7.1. Réactions homogènes et hétérogènes

Les substances chimiques peuvent être dans différents états d'agrégation, tandis que leurs propriétés chimiques dans différents états sont les mêmes, mais leur activité est différente (ce qui a été montré dans la dernière leçon en utilisant l'exemple de l'effet thermique d'une réaction chimique).

Considérons diverses combinaisons d'états d'agrégation dans lesquelles deux substances A et B peuvent exister.

Une phase est une région d'un système chimique au sein de laquelle toutes les propriétés du système sont constantes (identiques) ou changent continuellement d'un point à l'autre. Chacun des solides est une phase distincte, et il existe également des phases solution et gazeuse.

Appelé homogène système chimique, dans lequel toutes les substances sont en une seule phase (en solution ou en gaz). S'il y a plusieurs phases, alors le système est appelé

hétérogène.

Respectivement réaction chimique dit homogène si les réactifs sont dans la même phase. Si les réactifs sont dans des phases différentes, alors réaction chimique dit hétérogène.

Il n'est pas difficile de comprendre que puisque le contact des réactifs est nécessaire pour qu'une réaction chimique se produise, une réaction homogène se produit simultanément dans tout le volume d'une solution ou d'un récipient de réaction, tandis qu'une réaction hétérogène se produit à une frontière étroite entre les phases - au niveau interface. Ainsi, en théorie purement, une réaction homogène se produit plus rapidement qu’une réaction hétérogène.

Nous arrivons ainsi au concept vitesse de réaction chimique.

La vitesse d'une réaction chimique. Loi de l'action de masse. Bilan chimique.

7.2. Taux de réaction chimique

La branche de la chimie qui étudie les vitesses et les mécanismes des réactions chimiques est une branche de la chimie physique et s'appelle cinétique chimique.

Vitesse de réaction chimique est la variation de la quantité d'une substance par unité de temps par unité de volume du système réactionnel (pour une réaction homogène) ou par unité de surface (pour une réaction hétérogène).

Le rapport entre une modification de la quantité d'une substance et le volume du système peut être interprété comme une modification de la concentration d'une substance donnée.

Notez que pour les réactifs, l'expression de la vitesse d'une réaction chimique s'écrit avec un signe moins, car la concentration des réactifs diminue et la vitesse de la réaction chimique est en fait une valeur positive.

D'autres conclusions sont basées sur des considérations physiques simples qui considèrent une réaction chimique comme une conséquence de l'interaction de plusieurs particules.

Élémentaire (ou simple) est une réaction chimique qui se produit en une seule étape. S'il y a plusieurs étapes, ces réactions sont appelées réactions complexes, composites ou grossières.

En 1867, il a été proposé de décrire la vitesse d'une réaction chimique loi de l'action de masse: la vitesse d'une réaction chimique élémentaire est proportionnelle aux concentrations de réactifs en puissances de coefficients stoechiométriques.n A + m B P,

A, B – réactifs, P – produits, n, m – coefficients.

W = k n m

Le coefficient k est appelé constante de vitesse d'une réaction chimique,

caractérise la nature des particules en interaction et ne dépend pas de la concentration des particules.

La vitesse d'une réaction chimique. Loi de l'action de masse. Bilan chimique. Les quantités n et m sont appelées ordre de réaction par substance A et B respectivement, et

leur somme (n + m) – ordre de réaction.

Pour les réactions élémentaires, l'ordre des réactions peut être 1, 2 et 3.

Les réactions élémentaires d'ordre 1 sont appelées monomoléculaires, d'ordre 2 - bimoléculaires, d'ordre 3 - trimoléculaires, en fonction du nombre de molécules impliquées. Les réactions élémentaires au-dessus du troisième ordre sont inconnues - les calculs montrent que la rencontre simultanée de quatre molécules en un point est un événement trop incroyable.

Puisqu'une réaction complexe consiste en une certaine séquence de réactions élémentaires, sa vitesse peut être exprimée en termes de vitesse des étapes individuelles de la réaction. Par conséquent, pour les réactions complexes, l'ordre peut être quelconque, y compris fractionnaire ou nul (l'ordre zéro d'une réaction indique que la réaction se produit à un taux constant et ne dépend pas de la concentration des particules en réaction W = k).

L’étape la plus lente d’un processus complexe est généralement appelée étape de limitation du débit.

