Химиялық реакциялар жылдамдығы

17-сабақ.
Сыныбы: 10а
Сабақтың тақырыбы: Химиялық реакциялардың жылдамдығы.
Сабақтың мақсаты: химиялық реакцияның жылдамдығы, оған әсер етуші
факторлар әсері Вант – Гофф ережесі бойынша
анықталатынын ескере отырып, есептеулер жүргізу.
Сабақтың типі: Жаңа материалды меңгерту сабағы
Көрнекіліктер: интерактивті тақта, оқулықтар, электронды оқулықтар, т.б.
Химиялық реакциялардың жылдамдығын және олардың жүру механизмін зерттейтін ғылым саласын химиялық кинетика деп атайды. Химиялық реакциялардың жылдамдығы әрекеттесуші заттардың мөлшерінің ішіндегі өзгерісімен сипатталады. Жалпы, реакцияның жылдамдығын сипаттау үшін реакцияға қатысушы заттардың кез-келген біреуін алуға болады. Себебі, олардың барлығы бір-бірімен реакция теңдеуі арқылы стехиометриялық қатынаста байланысқан.
Әдетте бүкіл реакцияларды гомогендік және гетерогендік деп екі топқа бөледі. Гомогендік реакциялар біртекті жүйеде, мысалы, ерітінділерде жүреді. Гетерогендік реакциялар әр түрлі фазаларда тұратын екі текті жүйедегі фазааралық бетте жүреді.
Гомогендік реакциялардың жылдамдығы реакцияға қатынасатын заттардың белгілі бір көлемдегі (V) зат мөлшерінің уақыт бірлігіндегі ( t) өзгерісімен ( ν) сипатталады:
υгом = v / t* V (1)
Ал, мөлшерінің көлемге қатынасы ерітіндінің молярлық концентрациясын сипаттайтын (См) болғандықтан (1) теңдеуін былай жазуға болады:
υгом = С / t (2)
Реакцияға қатысушы заттардың концентрациясы үнемі өзгеріп отыратын болғандықтан практикада көбінесе орташа жылдамдық (υ) сөз болады:
υгом = С / t (3)
(3) формуладағы уақыт өзгерісінің мәні нөлге ұмтылғандағы қатынасының шегі лездік (нағыз) жылдамдықты сипаттайды:
υлездік = lim С / t (4)
t→0
Жалпы, реакцияның жылдамдығын сипаттайтын өрнектің алдында таңбалары қойылады:
υ = ν / S t (5) υ = lim С / t (5)
t→0
Гетерогендік реакциялардың жылдамдығы реакцияға қатысатын заттар фазалық беттің ауданының бірлігіндегі (S) зат мөлшерінің уақыт бірлігіндегі ( t) өзгерісімен ( ν) сипатталады:
υгет = ν / S t немесе υгет = lim ν / S t
t→0
υгет = lim ν / tS
t→0
Химиялық реакцияның жылдамдығы әрекеттесуші заттардың табиғатына, олардың концентрациясына, температураға, қысымға, катализатордың қатынасуына тәуелді.
Алдымен концентрацияның әсерін қарастырайық. Концентрацияның әсері көптеген тәжірибелердің негізінде эмпирикалық түрде тұжырымдалған әрекеттесуші массалар заңымен сипатталады:
Химиялық реакциялардың жылдамдығы сәйкес стехиометриялық коэффициенттер дәрежесінде алынған
әрекеттесуші заттардың концентрацияларына тура пропорционал.
Бұл заңды химиялық кинетиканың негізгі заңы деп атайды.
Мысалы, Н2 + І2 → 2НІ реакциясының жылдамдығын былай өрнектеуге болады:
υ = k [Н2] [І2] немесе υ = k СН2 СІ2 (7)
Мұндағы [Н2] және [І2], сол сияқты СН2 және СІ2, сутек пен йодтардың молярлық концентрациялары, k –
пропорционалдық коэффициент немесе жылдамдық константасы. Оның физикалық мәнін былай түсінуге болады: егер [Н2] = 1 моль/л және [І2] = 1 моль/л болса, онда υ = k. Демек, k әрекеттесуші заттардың концентрацияларының көбейтіндісі моль/л болған кездегі реакция жылдамдығы.
Реакцияның жылдамдығына температураның әсері эмпирикалық Вант – Гофф ережесімен анықталады:
Температураны әрбір 100 көтерген сайын реакцияның жылдамдығы шамамен 2-4 есе артады.
Бұл санды реакцияның температуралық коэффиценті деп атайды және γ (гамма) әрпімен белгілейді. Вант-Гофф
ережесін математикалық түрде былай өрнектейді:
υ(Т2) / υ(Т1) = γ (Т2-Т1) /10
Мұндағы υТ2 және υТ1 реакцияның температурасы Т2 және Т1 кезіндегі жылдамдықтары, γ – реакцияның жылдамдылығының температуралықкоэффициенттері.
1-мысал. N2 + 3H2 → 2NH3 жүйесіндегі тура реакцияның жылдамдығы 100 есе өсу үшін сутектің концентрациясын қанша есе көбейту керек?
Шешуі: Реакцияның жылдамдығының концентрацияға тәуелділігін сипаттайтын әрекеттесуші массалар заңының математикалық өрнегі:
υ = k [N2] [Н2]3
Бұл реакцияның жылдамдығы 100 есе өсу сутектің концентрациясын х есе өсіру керек делік.
υ' = k [N2] [хН2]3= х3k [N2] [Н2]3
Сонда: υ'/υ = х3k [N2] [Н2]3/k [N2] [Н2]3= х3
Демек: х3 = 100 х = 4,64 есе

2-мысал. Температураны 200С-тан 1000С-қа дейін көтергенде реакцияның жылдамдығы қанша есе өседі, егер оның температуралық коэффиценті:
а) γ = 2 болса; б) γ = 3 болса; в) γ = 4 болса; г) γ = 2,5 болса?
Шешуі: Вант-Гофф ережесі бойынша:
υ(Т2) / υ(Т1) = γ (Т2-Т1) /10
Олай болса:
а) υ(Т2) / υ(Т1) = 28 = 2424 = 1616 = 256 есе.
б) υ(Т2) / υ(Т1) = 38 = 3434 = 8181 = 6561 есе.
в) υ(Т2) / υ(Т1) = 48 = 4444 = 65536 есе.
Демек, бөлме температурасында жүрісі байқалмайтын кейбір реакциялардың температурасын 1000-қа дейін көтергенде, олардың тіпті қопарылыс бере жүруі мүмкін.
Ал, осы күндері іс жүзінде 3000С – 4000С температура алудың еш қиындығы жоқ. Демек, белгісіз реакцияны қыздырғанда өте абайлау керек!
д) γ = 2,5. υ(Т2) / υ(Т1) = 2,58 = 1525,8784 1526 есе.

Үйге:
Егер реакцияның температуралық коэффициенті γ = 3 болса, оның жылдамдығын 27 есе арттыру үшін реакцияның температурасын қанша градусқа көтеру керек?
Температуралық коэффициенті екіге тең γ = 2 реакция 800С-та 16 минут уақытта аяқталады. Бұл реакция 600С және 1200С кездерінде қанша уақыт ішінде аяқталады?