Chúng ta thường xuyên đối mặt với các tương tác hóa học khác nhau. Quá trình đốt cháy khí tự nhiên, rỉ sắt, làm chua sữa khác xa với tất cả các quá trình được nghiên cứu chi tiết trong một khóa học hóa học ở trường.
Một số phản ứng diễn ra trong vài giây, trong khi một số tương tác mất vài ngày hoặc vài tuần.
Hãy thử xác định sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ, nồng độ và các yếu tố khác. Trong tiêu chuẩn giáo dục mới, thời lượng học tập tối thiểu được phân bổ cho vấn đề này. Trong các bài kiểm tra của kỳ thi trạng thái thống nhất, có các nhiệm vụ về sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ, nồng độ, và thậm chí cả các nhiệm vụ tính toán được đưa ra. Nhiều học sinh trung học gặp khó khăn nhất định trong việc tìm câu trả lời cho những câu hỏi này, vì vậy chúng tôi sẽ phân tích chi tiết chủ đề này.
Mức độ liên quan của vấn đề đang được xem xét
Thông tin về tốc độ phản ứng có tầm quan trọng rất lớn về mặt thực tế và khoa học. Ví dụ, trong một quá trình sản xuất cụ thể các chất và sản phẩm từ mộtgiá trị phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất của thiết bị, giá vốn.
Phân loại các phản ứng đang diễn ra
Có mối quan hệ trực tiếp giữa trạng thái tập hợp của các thành phần ban đầu và sản phẩm được hình thành trong quá trình hóa học: tương tác không đồng nhất.
Một hệ thống thường được hiểu trong hóa học là một chất hoặc sự kết hợp của chúng.
Hệ đồng nhất là hệ bao gồm một pha (trạng thái tập hợp giống nhau). Ví dụ, chúng ta có thể đề cập đến một hỗn hợp khí, một số chất lỏng khác nhau.
Dị thể là một hệ thống trong đó các chất phản ứng ở dạng khí và chất lỏng, chất rắn và chất khí.
Không chỉ có sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào giai đoạn sử dụng các thành phần tham gia vào tương tác được phân tích.
Một chế phẩm đồng nhất được đặc trưng bởi dòng chảy của quá trình xuyên suốt khối lượng, giúp cải thiện đáng kể chất lượng của nó.
Nếu các chất ban đầu ở trạng thái pha khác nhau, trong trường hợp này, tương tác cực đại quan sát được ở ranh giới pha. Ví dụ, khi một kim loại hoạt động được hòa tan trong axit, sự hình thành sản phẩm (muối) chỉ được quan sát trên bề mặt tiếp xúc của chúng.
Mối quan hệ toán học giữa tốc độ quy trình và các yếu tố khác nhau
Phương trình cho tốc độ của một phản ứng hóa học so với nhiệt độ trông như thế nào? Đối với một quá trình đồng nhất, tỷ lệ được xác định bởi lượngmột chất tương tác hoặc được hình thành trong một phản ứng theo thể tích của hệ trên một đơn vị thời gian.
Đối với quy trình không đồng nhất, tốc độ được xác định thông qua lượng chất phản ứng hoặc tạo ra trong quy trình trên một đơn vị diện tích trong một khoảng thời gian tối thiểu.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học
Bản chất của các chất phản ứng là một trong những lý do giải thích cho tốc độ khác nhau của các quá trình. Ví dụ, các kim loại kiềm tạo kiềm với nước ở nhiệt độ phòng, và quá trình này đi kèm với sự phát triển mãnh liệt của hydro ở dạng khí. Các kim loại quý (vàng, bạch kim, bạc) không có khả năng thực hiện các quá trình như vậy ở nhiệt độ phòng hoặc khi được nung nóng.
Bản chất của các chất phản ứng là một yếu tố được tính đến trong ngành công nghiệp hóa chất để tăng lợi nhuận sản xuất.
Mối quan hệ giữa nồng độ thuốc thử và tốc độ của phản ứng hóa học đã được tiết lộ. Càng lên cao, càng nhiều hạt va chạm, do đó, quá trình này sẽ diễn ra nhanh hơn.
Quy luật tác dụng của khối lượng ở dạng toán học mô tả mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa nồng độ của chất ban đầu và tốc độ của quá trình.
Nó được nhà hóa học người Nga N. N. Beketov đưa ra vào giữa thế kỷ 19. Đối với mỗi quá trình, một hằng số phản ứng được xác định, không liên quan đến nhiệt độ, nồng độ hoặc bản chất của các chất phản ứng.
Tớiđể tăng tốc phản ứng liên quan đến chất rắn, bạn cần nghiền nó thành bột.
Trong trường hợp này, diện tích bề mặt tăng lên, có ảnh hưởng tích cực đến tốc độ của quá trình. Đối với nhiên liệu diesel, một hệ thống phun đặc biệt được sử dụng, do đó, khi nó tiếp xúc với không khí, tốc độ đốt cháy hỗn hợp hydrocacbon tăng lên đáng kể.
Sưởi ấm
Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa học vào nhiệt độ được giải thích bằng thuyết động học phân tử. Nó cho phép bạn tính toán số lần va chạm giữa các phân tử của thuốc thử trong những điều kiện nhất định. Được trang bị những thông tin như vậy, trong điều kiện bình thường, tất cả các quy trình sẽ được tiến hành ngay lập tức.
