Химийн урвалын хурд, түүний өөрчлөлтөд нөлөөлж буй нөхцөл байдлыг судлах нь физик химийн нэг чиглэл болох химийн кинетик юм. Тэрээр мөн эдгээр урвалын механизм, тэдгээрийн термодинамик хүчин төгөлдөр байдлыг авч үздэг. Эдгээр судалгаа нь зөвхөн шинжлэх ухааны зорилгоор төдийгүй бүх төрлийн бодис үйлдвэрлэх реакторын бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн харилцан үйлчлэлийг хянахад чухал ач холбогдолтой.
Хими дэх хурдны тухай ойлголт
Урвалын хурдыг ихэвчлэн нэгж хугацаанд (Δt) урвалд орсон (ΔС) нэгдлүүдийн концентрацийн тодорхой өөрчлөлт гэж нэрлэдэг. Химийн урвалын хурдыг тодорхойлох математикийн томъёо нь дараах байдалтай байна:
ᴠ=±ΔC/Δt.
Урвалын хурдыг нийт эзлэхүүнд (өөрөөр хэлбэл нэг төрлийн урвал) явагдах тохиолдолд моль/л∙с ба моль/м2∙с-ээр хэмжинэ. хэрэв харилцан үйлчлэл нь фазуудыг тусгаарлах гадаргуу дээр явбал (өөрөөр хэлбэл урвал нь нэг төрлийн бус). Томъёоны "-" тэмдэг нь анхны урвалжуудын концентрацийн утгын өөрчлөлтийг, "+" тэмдэг нь ижил урвалын бүтээгдэхүүний концентрацийн өөрчлөлтийн утгыг илэрхийлнэ.
Өөр өөр хурдтай урвалын жишээ
Химийн харилцан үйлчлэл өөр өөр хурдаар явагдана. Тиймээс сталактитын өсөлтийн хурд, өөрөөр хэлбэл кальцийн карбонат үүсэх нь 100 жилд ердөө 0.5 мм байдаг. Зарим биохимийн урвалууд нь фотосинтез, уургийн нийлэгжилт зэрэг удаан явагддаг. Металлын зэврэлт маш бага хурдтай явагддаг.
Нэгээс хэдэн цаг шаардагдах урвал нь дунд хурдаар тодорхойлогддог. Үүний нэг жишээ бол бүтээгдэхүүнд агуулагдах нэгдлүүдийн задрал, хувирал дагалддаг хоол хийх явдал юм. Полимер бүрийг нийлэгжүүлэхэд урвалын хольцыг тодорхой хугацаанд халаах шаардлагатай.
Нүүрстөрөгчийн давхар ислийг ялгаруулж дагалддаг цууны хүчлийн уусмалтай натрийн бикарбонатыг саармагжуулах урвал болох хурд нь нэлээд өндөр химийн урвалын жишээ юм. Мөн барийн нитрат натрийн сульфаттай харилцан үйлчлэлцэж, уусдаггүй барийн сульфатын тунадас ажиглагдаж байгааг дурдаж болно.
Олон тооны урвалууд аянгын хурдаар үргэлжилж, дэлбэрэлт дагалддаг. Сонгодог жишээ бол калийн устай харилцан үйлчлэлцэх явдал юм.
Химийн урвалын хурдад нөлөөлөх хүчин зүйлс
Ижил бодисууд өөр хоорондоо өөр өөр хурдтай урвалд орж болохыг тэмдэглэх нь зүйтэй. Жишээлбэл, хийн хүчилтөрөгч ба устөрөгчийн холимог нь удаан хугацааны туршид харилцан үйлчлэлийн шинж тэмдэггүй байж болно, гэхдээ хэзээсавыг сэгсрэх эсвэл цохих үед урвал нь тэсрэх шинж чанартай болно. Тиймээс химийн кинетик нь химийн урвалын хурдад нөлөөлөх чадвартай тодорхой хүчин зүйлсийг тодорхойлсон. Үүнд:
- харилцаж буй бодисын мөн чанар;
- урвалжийн концентраци;
- температурын өөрчлөлт;
- катализатор байгаа эсэх;
- даралтын өөрчлөлт (хийн бодисын хувьд);
- бодисуудын хүрэлцэх талбай (хэрэв бид нэг төрлийн урвалын тухай ярих юм бол).