Imaginez qu'un grand nombre de molécules entrent dans une salle de cinéma gratuite, mais qu'il y ait un inspecteur à l'entrée qui vérifie l'âge de chaque molécule. Ainsi, un flux de matière entre dans les portes du cinéma et les molécules entrent dans la salle de cinéma une à la fois, c'est-à-dire Tellement lent.

Des exemples de réactions élémentaires du premier ordre sont les processus de désintégration thermique ou radioactive ; par conséquent, la constante de vitesse k caractérise soit la probabilité de rupture d'une liaison chimique, soit la probabilité de désintégration par unité de temps.

Il existe de nombreux exemples de réactions élémentaires du second ordre - c'est la méthode de réaction la plus familière pour nous - la particule A est entrée en collision avec la particule B, une sorte de transformation s'est produite et quelque chose s'est passé là-bas (notez que les produits en théorie n'affectent rien - toute l'attention est portée uniquement aux particules en réaction).

Au contraire, il existe de nombreuses réactions élémentaires du troisième ordre, car il est assez rare que trois particules se rencontrent simultanément.

À titre d’illustration, regardons le pouvoir prédictif de la cinétique chimique.

La vitesse d'une réaction chimique. Loi de l'action de masse. Bilan chimique.

Équation cinétique du premier ordre

(matériel supplémentaire illustratif)

Considérons une réaction homogène du premier ordre dont la constante de vitesse est égale à k, la concentration initiale de la substance A est égale à [A]0.

Pour les besoins de notre cours, cette conclusion est à titre informatif afin de vous démontrer l'utilisation d'appareils mathématiques pour calculer la progression d'une réaction chimique. Par conséquent, un chimiste compétent ne peut que connaître les mathématiques. Apprenez les mathématiques !

La vitesse d'une réaction chimique. Loi de l'action de masse. Bilan chimique. Un graphique de la concentration des réactifs et des produits en fonction du temps peut être représenté qualitativement comme suit (en utilisant l'exemple d'une réaction irréversible du premier ordre)

Facteurs qui affectent la vitesse de réaction

1. Nature des réactifs

Par exemple, la vitesse de réaction des substances suivantes : H2 SO4, CH3 COOH, H2 S, CH3 OH - avec un ion hydroxyde variera en fonction de la force de la liaison H-O. Pour évaluer la force d'une liaison donnée, vous pouvez utiliser la charge relative positive sur l'atome d'hydrogène : plus la charge est grande, plus la réaction sera facile.

2. Température

L'expérience de la vie nous apprend que la vitesse de réaction dépend de la température et augmente avec l'augmentation de la température. Par exemple, le processus d’acidification du lait se produit plus rapidement à température ambiante qu’au réfrigérateur.

Passons à l'expression mathématique de la loi de l'action de masse.

W = k n m

Puisque le côté gauche de cette expression (vitesse de réaction) dépend de la température, le côté droit de l’expression dépend également de la température. Dans ce cas, la concentration ne dépend bien entendu pas de la température : par exemple, le lait conserve sa teneur en matières grasses de 2,5 % aussi bien au réfrigérateur qu'à température ambiante. Alors, comme le disait Sherlock Holmes, la solution restante est la bonne, aussi étrange que cela puisse paraître : la constante de vitesse dépend de la température !

La vitesse d'une réaction chimique. Loi de l'action de masse. Bilan chimique. La dépendance de la constante de vitesse de réaction sur la température est exprimée à l'aide de l'équation d'Arrhenius :

− Chaque

k = k0 eRT,

dans lequel

R = 8,314 J mol-1 K-1 – constante universelle des gaz,

E a est l'énergie d'activation de la réaction (voir ci-dessous), elle est classiquement considérée comme indépendante de la température ;

k 0 est le facteur pré-exponentiel (c'est-à-dire le facteur qui précède l'exponentielle), dont la valeur est également quasiment indépendante de la température et est déterminée tout d'abord par l'ordre de la réaction.

Ainsi, la valeur de k0 est d'environ 1013 s-1 pour une réaction du premier ordre, 10 -10 l mol-1 s-1 pour une réaction du second ordre,

pour une réaction du troisième ordre – 10 -33 l2 mol-2 s-1. Il n'est pas nécessaire de mémoriser ces valeurs.

Les valeurs exactes de k0 pour chaque réaction sont déterminées expérimentalement.

