Fizik kimyo kursida kimyoviy kinetika. Tez va sekin reaksiyalar: kimyoviy kinetika Tez va sekin reaksiyalar: kimyoviy kinetika

– Murakkab reaktsiyalar – Haroratning tezlik konstantasiga ta’siri – Qaytariladigan va geterogen reaksiyalar – Fotokimyoviy reaksiyalar – Kataliz

2.1.7 Murakkab reaksiyalar

Bir necha bosqichda sodir bo'ladigan kimyoviy reaktsiyalar murakkab deb ataladi. Misol tariqasida kinetikasi va mexanizmi yaxshi o'rganilgan murakkab reaksiyalardan birini ko'rib chiqamiz:

2NI + N 2 O 2 ––> I 2 + 2N 2 O

Bu reaksiya ikkinchi tartibli reaksiyadir; uning kinetik tenglamasi quyidagi ko'rinishga ega:

Reaktsiya mexanizmini o'rganish bu ikki bosqichli reaktsiya ekanligini ko'rsatdi (ikki bosqichda davom etadi):

1) NI + N2O2 ––> NIO + N2O

2) HIO + HI ––> I 2 + H 2 O

Birinchi bosqich V 1 tezligi ikkinchi bosqich V 2 tezligidan ancha katta va umumiy reaktsiya tezligi sekinroq bosqichning tezligi bilan belgilanadi, shuning uchun deyiladi. tezlikni belgilovchi yoki cheklovchi .

Reaksiyaning elementar yoki murakkab ekanligi haqida uning kinetikasini o‘rganish natijalariga ko‘ra xulosa qilish mumkin. Agar reaksiyaning tajribada aniqlangan qisman tartiblari reaksiyaning stexiometrik tenglamasidagi boshlangich moddalar koeffitsientlari bilan mos kelmasa, reaksiya murakkab hisoblanadi; murakkab reaksiyaning qisman tartiblari fraksiyonel yoki manfiy bo'lishi mumkin, murakkab reaktsiyaning kinetik tenglamasi nafaqat boshlang'ich moddalar, balki reaktsiya mahsulotlarining konsentratsiyasini ham o'z ichiga olishi mumkin;

2.1.8 Murakkab reaksiyalarning tasnifi

Barqaror reaktsiyalar.

Ketma-ket - murakkab reaktsiyalar bo'lib, ular bir bosqich natijasida hosil bo'lgan moddalar (ya'ni, bu bosqich mahsulotlari) boshqa bosqich uchun boshlang'ich moddalar bo'ladi. Ketma-ket reaksiya sxematik tarzda quyidagicha ifodalanishi mumkin:

A ––> B ––> C ––> ...

Har bir bosqichda ishtirok etadigan bosqichlar va moddalar soni boshqacha bo'lishi mumkin.

Parallel reaktsiyalar.

Parallel reaktsiyalar kimyoviy reaktsiyalar bo'lib, ularda bir xil boshlang'ich moddalar bir vaqtning o'zida turli xil reaktsiya mahsulotlarini, masalan, ikki yoki undan ortiq izomerlarni hosil qilishi mumkin:

Konjugatsiya reaktsiyalari.

Quyidagi tarzda kechadigan murakkab reaktsiyalar odatda konjugat deb ataladi:

1) A + B ––> C

2) A + D ––> E ,

Bundan tashqari, reaktsiyalardan biri mustaqil ravishda sodir bo'lishi mumkin, ikkinchisi esa faqat birinchisi mavjud bo'lganda mumkin. Ikkala reaksiya uchun ham umumiy bo'lgan A moddasi deyiladi aktyor, B moddasi - induktor, D moddasi, A bilan faqat birinchi reaktsiya mavjud bo'lganda o'zaro ta'sir qiladi - qabul qiluvchi. Masalan, suvli eritmadagi benzol vodorod peroksid bilan oksidlanmaydi, lekin Fe(II) tuzlari qo`shilganda u fenol va bifenilga aylanadi. Reaktsiya mexanizmi quyidagicha. Birinchi bosqichda erkin radikallar hosil bo'ladi:

Fe 2+ + H 2 O 2 ––> Fe 3+ + OH – + OH

Fe 2+ ionlari va benzol bilan reaksiyaga kirishadi:

Fe 2+ + OH ––> Fe 3+ + OH –

C 6 H 6 + OH ––> C 6 H 5 + H 2 O

Radikallarning rekombinatsiyasi ham sodir bo'ladi:

C 6 H 5 + OH ––> C 6 H 5 OH

C 6 H 5 + C 6 H 5 ––> C 6 H 5 –C 6 H 5

Shunday qilib, ikkala reaksiya umumiy oraliq erkin radikal OH ishtirokida sodir bo'ladi.

Zanjirli reaktsiyalar.

Har bir bosqich natijasida hosil bo'lgan zarrachalar keyingi bosqichlarni hosil qilganda, bir qancha o'zaro bog'langan bosqichlardan iborat reaktsiyalar zanjirli reaktsiyalar deb ataladi. Qoida tariqasida, zanjir reaktsiyalari erkin radikallar ishtirokida sodir bo'ladi. Barcha zanjirli reaktsiyalar uchta tipik bosqich bilan tavsiflanadi, biz vodorod xlorid hosil bo'lishining fotokimyoviy reaktsiyasi misolida ko'rib chiqamiz.

1. Zanjirning kelib chiqishi (boshlanish):

Sl 2 + hn ––> 2 Sl

2. Zanjirni rivojlantirish:

H 2 + Cl ––> HCl + H

H + Cl 2 ––> HCl + Cl

Zanjirning rivojlanish bosqichi faol zarrachadagi reaksiya mahsuloti molekulalari soni - zanjir uzunligi bilan tavsiflanadi.

3. O'chirish uzilishi (rekombinatsiya):

H + H ––> H 2

Sl + Sl ––> Sl 2

H + Cl ––> HCl

Zanjirning uzilishi, shuningdek, faol zarralar reaksiya olib boriladigan idish devorining materiali bilan o'zaro ta'sirlashganda ham mumkin, shuning uchun zanjir reaktsiyalarining tezligi materialga va hatto reaktsiya idishining shakliga bog'liq bo'lishi mumkin.

Vodorod xlorid hosil bo'lish reaktsiyasi tarmoqlanmagan zanjirli reaktsiyaga misol bo'ladi - har bir reaksiyaga kirishgan faol zarracha uchun bittadan ko'p yangi paydo bo'lmagan reaktsiya. Tarmoqlangan zanjirli reaksiyalar - reaksiyaga kirishayotgan har bir faol zarra uchun bir nechta yangi paydo bo'ladigan reaktsiyalar, ya'ni. reaksiya jarayonida faol zarrachalar soni doimiy ravishda oshib boradi. Tarmoqlangan zanjirli reaksiyaga misol qilib vodorodning kislorod bilan reaksiyasini keltirish mumkin:

1. Boshlanish:

H 2 + O 2 ––> H 2 O + O

2. Zanjirni rivojlantirish:

O + H 2 ––> H + OH

H + O 2 ––> O + OH

OH + H 2 ––> H 2 O + H

Mualliflik huquqi © S. I. Levchenkov, 1996 - 2005.

Modda molekulalarining bo'shashish vaqti- bu molekulaning ta'sirga o'tishi (reaksiya qilish) uchun zarur bo'lgan vaqt. Agar ma'lum bir moddaning molekulalarining bo'shashish vaqti moddaga ta'sir qilish vaqtidan sezilarli darajada uzoqroq bo'lsa, u holda molekulalarning yuk ostida qayta joylashishi (harakatlanishi) uchun vaqt yo'q, bu moddadagi kimyoviy bog'lanishlarning uzilishiga olib keladi. Turli moddalar uchun bo'shashish vaqti har xil va juda keng diapazonda o'zgarishi mumkin: soniyaning mingdan bir qismidan bir necha ming yilgacha.