Материйн мөн чанарын нөлөө
Химийн урвалын хурдны ийм мэдэгдэхүйц ялгааг өөр өөр идэвхжүүлэх энерги (Eа) тайлбарладаг. Энэ нь молекулын мөргөлдөөний үед урвалд ороход шаардагдах дундаж утгатай харьцуулахад тодорхой хэмжээний илүүдэл энерги гэж ойлгогддог. Энэ нь кЖ / моль-ээр хэмжигддэг бөгөөд утгууд нь ихэвчлэн 50-250 хооронд байдаг.
Хэрэв ямар нэгэн урвалын хувьд Ea=150 кЖ/моль бол n үед гэж ерөнхийд нь хүлээн зөвшөөрдөг. y. энэ нь бараг урсдаггүй. Энэ энерги нь бодисын молекулуудын хоорондох түлхэлтийг даван туулах, анхны бодисуудын холбоог сулруулахад зарцуулагддаг. Өөрөөр хэлбэл идэвхжүүлэх энерги нь бодис дахь химийн бондын бат бөх чанарыг тодорхойлдог. Идэвхжүүлэх энергийн утгаар та химийн урвалын хурдыг урьдчилан тооцоолж болно:
- Ea<
- 40<Ea<120, дундаж гэж тооцсонурвал, учир нь молекулуудын мөргөлдөөний тал нь л үр дүнтэй байх болно (жишээлбэл, цайрын давсны хүчилтэй урвалд орох);
- Ea>120, бөөмийн мөргөлдөөний маш өчүүхэн хэсэг нь урвалд хүргэх бөгөөд хурд нь бага байх болно.
Төвлөрөлд үзүүлэх нөлөө
Урвалын хурд нь концентрацаас хамаарах хамаарлыг массын үйл ажиллагааны хуулиар (LMA) хамгийн зөв тодорхойлдог бөгөөд үүнд:
Химийн урвалын хурд нь урвалд орж буй бодисын концентрацийн бүтээгдэхүүнтэй шууд пропорциональ бөгөөд тэдгээрийн утгыг стехиометрийн коэффициенттэй нь харгалзах чадвараар авдаг.
Энэ хууль нь нэг үе шаттай энгийн урвал эсвэл нарийн төвөгтэй механизмаар тодорхойлогддог бодисын харилцан үйлчлэлийн аль ч үе шатанд тохиромжтой.
Хэрэв та химийн урвалын хурдыг тодорхойлохыг хүсвэл тэгшитгэлийг дараах байдлаар бичиж болно:
αА+ bB=ϲС, тэгвэл, хуулийн дээрх томъёололын дагуу хурдыг тэгшитгэлээр олж болно:
V=k·[A]a·[B]b, хаана
a ба b нь стехиометрийн коэффициент, [A] ба [B] – эхлэлийн нэгдлүүдийн концентраци, k нь авч үзэж буй урвалын хурдны тогтмол хэмжээ юм.
Химийн урвалын хурдны коэффициентийн утга нь нэгдлүүдийн концентраци нэгжтэй тэнцүү бол түүний утга хурдтай тэнцүү байна. Энэ томъёоны дагуу зөв тооцоолохын тулд урвалжуудын нэгдсэн төлөвийг харгалзан үзэх шаардлагатай гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Хатуу концентрацибодисыг нэгдмэл байдлаар авч, урвалын явцад тогтмол хэвээр байгаа тул тэгшитгэлд оруулаагүй болно. Тиймээс МДМ-ийн дагуу тооцоонд зөвхөн шингэн ба хийн бодисын агууламжийг оруулсан болно. Тиймээс энгийн бодисоос цахиурын давхар ислийг олж авах урвалын хувьд
тэгшитгэлээр тайлбарлав.