Le concept d’énergie d’activation ressort clairement de la figure suivante. En fait, l’énergie d’activation est l’énergie qu’une particule en réaction doit posséder pour qu’une réaction se produise.

De plus, si on chauffe le système, alors l'énergie des particules augmente (graphique en pointillés), tandis que l'état de transition (≠) reste au même niveau. La différence d'énergie entre l'état de transition et les réactifs (énergie d'activation) diminue et la vitesse de réaction selon l'équation d'Arrhenius augmente.

La vitesse d'une réaction chimique. Loi de l'action de masse. Bilan chimique. En plus de l'équation d'Arrhenius, il existe l'équation de Van't Hoff, qui

caractérise la dépendance de la vitesse de réaction à la température à travers le coefficient de température γ :

Le coefficient de température γ montre combien de fois la vitesse d'une réaction chimique augmentera lorsque la température change de 10°.

Équation de Van't Hoff :

T 2− T 1

W (T 2 )= W (T 1 )× γ10

Généralement, le coefficient γ est compris entre 2 et 4. Pour cette raison, les chimistes utilisent souvent l'approximation selon laquelle une augmentation de la température de 20 °C entraîne une augmentation de la vitesse de réaction d'un ordre de grandeur (c'est-à-dire 10 fois).

Définissons le concept de base de la cinétique chimique - la vitesse d'une réaction chimique :

La vitesse d'une réaction chimique est le nombre d'actes élémentaires d'une réaction chimique se produisant par unité de temps par unité de volume (pour les réactions homogènes) ou par unité de surface (pour les réactions hétérogènes).

La vitesse d'une réaction chimique est la variation de la concentration des réactifs par unité de temps.

La première définition est la plus restrictive ; Il en résulte que la vitesse d'une réaction chimique peut également être exprimée comme un changement dans le temps de tout paramètre de l'état du système, en fonction du nombre de particules de toute substance réagissante, par unité de volume ou de surface - conductivité électrique, densité optique, constante diélectrique, etc. et ainsi de suite. Cependant, le plus souvent en chimie, on considère la dépendance de la concentration des réactifs en fonction du temps. Dans le cas de réactions chimiques unidirectionnelles (irréversibles) (ci-après, seules les réactions unidirectionnelles sont considérées), il est évident que les concentrations des substances de départ diminuent constamment au fil du temps (ΔC en< 0), а концентрации продуктов реакции увеличиваются (ΔС прод >0). La vitesse de réaction est considérée comme positive, donc la définition mathématique vitesse de réaction moyenne dans l'intervalle de temps Δt s'écrit :

(II.1)

À différents intervalles de temps, la vitesse moyenne d'une réaction chimique a des valeurs différentes ; taux de réaction réel (instantané) est défini comme la dérivée de la concentration par rapport au temps :

(II.2)

Il existe une représentation graphique de la dépendance de la concentration des réactifs en fonction du temps courbe cinétique (Figure 2.1).

Riz. 2.1 Courbes cinétiques des substances de départ (A) et des produits de réaction (B).

La véritable vitesse de réaction peut être déterminée graphiquement en traçant une tangente à la courbe cinétique (Fig. 2.2) ; la vraie vitesse de réaction à un instant donné est égale en valeur absolue à la tangente de l'angle tangent :

Riz. 2.2 Définition graphique de la source V.

(II.3)

Il convient de noter que si les coefficients stœchiométriques dans l'équation d'une réaction chimique ne sont pas les mêmes, l'ampleur de la vitesse de réaction dépendra de la modification de la concentration du réactif déterminé. Évidemment, dans la réaction

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

les concentrations d'hydrogène, d'oxygène et d'eau évoluent à des degrés divers :

ΔC(H 2) = ΔC(H 2 O) = 2 ΔC(O 2).

La vitesse d'une réaction chimique dépend de nombreux facteurs : la nature des réactifs, leur concentration, la température, la nature du solvant, etc.

L'une des tâches de la cinétique chimique est de déterminer à tout moment la composition du mélange réactionnel (c'est-à-dire les concentrations de tous les réactifs), pour laquelle il est nécessaire de connaître la dépendance de la vitesse de réaction sur les concentrations. En général, plus la concentration des réactifs est élevée, plus la vitesse de la réaction chimique est élevée. La cinétique chimique est basée sur ce qu'on appelle. postulat de base de la cinétique chimique:

La vitesse d'une réaction chimique est directement proportionnelle au produit des concentrations des substances en réaction, ramenées à certaines puissances.

