration des substances réactives est exprimée par la ZDM (loi de l'action de masse), qui stipule: la vitesse d'une réaction chimique est directement proportionnelle au produit des concentrations des substances réactives.

Donc, la loi fondamentale de la cinétiqueest une loi empiriquement établie: la vitesse de réaction est proportionnelle à la concentration des substances réactives, exemple: (c'est-à-dire pour la réaction)

Pour cette réaction H 2 + J 2 \u003d 2HJ - le taux peut être exprimé par le changement de concentration de l'une des substances. Si la réaction se déroule de gauche à droite, alors la concentration de H2 et J2 diminuera, la concentration de HJ augmentera au cours de la réaction. Pour le taux de réaction instantané, vous pouvez écrire l'expression:

la concentration est indiquée par des crochets.

Sens physique k–les molécules sont en mouvement continu, se heurtent, se dispersent, heurtent les parois du vaisseau. Pour que la réaction chimique de formation de HJ se produise, les molécules H 2 et J 2 doivent entrer en collision. Le nombre de telles collisions sera d'autant plus grand que le volume contiendra de molécules H 2 et J 2, c'est-à-dire plus les valeurs de [H 2] et de. Mais les molécules se déplacent à des vitesses différentes et l'énergie cinétique totale des deux molécules en collision sera différente. Si les molécules les plus rapides H 2 et J 2 entrent en collision, leur énergie peut être si grande que les molécules se décomposent en atomes d'iode et d'hydrogène, se diffusant puis interagissant avec d'autres molécules H 2 + J 2 ? 2H + 2J, alors ce sera H + J 2 ? HJ + J.Si l'énergie des molécules en collision est inférieure, mais suffisamment élevée pour affaiblir les liaisons H - H et J - J, la réaction de formation d'iodure d'hydrogène se produira:

La plupart des molécules en collision ont moins d'énergie que nécessaire pour affaiblir les liaisons en Н 2 et J 2. De telles molécules entreront en collision "silencieusement" et se disperseront également "silencieusement", restant ce qu'elles étaient, H 2 et J 2. Ainsi, pas toutes, mais seulement une partie des collisions conduisent à une réaction chimique. Le coefficient de proportionnalité (k) montre le nombre de collisions effectives conduisant à la réaction à des concentrations [H 2] \u003d \u003d 1 mol. La quantité k–vitesse constante... Comment la vitesse peut-elle être constante? Oui, la vitesse du mouvement rectiligne uniforme est une valeur vectorielle constante égale au rapport du déplacement du corps sur une période de temps quelconque à la valeur de cet intervalle. Mais les molécules se déplacent de manière chaotique, alors comment la vitesse peut-elle être constante? Mais la vitesse constante ne peut être qu'à température constante. À mesure que la température augmente, la fraction de molécules rapides, dont les collisions conduisent à une réaction, augmente, c'est-à-dire que la constante de vitesse augmente. Mais l'augmentation de la constante de vitesse n'est pas illimitée. A une certaine température, l'énergie des molécules deviendra si grande que pratiquement toutes les collisions des réactifs seront efficaces. Lorsque deux molécules rapides entrent en collision, la réaction opposée se produit.

Il viendra un moment où les taux de formation de 2HJ à partir de H 2 et J 2 et de décomposition seront égaux, mais c'est déjà un équilibre chimique. La dépendance de la vitesse de réaction sur la concentration des substances réactives peut être tracée en utilisant la réaction traditionnelle de l'interaction d'une solution de thiosulfate de sodium avec une solution d'acide sulfurique.

Na 2 S 2 O 3 + H 2 SO 4 \u003d Na 2 SO 4 + H 2 S 2 O 3, (1)

H 2 S 2 O 3 \u003d S? + H 2 O + SO 2?. (2)

La réaction (1) se déroule presque instantanément. La vitesse de réaction (2) à température constante dépend de la concentration du réactif H 2 S 2 O 3. C'est cette réaction que nous avons observée - dans ce cas, la vitesse est mesurée par le temps écoulé depuis le début du drainage des solutions jusqu'à l'apparition de l'opalescence. L'article L. M. Kuznetsova décrit la réaction d'interaction du thiosulfate de sodium avec l'acide chlorhydrique. Elle écrit que lorsque les solutions sont drainées, une opalescence (turbidité) se produit. Mais cette affirmation de L. M. Kuznetsova est erronée, car l'opalescence et la turbidité sont deux choses différentes. Opalescence (de l'opale et du latin escentia- suffixe signifiant action faible) - diffusion de la lumière par les milieux troubles en raison de leur inhomogénéité optique. Diffusion de la lumière- la déviation des rayons lumineux se propageant dans le milieu dans toutes les directions par rapport à la direction d'origine. Les particules colloïdales sont capables de diffuser la lumière (effet Tyndall-Faraday) - ceci explique l'opalescence, la légère turbidité de la solution colloïdale. Lors de la réalisation de cette expérience, il est nécessaire de prendre en compte l'opalescence bleue, puis la coagulation de la suspension colloïdale de soufre. La même densité de la suspension est notée par la disparition apparente de tout motif (par exemple, une grille au fond de la coupelle), observée de dessus à travers la couche de solution. Le temps est compté par un chronomètre à partir du moment de la vidange.