Si(tv)+ Ο2(g)=SiΟ2(tv), хурдыг дараах томъёогоор тодорхойлно:
V=k·[Ο2].
Ердийн даалгавар
Хэрэв эхлэлийн нэгдлүүдийн концентрацийг хоёр дахин нэмэгдүүлсэн бол азотын дутуу ислийн хүчилтөрөгчтэй химийн урвалын хурд хэрхэн өөрчлөгдөх вэ?
Шийдэл: Энэ процесс нь урвалын тэгшитгэлтэй тохирч байна:
2ΝΟ + Ο2=2ΝΟ2.
Эхний (ᴠ1) болон эцсийн (ᴠ2) урвалын хурдны илэрхийллийг бичнэ үү:
ᴠ1=k·[ΝΟ]2·[Ο2] болон
ᴠ2=k·(2·[ΝΟ])2·2·[Ο2]=k 4[ΝΟ]2 2[Ο2].
Дараа нь зүүн болон баруун хэсгийг салга:
ᴠ1/ᴠ2 =(k 4[ΝΟ]2 2[Ο2]) / (k·[ΝΟ]2·[Ο2]).
Баяжуулалтын утгууд болон хурдны тогтмолууд багасч:
ᴠ2/ᴠ1 =4 2/1=8.
Хариулт: 8 дахин нэмэгдсэн.
Температурын нөлөө
Химийн урвалын хурдын хамааралТемпературыг Голландын эрдэмтэн Ж. Х. Вант Хофф эмпирик байдлаар тогтоосон. Температурын 10 градус тутамд олон урвалын хурд 2-4 дахин нэмэгддэг болохыг тэрээр олж мэдэв. Энэ дүрмийн математик илэрхийлэл байгаа бөгөөд энэ нь:
ᴠ2 =ᴠ1 γ(Τ2-Τ1)/10, хаана
ᴠ1 ба ᴠ2 нь Τ1 ба Τ температурт харгалзах хурд юм.2;
γ - температурын коэффициент, 2–4-тэй тэнцүү.
Үүний зэрэгцээ энэ дүрэм нь тодорхой урвалын хурдны утгад температурын нөлөөллийн механизмыг тайлбарлаагүй бөгөөд бүхэл бүтэн хэв маягийг тайлбарлаагүй болно. Температур нэмэгдэхийн хэрээр бөөмсийн эмх замбараагүй хөдөлгөөн нэмэгдэж, энэ нь тэдний мөргөлдөөнийг улам ихээр өдөөж байна гэж дүгнэх нь логик юм. Гэсэн хэдий ч энэ нь молекулын мөргөлдөөний үр ашигт онцгой нөлөө үзүүлэхгүй, учир нь энэ нь идэвхжүүлэх энергиээс ихээхэн хамаардаг. Мөн бөөмсийн мөргөлдөөний үр ашигт тэдний орон зайн харилцан уялдаа холбоо чухал үүрэг гүйцэтгэдэг.
Химийн урвалын хурдыг температураас хамаарал нь урвалд орох бодисын шинж чанарыг харгалзан үзэхэд Аррениусын тэгшитгэлд захирагдана:
k=A0 e-Еа/RΤ, хаана
Ao – үржүүлэгч;
Eа – идэвхжүүлэх энерги.
Van't Hoff хуулийн асуудлын жишээ
Температурын коэффициент нь тоогоор 3-тай тэнцүү химийн урвалын хурдыг 27 дахин нэмэгдүүлэхийн тулд температурыг хэрхэн өөрчлөх ёстой вэ?
Шийдвэр.
томъёог ашиглацгаая
ᴠ2 =ᴠ1 γ(Τ2-Τ1)/10.