Autrement dit, pour la réaction

AA + bB + dD + ... → eE + ...

Vous pouvez écrire

(II.4)

Le coefficient de proportionnalité k est constante de vitesse de réaction chimique. La constante de vitesse est numériquement égale à la vitesse de réaction à des concentrations de tous les réactifs égales à 1 mol/l.

La dépendance de la vitesse de réaction sur les concentrations des réactifs est déterminée expérimentalement et est appelée équation cinétique réaction chimique. Évidemment, pour écrire l’équation cinétique, il est nécessaire de déterminer expérimentalement la valeur de la constante de vitesse et des exposants aux concentrations des substances en réaction. L'exposant de la concentration de chacun des réactifs dans l'équation cinétique d'une réaction chimique (dans l'équation (II.4) x, y et z, respectivement) est ordre de réaction privé pour ce composant. La somme des exposants de l'équation cinétique d'une réaction chimique (x + y + z) est ordre général de réaction . Il convient de souligner que l'ordre de réaction est déterminé uniquement à partir de données expérimentales et n'est pas lié aux coefficients stoechiométriques des réactifs dans l'équation de réaction. L'équation stoechiométrique d'une réaction est une équation de bilan matière et ne peut en aucun cas déterminer la nature de l'évolution de cette réaction dans le temps.

En cinétique chimique, il est d'usage de classer les réactions en fonction de l'ampleur de l'ordre global de la réaction. Considérons la dépendance de la concentration des réactifs en fonction du temps pour des réactions irréversibles (unilatérales) de zéro, premier et deuxième ordres.

La vitesse d'une réaction chimique s'entend comme la modification de la concentration de l'une des substances réagissantes par unité de temps avec un volume constant du système.

Généralement, la concentration est exprimée en mol/l et la durée en secondes ou minutes. Si, par exemple, la concentration initiale de l'un des réactifs était de 1 mol/l, et 4 s après le début de la réaction, elle est devenue 0,6 mol/l, alors la vitesse de réaction moyenne sera égale à (1-0,6) /4=0, 1 mol/(l*s).

La vitesse de réaction moyenne est calculée par la formule :

La vitesse d’une réaction chimique dépend :

La nature des substances qui réagissent.

Les substances ayant une liaison polaire dans les solutions interagissent plus rapidement, cela s'explique par le fait que ces substances forment des ions dans des solutions qui interagissent facilement les unes avec les autres.

Les substances ayant des liaisons covalentes non polaires et faiblement polaires réagissent à des vitesses différentes, cela dépend de leur activité chimique.

H 2 + F 2 = 2HF (va très vite avec une explosion à température ambiante)

H 2 + Br 2 = 2HBr (va lentement, même lorsqu'il est chauffé)

Valeurs de contact superficiel des substances réactives (pour hétérogènes)

Concentrations de réactifs

La vitesse de réaction est directement proportionnelle au produit de la concentration des réactifs élevée à la puissance de leurs coefficients stœchiométriques.

Températures

La dépendance de la vitesse de réaction à la température est déterminée par la règle de Van't Hoff :

avec une augmentation de la température tous les 10 0 le taux de la plupart des réactions augmente de 2 à 4 fois.

Présence de catalyseur

Les catalyseurs sont des substances qui modifient la vitesse des réactions chimiques.

Le phénomène de changement de vitesse de réaction en présence d'un catalyseur est appelé catalyse.

Pression

À mesure que la pression augmente, la vitesse de réaction augmente (pour homogène)

Question n° 26. Loi de l'action de masse. Taux constant. Énergie d'activation.

Loi de l'action de masse.

la vitesse à laquelle les substances réagissent entre elles dépend de leur concentration

Taux constant.

coefficient de proportionnalité dans l'équation cinétique d'une réaction chimique, exprimant la dépendance de la vitesse de réaction sur la concentration

La constante de vitesse dépend de la nature des réactifs et de la température, mais ne dépend pas de leurs concentrations.

Énergie d'activation.

l'énergie qui doit être transmise aux molécules (particules) des substances en réaction afin de les transformer en substances actives

L'énergie d'activation dépend de la nature des réactifs et des changements en présence d'un catalyseur.

