Химиялық реакция жылдамдығы тақырыбында ғылыми жұмыс

Химиялық реакцияның жылдамдығы. Химиялық тепе-теңдік

Химиялық реакцияның жылдамдығына әрекеттесуші заттар концентрациясы, температурасы, катализатор әсер етеді.

Тұрақты көлемде жүретін гомогенді процесте белгілі бір уақытта реакция жүретін көлемде әрекеттесетін заттардың мөлшерінің өзгеруін гомогендік реакция жылдамдығы деп атайды.

Бұл анықтаманы мына теңдеумен өрнектеуге болады: v=+∆С/ ∆t, мұндағы"оң" мәні зат концентрациясының (∆С > 0) өзгеруіне жатады, ал "теріс" таңбасы (∆С < 0), реакцияға түсетін заттың концентрациясының өзгеруіне жатады.

Реакцияның жылдамдығы әрекетесетін заттардың табиғатына , олардың концентрациясына, температурасына және жүйеге қатысатын катализаторға тәуелді. Химиялық реакцияның жылдамдығына әрекеттесуші заттардың концентрациясының әсері, әрекеттесуші массалар заңымен анықталады:

Тұрақты температурадағы химиялық реакцияның жылдамдығы әрекетттесуші заттардың концентрацияларының көбейтіндісіне тура пропорционал болады.

А + В2 АВ2 реакция типі үшін әрекетесуші массалар заңы келесі түрде сипатталады:

v=k[A][B2]

Бұл теңдеудегі [A] мен [B2] – реакцияға түскен заттардың концентрациялары, k – реакция жылдамдығының константасы, яғни әрекеттесетін заттардың табиғатына тәуелді болатын пропорционалдық коэффициенті.

А + 2В → АВ2 реакция типі үшін соқтығысу механизмі бойынша жүре алады:

А + В + В → АВ2

Бұл жағдайда, әрекеттесуші массалар заңына сәйкес былай жазуға болады:

v=k[A][B][B], яғни v=k[A][B]2

Бір мезгілден үш бөлшектен астам соқтығысуы екіталай. Сондықтан, реакция теңдеуіне кіретін үлкен санды бөлшектері (мысалы, 4НСІ + О2 → 2СІ2 + 2Н2О) бірнеше сатыда жүреді. Оның әрқайсысы екі бөлшектің нәтижесінде жүзеге асырылады. Мұндай жағдайда әрекеттсуші массалар заңын жеке процесс сатыларына қолданады.

Гетерогендік реакцияларда әрекеттесуші заттар әр түрлі агрегаттық күйде болғандықтан, химиялық процесс көбінесе қатты заттың бетінде жүреді.

мысал. Әрекеттесуші массалар заңының мәнін мына реакциялар үшін жаз: а) 2NO(г) + Cl2(г) à 2NOCl(г)

б) СаСО3 (қ) à СаО(қ) + СО 2 (г)

Шешуі: а) v=k [NO]2[Cl2].

б) v=k, себебі СаСО3 қатты зат, реакция нәтижесінде концентрациясы өзгермейді, яғни белгілі температурада реакция жылдамдығы тұрақты.

2-мысал. 2NO(г) + О2(г) = 2NO(г) реакциясы бойынша реакциялық ыдыстық көлемін үш есе кеміткенде, реакция жылдамдығы қалай өзгереді.

Шешуі: Көлемді өзгерткенге дейін реакция жылдамдығы v=k[NO]2[О2] тең. Ал көлемді үш есе кеміткенде әрекеттесу заттар концентрациясы үш есе өседі. Сондықтан, v/ = k (3[NO]2 ∙[3О2]) = 27 k [NO]2[О2]

Реакция жылдамдығы 27 есе өседі.

Реакция жылдамдығының температураға байланыстылығы келесі теңдеумен беріледі:

Мұндағы, vt және kt – t0C – дағы реакция жылдамдығының жылдамдығы және константасы; vt+10 және vt+10 - (t+10) 0C – дағы өлшемдер.

g - реакция жылдамдығының температуралық коэффициенті, оның мәні көптеген реакциялар үшін 2- 4 аралықта жатады ( Вант – Гофф ережесі).

3-мысал. Реакция жылдамдығының температуралық коэффициенті 2,8 тең. Температураны 200 С – дан 750 С –ға дейін жоғарлатқанда реакция жылдамдығы неше есе артады:

Шешуі. t = t1 – t2 = 75 - 20 = 55 0 С Реакция жылдамдығы 287 есе өседі.

Температураны арттырғанда химиялық реакцияның жылдамдығы артады. Реакция жылдамдығына бөлшектердің соқтығысуларының жалпы саны, әсіресе, активтену энергиясы әсер етеді. Сондықтан реакцияға қатысатын заттардың табиғаты олардың активтену энергиясы мен активтену энтропиясына байланысты болады. Температураның жоғарылауынан активті молекулалар саны тез артады, ол өз тарапынан реакция жылдамдығын жоғарылатады.

Химиялық реакция жүргенде бастапқы заттардың концентрациясы азаяды, әрекетесуші массалар заңына сәйкес бұл реакция жылдамдығын төмендетеді. Қайтымды реакцияда тура реакция мен кері реакцияның жылдамдықтары теңескен күйді химиялық тепе-теңдік дейді.