Нөхцөлөөс ᴠ2/ᴠ1 =27, γ=3. Та ΔΤ=Τ-г олох хэрэгтэй.2–Τ1.
Анхны томьёог өөрчилснөөр бид дараахыг авна:
V2/V1=γΔΤ/10.
Орлуулах утга: 27=3ΔΤ/10.
Эндээс ΔΤ/10=3 ба ΔΤ=30 болох нь ойлгомжтой.
Хариулт: температурыг 30 градусаар нэмэгдүүлэх шаардлагатай.
Катализаторын нөлөө
Физик химийн хувьд химийн урвалын хурдыг мөн катализ хэмээх хэсэг идэвхтэй судалдаг. Харьцангуй бага хэмжээний тодорхой бодисууд нь бусад хүмүүсийн харилцан үйлчлэлийн хурдыг хэрхэн, яагаад ихээхэн нэмэгдүүлдэгийг тэрээр сонирхож байна. Урвалыг хурдасгах чадвартай боловч өөрөө хэрэглэдэггүй бодисыг катализатор гэж нэрлэдэг.
Катализатор нь химийн харилцан үйлчлэлийн механизмыг өөрөө өөрчилдөг, эрчим хүчний саад тотгор багатай байдаг шилжилтийн шинэ төлөвийг бий болгоход хувь нэмэр оруулдаг нь батлагдсан. Өөрөөр хэлбэл, тэдгээр нь идэвхжүүлэлтийн энергийг бууруулж, улмаар бөөмийн үр дүнтэй нөлөөллийн тоог нэмэгдүүлэхэд хувь нэмэр оруулдаг. Катализатор нь энергийн хувьд боломжгүй урвал үүсгэж чадахгүй.
Тиймээс устөрөгчийн хэт исэл задарч хүчилтөрөгч, ус үүсгэдэг:
N2Ο2=N2Ο + Ο 2.
Гэхдээ энэ урвал маш удаан бөгөөд манай эмийн санд өөрчлөгдөөгүй байдаг.нэлээд удаан хугацаанд үзэх. Зөвхөн маш хуучин хэт ислийн шилийг онгойлгоход та хөлөг онгоцны хананд хүчилтөрөгчийн даралтаас үүссэн жижиг попыг харж болно. Цөөн хэдэн ширхэг магнийн исэл нэмбэл идэвхтэй хийн ялгаралтыг өдөөх болно.
Ижил ислийн задралын урвал, гэхдээ каталазын нөлөөн дор шархыг эмчлэхэд тохиолддог. Амьд организмд биохимийн урвалын хурдыг нэмэгдүүлдэг олон төрлийн бодисууд байдаг. Тэдгээрийг фермент гэж нэрлэдэг.
Дарангуйлагч нь урвалын явцад эсрэгээр нөлөөлдөг. Гэсэн хэдий ч энэ нь үргэлж муу биш юм. Дарангуйлагчийг металл бүтээгдэхүүнийг зэврэлтээс хамгаалах, хүнсний бүтээгдэхүүний хадгалах хугацааг уртасгах, жишээлбэл, өөх тосыг исэлдүүлэхээс сэргийлэх зорилгоор ашигладаг.
Бодистой холбоо барих хэсэг
Өөр өөр агрегат төлөвтэй нэгдлүүд эсвэл нэгэн төрлийн орчин (үл холилдох шингэн) үүсгэх чадваргүй бодисуудын хооронд харилцан үйлчлэл үүссэн тохиолдолд энэ хүчин зүйл нь химийн урвалын хурдад ихээхэн нөлөөлдөг. Энэ нь харилцан үйлчлэлцэж буй бодисын фазуудын хоорондох интерфэйс дээр гетероген урвалууд шууд явагддагтай холбоотой юм. Мэдээжийн хэрэг, энэ хил хязгаар хэдий чинээ өргөн байна төдий чинээ олон тоосонцор мөргөлдөх боломжтой бөгөөд хариу үйлдэл нь хурдан болно.