L'augmentation de la concentration augmente le nombre total de molécules et, par conséquent, de particules actives.

Question n° 27. Réactions réversibles et irréversibles. Equilibre chimique, constante d'équilibre. Le principe du Chatelier.

Les réactions qui se déroulent dans une seule direction et se terminent par la transformation complète des substances initiales en substances finales sont dites irréversibles.

Les réactions réversibles sont celles qui se produisent simultanément dans deux directions opposées.

Dans les équations de réactions réversibles, deux flèches pointant dans des directions opposées sont placées entre les côtés gauche et droit. Un exemple d'une telle réaction est la synthèse d'ammoniac à partir d'hydrogène et d'azote :

3H 2 + N 2 = 2NH 3

Les réactions irréversibles sont les réactions qui se produisent :

Les produits résultants précipitent ou sont libérés sous forme de gaz, par exemple :

BaCl 2 + H 2 SO 4 = BaSO 4 + 2HCl

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + CO 2 + H 2 O

Formation d'eau :

HCl + NaOH = H2O + NaCl

Les réactions réversibles ne parviennent pas à leur achèvement et se terminent par l'établissement équilibre chimique.

L'équilibre chimique est un état d'un système de substances en réaction dans lequel les taux de réactions directes et inverses sont égaux.

L'état d'équilibre chimique est influencé par la concentration des substances en réaction, la température et, pour les gaz, la pression. Lorsqu’un de ces paramètres change, l’équilibre chimique est perturbé.

Constante d'équilibre.

Le paramètre le plus important caractérisant une réaction chimique réversible est la constante d'équilibre K. Si l'on note pour la réaction réversible considérée A + D C + D la condition d'égalité des vitesses des réactions directes et inverses à l'état d'équilibre - k1[ A]égal[B]égal = k2[C]égal[ D]égal, d'où [C]égal[D]égal/[A]égal[B]égal = k1/k2 = K, alors la valeur de K est appelée la constante d’équilibre de la réaction chimique.

Ainsi, à l'équilibre, le rapport de la concentration des produits de réaction au produit de la concentration des réactifs est constant si la température est constante (les constantes de vitesse k1 et k2 et, par conséquent, la constante d'équilibre K dépendent de la température, mais ne le font pas. dépendent de la concentration des réactifs). Si plusieurs molécules de substances de départ participent à une réaction et que plusieurs molécules d'un ou plusieurs produits se forment, les concentrations de substances dans l'expression de la constante d'équilibre sont élevées aux puissances correspondant à leurs coefficients stoechiométriques. Ainsi, pour la réaction 3H2 + N2 2NH3, l’expression de la constante d’équilibre s’écrit K = 2 égal/3 égal. La méthode décrite pour dériver la constante d'équilibre, basée sur les vitesses des réactions directes et inverses, ne peut pas être utilisée dans le cas général, car pour les réactions complexes, la dépendance de la vitesse sur la concentration n'est généralement pas exprimée par une équation simple ou est généralement inconnu. Cependant, en thermodynamique, il est prouvé que la formule finale de la constante d’équilibre est correcte.

Pour les composés gazeux, la pression peut être utilisée à la place des concentrations lors de l'écriture de la constante d'équilibre ; Évidemment, la valeur numérique de la constante peut changer si le nombre de molécules gazeuses à droite et à gauche de l’équation n’est pas le même.

Pincip Le Chatelier.

Si une influence externe est appliquée à un système en équilibre, alors l’équilibre se déplace vers la réaction qui contrecarre cette influence.

L'équilibre chimique est affecté par :

Changement de température. À mesure que la température augmente, l’équilibre se déplace vers la réaction endothermique. À mesure que la température diminue, l’équilibre se déplace vers la réaction exothermique.

Changement de pression. À mesure que la pression augmente, l’équilibre se déplace vers une diminution du nombre de molécules. À mesure que la pression diminue, l’équilibre se déplace vers une augmentation du nombre de molécules.

Taux de réaction chimique- modification de la quantité d'une des substances réactionnelles par unité de temps dans une unité d'espace de réaction.