Nhưng nếu chúng ta xem xét một ví dụ cụ thể về sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ, thì đối với tương tác, trước tiên cần phải phá vỡ các liên kết hóa học giữa các nguyên tử để hình thành các chất mới từ chúng. Điều này đòi hỏi một lượng năng lượng đáng kể. Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ là gì? Năng lượng hoạt hóa quyết định khả năng vỡ của các phân tử, nó đặc trưng cho thực tế của các quá trình. Đơn vị của nó là kJ / mol.
Nếu năng lượng không đủ, va chạm sẽ không hiệu quả, vì vậy nó không kèm theo sự hình thành phân tử mới.
Biểu diễn đồ họa
Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng hóa học vào nhiệt độ có thể được biểu diễn bằng đồ thị. Khi bị đốt nóng, số lượng va chạm giữa các hạt tăng lên, góp phần làm tăng gia tốc tương tác.
Biểu đồ tốc độ phản ứng so với nhiệt độ trông như thế nào? Năng lượng của các phân tử được biểu thị theo chiều ngang, và số lượng các hạt có dự trữ năng lượng cao được biểu thị theo chiều dọc. Biểu đồ là một đường cong có thể được sử dụng để đánh giá tốc độ của một tương tác cụ thể.
Chênh lệch năng lượng so với mức trung bình càng lớn thì điểm của đường cong càng xa điểm cực đại và một tỷ lệ phần trăm nhỏ các phân tử có mức dự trữ năng lượng như vậy.
Các khía cạnh quan trọng
Có thể viết phương trình phụ thuộc của hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ không? Sự gia tăng của nó được phản ánh trong sự gia tăng tốc độ của quá trình. Sự phụ thuộc như vậy được đặc trưng bởi một giá trị nhất định, được gọi là hệ số nhiệt độ của tốc độ quá trình.
Đối với bất kỳ tương tác nào, sự phụ thuộc của hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ đã được tiết lộ. Nếu nó được tăng lên 10 độ, tốc độ quá trình tăng lên 2-4 lần.
Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng đồng thể vào nhiệt độ có thể được biểu diễn dưới dạng toán học.
Đối với hầu hết các tương tác ở nhiệt độ phòng, hệ số nằm trong khoảng từ 2 đến 4. Ví dụ: với hệ số nhiệt độ là 2,9, nhiệt độ tăng 100 độ sẽ đẩy nhanh quá trình lên gần 50.000 lần.
Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ có thể được giải thích dễ dàng bằng các giá trị khác nhau của năng lượng hoạt hóa. Nó có một giá trị tối thiểu trong quá trình ion, chỉ được xác định bởi sự tương tác của các cation và anion. Nhiều thí nghiệm chứng minh sự xuất hiện tức thời của các phản ứng như vậy.
Khi năng lượng hoạt hóa cao, chỉ cần một số lượng nhỏ va chạm giữa các hạt sẽ dẫn đến việc thực hiện tương tác. Với năng lượng kích hoạt trung bình, các chất phản ứng sẽ tương tác với tốc độ trung bình.
Các bài tập về sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ và nhiệt độ chỉ được coi là ở cấp học cao cấp, thường gây khó khăn nghiêm trọng cho trẻ em.
Đo tốc độ của quy trình
Những quá trình đòi hỏi một năng lượng hoạt hóa đáng kể liên quan đến sự phá vỡ hoặc suy yếu ban đầu của các liên kết giữa các nguyên tử trong các chất ban đầu. Trong trường hợp này, chúng chuyển sang một trạng thái trung gian nhất định, được gọi là phức hợp được kích hoạt. Nó là một trạng thái không ổn định, khá nhanh chóng bị phân hủy thành các sản phẩm phản ứng, quá trình này đi kèm với việc giải phóng năng lượng bổ sung.
Ở dạng đơn giản nhất, một phức chất được kích hoạt là một cấu hình của các nguyên tử với các liên kết cũ bị suy yếu.
Chất ức chế và chất xúc tác
Hãy phân tích sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng enzym vào nhiệt độ môi trường. Những chất này hoạt động như chất xúc tiếnquy trình.
Bản thân họ không phải là người tham gia tương tác, số lượng của họ sau khi hoàn thành quy trình vẫn không thay đổi. Nếu chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng, thì ngược lại, chất ức chế sẽ làm chậm quá trình này.
Bản chất của việc này là sự hình thành các hợp chất trung gian, kết quả là sự thay đổi tốc độ của quá trình được quan sát.
Kết
Tương tác hóa học khác nhau xảy ra mỗi phút trên thế giới. Làm thế nào để thiết lập sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ? Phương trình Arrhenius là một giải thích toán học về mối quan hệ giữa hằng số tốc độ và nhiệt độ. Nó đưa ra ý tưởng về các giá trị năng lượng hoạt hóa mà tại đó có thể phá hủy hoặc làm suy yếu liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử, sự phân bố các hạt thành các chất hóa học mới.
Nhờ lý thuyết động học phân tử, có thể dự đoán xác suất tương tác giữa các thành phần ban đầu, để tính toán tốc độ của quá trình. Trong số các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, đặc biệt quan trọng là sự thay đổi chỉ số nhiệt độ, nồng độ phần trăm của các chất tương tác, diện tích bề mặt tiếp xúc, sự có mặt của chất xúc tác (chất ức chế), cũng như bản chất của các thành phần tương tác..