Hikoya

19-asrda hatto suyuq va qattiq jismlarning aniq chegarasi yo'q degan fikr ham paydo bo'ldi. Agar o'ylab ko'rsangiz, bu erda ajablanarli narsa yo'q. Agar, masalan, kaftingiz bilan suvga qattiq urib qo‘ysangiz, suv o‘zini qattiq jismdek tutadi (agar xohlasangiz, his qilasiz!). Agar siz qalin suyuqlik oqimini bolg'a bilan urgan bo'lsangiz, kameraning past tortishish tezligidan foydalanib, oqim ta'siridan ko'plab mayda o'tkir bo'laklarga (tomchilarga) tarqalishini yozib olishingiz mumkin, bu qattiq, mo'rt jismning ba'zi xususiyatlarini ko'rsatadi. tanasi. Yoki qatron bo'lagini olsangiz, ko'zoynaklar amorf jismlardir. Ular shunchalik yopishqoqki, bu materiallarning suyuqlik xususiyatlari ko'rinmaydi. Aslida, ular oqadi va bu ularga yukni qo'llash orqali osongina aniqlanishi mumkin! (albatta, shisha ko'proq yopishqoq moddadir va suyuqlik xususiyatini namoyon qilganda, ko'proq individual sharoitlarni talab qiladi, masalan, isitish yoki uzoq muddatli yukni qo'llash).

Stakan yonida dam olish vaqti

Shisha ancha uzoq dam olish vaqtiga ega, shuning uchun tez sovutish natijasida molekulalar strukturada o'zlarining metastabil holatini egallashga vaqtlari yo'q. Keyinchalik, ular xaotik tuzilishida muzlashadi. Va molekulalari minimal energiyaga ega bo'lgan kristalli shaklidan farqli o'laroq, Gibbsning ortiqcha energiyasini aniqlaydigan moddaning tuzilishining buzilishi. Natijada, bu shishasimon holatdagi molekulalarga o'z tuzilishini kattaroq tartibga (ya'ni, past energiyali tuzilishga) aylantirishga turtki beradi.

Barcha ko'zoynaklar uchun umumiy xususiyat bo'lgan bu o'z-o'zidan paydo bo'ladigan evolyutsiya birgalikda tizimli yengillik deb ataladi. Metall oynalarga kelsak, bu ularning barcha jismoniy xususiyatlarini sezilarli yoki hatto sezilarli darajada o'zgartiradigan keng ko'lamli hodisa. Ushbu hodisaning ko'plab tadqiqotlariga qaramay, u asosan o'rganilmagan va uning mexanizmlari aniq emas.

Aytaylik, ma'lum miqdorda vodorod va azotdan maksimal mumkin bo'lgan ammiak miqdorini olishingiz kerak. Oldingi bo'limdagi materialdan siz kimyoviy muvozanatni u yoki bu yo'nalishda siljitish orqali reaktsiyaning borishiga qanday ta'sir qilishingiz mumkinligini allaqachon bilasiz. Biroq, muammoni eng samarali hal qilish uchun reaktsiya tezligini ham hisobga olish kerak. Kimyoviy reaksiyalar tezligini bilish juda katta ilmiy va amaliy ahamiyatga ega. Masalan, kimyo sanoatida ma'lum bir moddani ishlab chiqarish jarayonida asbob-uskunalar hajmi va unumdorligi va ishlab chiqarilgan mahsulot miqdori reaksiya tezligiga bog'liq.

Kimyoviy reaktsiyalar har xil tezlikda sodir bo'ladi. Ulardan ba'zilari bir soniyada tugaydi, boshqalari daqiqalar, soatlar va hatto kunlar davom etadi. SHuning uchun kimyoviy reaksiyalardan amaliy foydalanishda ma’lum sharoitlarda berilgan reaksiya qanday tezlikda borishi va reaksiya kerakli tezlikda borishi uchun bu sharoitlarni qanday o’zgartirish kerakligini bilish juda muhimdir.