La vitesse d'une réaction chimique est influencée par les facteurs suivants :

• la nature des substances réagissantes ;
• concentration de réactifs;
• surface de contact des substances réactives (dans des réactions hétérogènes) ;
• température;
• 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 possédant une certaine énergie entrent en collision.
• Plus il y a de particules réactives, plus elles sont proches les unes des autres, plus elles risquent d'entrer en collision et de réagir.
• Seules les collisions efficaces entraînent une réaction, c'est-à-dire ceux dans lesquels les « anciennes connexions » sont détruites ou affaiblies et donc de « nouvelles » peuvent être formées. Pour ce faire, les particules doivent disposer de suffisamment d’énergie.
• L’énergie excédentaire minimale requise pour une collision efficace des particules réactives est appelée énergie d'activation Ea.
• L'activité des produits chimiques se manifeste par la faible énergie d'activation des réactions les impliquant. 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 telles réactions se produisent donc presque instantanément.

L'influence de la concentration des réactifs sur la vitesse de réaction

À mesure que la concentration des réactifs augmente, la vitesse de réaction augmente. Pour qu’une réaction se produise, deux particules chimiques doivent se réunir, la vitesse de la réaction dépend donc du nombre de collisions entre elles. Une augmentation du nombre de particules dans un volume donné entraîne des collisions plus fréquentes et une augmentation de la vitesse de réaction.

Une augmentation de la vitesse de réaction se produisant en phase gazeuse résultera d'une augmentation de la pression ou d'une diminution du volume occupé par le mélange.

Sur la base de données expérimentales de 1867, les scientifiques norvégiens K. Guldberg et P. Waage, 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 sur les concentrations des réactifs -

Loi d'action de masse (LMA) :

La vitesse d'une réaction chimique est proportionnelle au produit des concentrations des substances en réaction, prises en puissances égales à leurs coefficients dans l'équation de réaction. (« masse effective » est synonyme du concept moderne de « concentration »)

aA +bB =cС +DD, Où k– vitesse de réaction constante

Le ZDM est effectué uniquement pour les réactions chimiques élémentaires se produisant en une seule étape. Si une 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 de divers types de réactions

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

Molécularité de la réaction est le nombre minimum de molécules impliquées dans un processus chimique élémentaire. Sur la base de la moléculaire, les réactions chimiques élémentaires sont divisées en moléculaires (A →) et bimoléculaires (A + B →) ; les réactions trimoléculaires sont extrêmement rares.

Taux de réactions hétérogènes

• Dépend de surface de contact entre substances, c'est à dire. sur le degré de broyage des substances et l'intégralité 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 entre le bois et l'air, en divisant la bûche en copeaux, la vitesse de combustion augmentera.
• Le fer pyrophorique est versé sur une feuille de papier filtre. Durant l’automne, les particules de fer s’échauffent 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 qu'avec une augmentation de la température de 10 °C, la vitesse de nombreuses réactions augmente de 2 à 4 fois.

La règle de Van't Hoff

Pour chaque augmentation de température de 10 ◦ C, la vitesse de réaction augmente de 2 à 4 fois.

Ici γ (lettre grecque "gamma") - ce qu'on appelle le 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 expérimentalement. Il montre exactement combien de fois la vitesse d’une réaction chimique donnée (et sa vitesse constante) augmente avec chaque augmentation de température de 10 degrés.

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

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

Effet du catalyseur sur la vitesse de réaction

Vous pouvez modifier la vitesse d'une réaction en utilisant des substances spéciales qui modifient le mécanisme de réaction et le dirigent sur une voie 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 à la fin de la réaction elles restent inchangées qualitativement et quantitativement.

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 .

Objectif du travail :étude de la vitesse d'une réaction chimique et de sa dépendance à divers facteurs : nature des réactifs, concentration, température.

Les réactions chimiques se produisent à des rythmes différents. Vitesse de réaction chimique est appelé la variation de la concentration d’un réactif par unité de temps. Il est égal au nombre d'événements d'interaction par unité de temps par unité de volume pour une réaction se produisant dans un système homogène (pour les réactions homogènes), ou par unité de surface d'interface pour les réactions se produisant dans un système hétérogène (pour les réactions hétérogènes).

Vitesse de réaction moyenne v moyenne. dans l'intervalle de temps à partir de t1 avant t 2 est déterminé par la relation :

Où C1 Et C2– concentration molaire de tout participant à la réaction à des moments précis t1 Et t 2 respectivement.

Le signe « – » devant la fraction fait référence à la concentration des substances de départ, Δ AVEC < 0, знак “+” – к концентрации продуктов реакции, ΔAVEC > 0.