Solutions de Na 2 S 2 O 3 x 5H 2 O et H 2 SO 4.

Le premier est préparé en dissolvant 7,5 g de sel dans 100 ml d'H 2 O, ce qui correspond à une concentration de 0,3 M. Pour préparer une solution de H 2 SO 4 de même concentration, il faut mesurer 1,8 ml de H 2 SO 4 (k), ? = = 1,84 g / cm 3 et dissolvez-le dans 120 ml de H 2 O. Versez la solution préparée de Na 2 S 2 O 3 dans trois verres: dans le premier - 60 ml, dans le second - 30 ml, dans le troisième - 10 ml. Ajouter 30 ml de H 2 O distillée dans le deuxième verre et 50 ml dans le troisième. Ainsi, dans les trois verres, il y aura 60 ml de liquide, mais dans le premier la concentration en sel est classiquement \u003d 1, dans le second - Ѕ et dans le troisième - 1/6. Une fois les solutions préparées, versez 60 ml de solution H 2 SO 4 dans le premier verre contenant une solution saline et allumez le chronomètre, etc. Considérant que la vitesse de réaction diminue avec la dilution de la solution Na 2 S 2 O 3, il peut être déterminé comme une quantité inversement proportionnelle au temps v \u003dun/? et construire un graphique, en traçant la concentration en abscisse et la vitesse de réaction en ordonnée. De là, la conclusion est que la vitesse de réaction dépend de la concentration des substances. Les données obtenues sont répertoriées dans le tableau 3. Cette expérience peut être réalisée à l'aide de burettes, mais cela nécessite beaucoup de pratique de la part de l'interprète, car le calendrier est parfois incorrect.

Tableau 3

Vitesse et temps de réponse

La loi de Guldberg-Waage est confirmée - professeur de chimie Gulderg et jeune scientifique Waage).

Considérez le facteur suivant - la température.

À mesure que la température augmente, la vitesse de la plupart des réactions chimiques augmente. Cette dépendance est décrite par la règle de Van't Hoff: «Avec une augmentation de la température tous les 10 ° C, la vitesse des réactions chimiques augmente de 2 à 4 fois».

où ? – coefficient de température indiquant combien de fois la vitesse de réaction augmente lorsque la température augmente de 10 ° C;

v 1 - vitesse de réaction à température t 1;

v 2 -vitesse de réaction à température t 2.

Par exemple, la réaction à 50 ° С prend deux minutes, combien de temps il faut pour terminer le processus à 70 ° С, si le coefficient de température ? = 2?

t 1 \u003d120 s \u003d 2 minutes; t 1 \u003d50 ° C; t 2 \u003d70 ° C

Même une légère augmentation de la température provoque une forte augmentation de la vitesse de réaction des collisions actives de la molécule. Selon la théorie de l'activation, le processus implique uniquement les molécules dont l'énergie est supérieure à l'énergie moyenne des molécules d'une certaine quantité. Cet excès d'énergie est l'énergie d'activation. Sa signification physique est l'énergie nécessaire aux collisions actives de molécules (réarrangement des orbitales). Le nombre de particules actives, et donc la vitesse de réaction, augmente avec la température de manière exponentielle, selon l'équation d'Arrhenius, qui reflète la dépendance de la constante de vitesse à la température

où ET -coefficient de proportionnalité d'Arrhenius;

k–constante de Boltzmann;

E A -énergie d'activation;

R -constante de gaz;

T–température.

Un catalyseur est une substance qui accélère la vitesse de réaction, qui elle-même n'est pas consommée.

Catalyse- le phénomène de modification de la vitesse de réaction en présence d'un catalyseur. Distinguer catalyse homogène et hétérogène. Homogène- si les réactifs et le catalyseur sont dans le même état d'agrégation. Hétérogène- si les réactifs et le catalyseur sont dans des états d'agrégation différents. Pour la catalyse, voir séparément (plus loin).

Inhibiteur- une substance qui ralentit la vitesse de réaction.

Le facteur suivant est la superficie. Plus la surface du réactif est grande, plus la vitesse est élevée. Considérons par exemple l'effet du degré de dispersion sur la vitesse de réaction.

CaCO 3 - marbre. Trempez le marbre de carreaux dans l'acide chlorhydrique HCl, attendez cinq minutes, il se dissoudra complètement.

Marbre en poudre - nous ferons la même procédure avec lui, il se dissout en trente secondes.

L'équation des deux processus est la même.

CaCO 3 (s) + HCl (g) \u003d CaCl 2 (s) + H 2 O (l) + CO 2 (g) ?.

Ainsi, lors de l'ajout de marbre en poudre, le temps est inférieur à celui de l'ajout de carreaux de marbre, avec la même masse.

Avec une augmentation de l'interface entre les phases, la vitesse des réactions hétérogènes augmente.

2. Équation de l'isotherme d'une réaction chimique Si la réaction est réversible, alors? G \u003d 0. Si la réaction est irréversible, alors? G? 0 et le changement? G peut être calculé. Où? - le déroulement de la réaction - une valeur qui montre combien de moles ont changé pendant la réaction. Je cn - caractérise