Tez va sekin reaksiyalar: kimyoviy kinetika

Kimyoviy reaksiyalar tezligini oʻrganuvchi kimyo boʻlimiga kimyoviy kinetika deyiladi.

Reaksiya tezligiga ta'sir qiluvchi eng muhim omillarga quyidagilar kiradi:

S reaksiyaga kirishuvchi moddalarning tabiati;

Reaktiv zarrachalarining S o'lchamlari;

Reaktivlarning S konsentratsiyasi;

Gazsimon reagentlarning S bosimi;

S harorati;

S tizimda katalizatorlarning mavjudligi.

Reaktivlarning tabiati

Yuqorida aytib o'tilganidek, boshlang'ich moddalarning zarralari o'rtasida kimyoviy o'zaro ta'sir qilishning zaruriy sharti ularning bir-biri bilan to'qnashuvi (to'qnashuvi) va yuqori reaktivlikka ega bo'lgan molekula hududida ("Reaksiyalar qanday sodir bo'ladi: to'qnashuv" bo'limiga qarang. nazariyasi” bobida). Reaktivlarning molekulalari qanchalik katta va murakkab bo'lsa, to'qnashuvning aniq hududda sodir bo'lish ehtimoli shunchalik past bo'ladi.

yuqori reaktiv molekulalar. Ko'pincha juda murakkab molekulalarda yuqori reaktiv hudud molekulaning boshqa qismlari tomonidan to'liq bloklanadi va hech qanday reaktsiya sodir bo'lmaydi. Bunday holda, ko'plab to'qnashuvlardan faqat reaktiv mintaqada sodir bo'lganlar samarali (ya'ni, kimyoviy o'zaro ta'sirga olib keladi).

Boshqacha qilib aytganda, reaktiv molekulalar qanchalik katta va murakkab bo'lsa, reaktsiya tezligi shunchalik sekin bo'ladi.

Reaktiv zarrachalarining kattaligi

Reaksiya tezligi reaksiyaga kirishuvchi moddalar molekulalarining to'qnashuvlari soniga bog'liq. Shunday qilib, to'qnashuv sodir bo'ladigan sirt maydoni qanchalik katta bo'lsa, reaktsiya tezligi shunchalik tez bo'ladi. Misol uchun, agar siz katta ko'mir bo'lagiga yonayotgan gugurt olib kelsangiz, hech qanday reaktsiya bo'lmaydi. Biroq, agar siz bu ko'mir bo'lagini kukunga aylantirsangiz, uni havoga purkasangiz va keyin gugurt ursangiz, portlash sodir bo'ladi. Portlashning sababi (ya'ni, reaktsiyaning yuqori tezligi) ko'mir sirtining sezilarli darajada oshishi hisoblanadi.

Reaktivlarning kontsentratsiyasi

Reaktivlar orasidagi to'qnashuvlar sonining ko'payishi reaksiya tezligining oshishiga olib keladi. Shunday qilib, reaksiya tezligi reaksiyaga kirishuvchi moddalar molekulalari duch keladigan to'qnashuvlar soniga proportsionaldir. To'qnashuvlar soni, o'z navbatida, ko'proq bo'lsa, boshlang'ich moddalarning har birining kontsentratsiyasi shunchalik yuqori bo'ladi. Masalan, yog'och taxta oddiy havoda (20% kisloroddan iborat) juda yaxshi yonadi, ammo sof kislorodda yonish kuchliroq, ya'ni yuqori tezlikda sodir bo'ladi.