Les principaux facteurs influençant la vitesse d'une réaction chimique : la nature des réactifs, leur concentration, la pression (si des gaz sont impliqués dans la réaction), la température, le catalyseur, la zone d'interface pour les réactions hétérogènes.

La plupart des réactions chimiques sont des processus complexes se déroulant en plusieurs étapes, c'est-à-dire composé de plusieurs processus élémentaires. Les réactions élémentaires ou simples sont des réactions qui se produisent en une seule étape.

Pour les réactions élémentaires, la dépendance de la vitesse de réaction à la concentration est exprimée par la loi d'action de masse.

À température constante, la vitesse d'une réaction chimique est directement proportionnelle au produit des concentrations des substances en réaction, prises en puissances égales aux coefficients stoechiométriques.

Pour la réaction sous forme générale

une A + b B… → c C,

selon la loi de l'action de masse v exprimé par le rapport

v = К∙с(А) à ∙ с(В) b,

Où Californie) Et s(B)– les concentrations molaires des réactifs A et B ;

À– constante de vitesse de cette réaction, égale à v, Si c(A)a=1 et c(B)b= 1, et en fonction de la nature des réactifs, de la température, du catalyseur et de la zone d'interface pour les réactions hétérogènes.

L'expression de la vitesse de réaction en fonction de la concentration est appelée équation cinétique.

Dans le cas de réactions complexes, la loi de l'action de masse s'applique à chaque étape individuelle.

Pour les réactions hétérogènes, l'équation cinétique inclut uniquement les concentrations de substances gazeuses et dissoutes ; oui, pour brûler du charbon

C (k) + O 2 (g) → CO 2 (g)

l'équation de la vitesse a la forme

v = K∙s(O2)

Quelques mots sur la molécule et l'ordre cinétique de la réaction.

Concept "molécularité de la réaction" s'applique uniquement aux réactions simples. La molécularité d'une réaction caractérise le nombre de particules participant à une interaction élémentaire.

Il existe des réactions mono-, bi- et trimoléculaires, auxquelles participent respectivement une, deux et trois particules. La probabilité que trois particules entrent en collision simultanément est faible. Le processus élémentaire d'interaction de plus de trois particules est inconnu. Exemples de réactions élémentaires :

N 2 O 5 → NO + NO + O 2 (monomoléculaire)

H 2 + I 2 → 2HI (bimoléculaire)

2NO + Cl 2 → 2NOCl (trimoléculaire)

La molécule des réactions simples coïncide avec l'ordre cinétique général de la réaction. L'ordre de la réaction détermine la nature de la dépendance de la vitesse à la concentration.

L'ordre cinétique général (total) d'une réaction est la somme des exposants aux concentrations des réactifs dans l'équation de la vitesse de réaction, déterminée expérimentalement.

À mesure que la température augmente, la vitesse de la plupart des réactions chimiques augmente. La dépendance de la vitesse de réaction à la température est déterminée approximativement par la règle de Van't Hoff.

Pour chaque augmentation de température de 10 degrés, la vitesse de la plupart des réactions augmente de 2 à 4 fois.

où et sont respectivement la vitesse de réaction à des températures t 2 Et t1 (t 2 >t 1);

γ est le coefficient de température de la vitesse de réaction, c'est un nombre indiquant combien de fois la vitesse d'une réaction chimique augmente lorsque la température augmente de 10 0.

En utilisant la règle de Van't Hoff, il n'est possible d'estimer qu'approximativement l'effet de la température sur la vitesse de réaction. Une description plus précise de la dépendance de la vitesse de réaction en température est réalisable dans le cadre de la théorie de l'activation d'Arrhenius.

L'une des méthodes permettant d'accélérer une réaction chimique est la catalyse, qui est réalisée à l'aide de substances (catalyseurs).

Catalyseurs- ce sont des substances qui modifient la vitesse d'une réaction chimique en raison de la participation répétée à des interactions chimiques intermédiaires avec des réactifs de réaction, mais après chaque cycle d'interaction intermédiaire, elles restaurent leur composition chimique.

Le mécanisme d'action du catalyseur se réduit à une diminution de l'énergie d'activation de la réaction, c'est-à-dire réduire la différence entre l'énergie moyenne des molécules actives (complexe actif) et l'énergie moyenne des molécules des substances de départ. La vitesse de la réaction chimique augmente.