Қайтымды химиялық реакция жағдайында

А + В → С + Д

әрекеттесетін заттардың концентрациясының тура (υ→) және кері (υ←) реакция жылдамдығына тәуелділігі мына қатынаспен өрнектеледі:

υ→ k→ [А][В];

υ← k← [А][В];

химиялық тепе-теңдік күйінде

υ→ = υ← ,

яғни k→ [А][В] = k← [С]. Бұдан k→/ k← = [С][Д] / [А][В] = К

Мұндағы К – реакцияның тепе –теңдік константасы.

Тепе-теңдік константасына кіретін концентрацияны тепе-теңдік концентрациясы деп атайды. Тепе-теңдік константасы – тұрақты температурадағы реакция өніміндегі теңдік концентрацияларымен бастапқы заттар (бөлімі) арасындағы қатынасты өрнектейтін шама. Тепе-теңдік константасы ұлғайған сайын реакция “терең” жүреді, яғни өнім шығымы артады.

Химиялық реакцияның жалпы жағдайлары химиялық термодинамикада дәлелденеді:

аА + вВ + … → сС + dД + …

Реакцияның тепе-теңдік константасы келесі түрде өрнектеледі:

К =[С]с[Д]d / [А]а[В]в

Гетерогендік реакциялар үшін тепе-теңдік константасы өрнектелуі: қатты заттың бетіндегі негізгі химиялық реакцияның жылдамдығы әрекеттесетін заттардың табиғатына, қатты заттың бетінің көлеміне, температураға, газ және сұйық заттардың коцентрацияларына байланысты болады да, қатты заттың концентрациясына байланысты емес.

Тепе-теңдік константасының мәнін катализатор әсер етпейді, өйткені ол тура және кері реакциялардың активтену энергиясын бірдей төмендетеді, сондықтан тура және кері реакциялар жылдамдығын бірдей өзгертеді. Катализатор реакция жылдамдығын өзгертеді, бірақ реакция нәтижесінде түзілген заттардың құрамына кірмейді.

4-мысал. А (г) + 2В(г) = С(г) жүйесіндегі тепе-теңдік концентрация мәні [А]= 0,06 моль/л , [В] = 0,12 моль/л , [С] = 0,216 моль/л тең. Реакцияның тепе-теңдік константасы және А мен В заттарының алғашқы концентрациясын есепте. Шешуі. Берілген реакция теңдеуі бойынша тепе-теңдік константасы: тең.

Берілген мәндерді орнына қойғанда келесі мән алынады:

К = 0, 216 / 0, 06· (0, 12)2 = 2, 5

А мен В бастапқы заттардың концентрациясын анықтағанда мынаны ескеру қажет: реакция теңдеуіне сәйкес 1моль А мен 2 моль В әрекеттескенде С заты түзіледі. Есептің шарты бойынша жүйедегі әрбір литрде 0,216 моль С заты түзілген сонымен бірге 0,216 моль А мен 0,216 · 2 =0,432 моль В шығымдалған. Сонымен ізделініп отырған бастапқы концентрациялар:

[А]0 = 0,06 + 0,216 = 0,276 моль/л

[В]0 = 0,12 + 0,432 = 0,552 моль/л тең.

Реакцияның жүру бағыты өзгерген жағдайда (температура, қысым, концентрация) тура және кері реакцияның жылдамдығы бірдей өзгермейді және химиялық тепе-теңдік бұзылады. Сыртқы жағдайдың өзгеруіне байланысты химиялық тепе-теңдік бір бағытқа ығысады. Бұл бағыттың ығысуы Ле-Шателье принципіне бағынады:

Тепе-теңдік күйде тұрған жүйенің сыртқы жағдайларының бірі өзгерсе, тепе-теңдік сол өзгеріске қарсы әсер ететін процестің бағытына қарай ығысады.

Жүйенің температурасын жоғарылатса, Ле-Шателье принципі бойынша химиялық тепе-теңдік бұл өзгеріске қарсы әсер ететін бағытта, яғни температураны төмендетіп, эндотермиялық реакцияның бағытына қарай ығысады. Жүйенің қысымын төмендетсе, химиялық тепе-теңдік осы қысмды азайтатын, яғни газдардың көлемдері немесе моль сандары аз заттар түзілетін реакцияның бағытына қарай ығысады. Ле-Шателье принципі бойынша бір заттың концентрациясының көбеюі химиялық тепе-теңдікті сол заттың концентрациясын азайтатын реакцияның бағытына қарай ығысады.

5-мысал. Берілген жүйелерде тепе-теңдік қай бағытта ығысады:

а) СO(г) + Cl2(г) СOCl2(г)

б) Н2(г) + J2(г) 2HJ(г) егер тұрақты температурада газ қоспасының көлемін төмендету арқылы қысымды жоғарылатса, жүйедегі тепе-теңдік қай бағытқа ығысады?

Шешуі. а) Реакцияның тура бағытта жүруі газдардың жалпы моль санын азайтады, яғни жүйеде қысым кемиді. Демек, Ле-Шателье принципі бойынша қысымды жоғарлату тепе-теңдіктің тура реакция бағытына ығысуына әкеледі.

б) Жүйедегі реакцияға қатысқан заттардың көлемдері мен реакция нәтижесінде түзілген көлемдері өзара тең болса, қысымның өзгеруі реакцияның тепе-теңдігіне әсер етпейді. Бұл жағдайда қысымды қалай өзгертсе де химиялық тепе-теңдік бұзылмайды.