Жишээлбэл, жижиг чипс хэлбэртэй мод дүнз хэлбэртэй модноос хамаагүй хурдан шатдаг. Үүнтэй ижил зорилгоор олон хатуу бодисыг уусмалд нэмэхийн өмнө нарийн нунтаг болгон нунтаглана. Тиймээс нунтаг шохой (кальцийн карбонат) нь давсны хүчилтэй илүү хурдан ажилладаг.ижил масстай хэсгээс илүү. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь талбайг нэмэгдүүлэхээс гадна бодисын талст торыг эмх замбараагүй эвдэхэд хүргэдэг бөгөөд энэ нь бөөмсийн урвалыг нэмэгдүүлдэг гэсэн үг юм.
Математикийн хувьд гетероген химийн урвалын хурдыг нэгж гадаргууд нэгж хугацаанд (Δt) үүсэх бодисын хэмжээ (Δν)-ийн өөрчлөлтөөр олно
(S): V=Δν/(S Δt).
Даралтын нөлөө
Систем дэх даралтын өөрчлөлт нь урвалд хий оролцох үед л нөлөөлнө. Даралтын өсөлт нь нэгж эзэлхүүн дэх бодисын молекулын өсөлт дагалддаг, өөрөөр хэлбэл түүний концентраци пропорциональ хэмжээгээр нэмэгддэг. Үүний эсрэгээр даралтын бууралт нь урвалжийн концентрацийг тэнцүү хэмжээгээр бууруулахад хүргэдэг. Энэ тохиолдолд ZDM-д тохирох томъёо нь химийн урвалын хурдыг тооцоолоход тохиромжтой.
Даалгавар.
тэгшитгэлээр тодорхойлсон урвалын хурд ямар байх вэ
2ΝΟ + Ο2=2ΝΟ2, хэрэв хаалттай системийн эзлэхүүн гурав дахин багасвал (T=const)?
Шийдвэр. Эзлэхүүн буурах тусам даралт нь пропорциональ хэмжээгээр нэмэгддэг. Эхний (V1) ба эцсийн (V2) урвалын хурдны илэрхийллүүдийг бичье:
V1 =k·[NΟ]2·[Ο2] болон
V2 =k·(3·[NΟ])2 3·[Ο2]=k 9[ΝΟ]2 3[Ο2].
Шинэ хурд хэд дахин их болохыг олохын тулдЭхлээд та илэрхийллийн зүүн ба баруун хэсгийг салгах хэрэгтэй:
V1/V2 =(k 9[ΝΟ]2· 3 [Ο2]) / (k·[ΝΟ]2·[Ο2]).
Баяжуулалтын утгууд болон хурдны тогтмолууд багасч:
V2/V1 =9 3/1=27.
Хариулт: хурд 27 дахин нэмэгдсэн.
Дүгнэж хэлэхэд, бодисын харилцан үйлчлэлийн хурд, эс тэгвээс тэдгээрийн бөөмсийн мөргөлдөх тоо, чанар нь олон хүчин зүйлээс хамаардаг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Юуны өмнө энэ нь идэвхжүүлэх энерги ба молекулуудын геометрийг засах нь бараг боломжгүй юм. Бусад нөхцлийн хувьд урвалын хурдыг нэмэгдүүлэхийн тулд:
- урвалын орчны температурыг нэмэгдүүлэх;
- эхлэх нэгдлүүдийн концентрацийг нэмэгдүүлэх;
- хийх үед систем дэх даралтыг нэмэгдүүлэх эсвэл эзлэхүүнийг багасгах;
- ижил төстэй бодисыг нэгтгэх нэг төлөвт (жишээ нь, усанд уусгах) авчрах эсвэл тэдгээрийн хүрэх талбайг нэмэгдүүлэх.