Aksariyat oddiy reaksiyalarda reaksiyaga kirishuvchi moddalar konsentratsiyasini oshirish reaksiya tezligini oshiradi. Biroq, bir necha bosqichda sodir bo'ladigan murakkab reaktsiyalarda bu bog'liqlik kuzatilmaydi. Haqiqatan ham, konsentratsiyaning reaksiya tezligiga ta’sirini aniqlash orqali uning tezligini belgilovchi reaksiya bosqichiga qaysi reagent ta’sir etayotganini bilib olishingiz mumkin. (Ushbu ma'lumot reaksiya mexanizmini hisoblashda yordam beradi.) Buni bir necha xil konsentratsiyalarda reaksiyalar o'tkazish va ularning reaksiya tezligiga ta'sirini kuzatish orqali amalga oshirish mumkin. Agar, masalan, bitta reaktivning kontsentratsiyasini o'zgartirish reaksiya tezligiga ta'sir qilmasa, unda siz reaksiya mexanizmining eng sekin bosqichida (va reaksiya tezligi ushbu bosqichda aniq belgilanadi) bu reagent ekanligini bilib olasiz. ishtirok etmagan.

Gazsimon reagentlar bosimi

Gazsimon reaktivlarning bosimi kontsentratsiya bilan reaksiya tezligiga bir xil ta'sir qiladi. Gaz holatidagi reaktivlarning bosimi qanchalik yuqori bo'lsa, reaksiya tezligi shunchalik yuqori bo'ladi. Bu to'qnashuvlar sonining ko'payishi tufayli sodir bo'ladi (siz allaqachon taxmin qilganingizdek, albatta!). Biroq, agar reaktsiya murakkab mexanizmga ega bo'lsa, unda bosimni o'zgartirish kutilgan natijaga olib kelmasligi mumkin.

Harorat

Nega har bir uy bekasi Shukrona kuni kechki ovqatdan keyin qolgan kurkani muzlatgichga qo'yishga shoshiladi? Ha, chunki bu bajarilmasa, kurka buzilishi mumkin. "Yomon bo'lish" nimani anglatadi? Bu bakteriyalarning ko'payishini anglatadi. Endi turkiya muzlatgichda bo'lgandan so'ng, u past harorat tufayli bakteriyalarning o'sish tezligini sekinlashtiradi.

Bakteriyalar sonining ko'payishi umumiy biokimyoviy reaktsiya, ya'ni tirik organizmlar ishtirokidagi kimyoviy reaktsiya. Ko'pgina hollarda haroratning oshishi bunday reaktsiyalar tezligining oshishiga olib keladi. Organik kimyoda qoida mavjud: haroratning 10 ° C ga oshishi reaktsiya tezligini ikki baravar oshiradi.

Nima uchun bu sodir bo'lmoqda? To'qnashuvlar sonining ko'payishi tufayli qisman (siz taxmin qilganingizdek!). Haroratning oshishi bilan molekulalar tezroq harakat qiladi, shuning uchun ularning bir-biri bilan to'qnashuvi va shuning uchun ularning kimyoviy o'zaro ta'siri ortadi. Biroq, bu hammasi emas. Haroratning oshishi bilan molekulalarning o'rtacha kinetik energiyasi ham ortadi. Anjirga e'tibor bering. 8.7, bu haroratning oshishi reaktivlarning kinetik energiyasiga va reaktsiya tezligiga qanday ta'sir qilishiga misol keltiradi.

Berilgan haroratda barcha molekulalar bir xil kinetik energiyaga ega emas. Ulardan ba'zilari juda sekin harakatlanishi mumkin (ya'ni, past kinetik energiyaga ega), boshqalari esa juda tez harakatlanishi mumkin (ya'ni, yuqori kinetik energiyaga ega). Biroq, aksariyat hollarda molekulyar harakat tezligi bu ikki tezlikning o'rtasida joylashgan.

Aslida, harorat molekulalarning o'rtacha kinetik energiyasining o'lchovidir. Rasmda ko'rinib turganidek. 8.7, haroratning oshishi reaktivlarning o'rtacha kinetik energiyasining oshishiga olib keladi, egri chiziq o'ngga, kinetik energiyaning yuqori qiymatlari tomon siljiydi. Shuningdek, molekulalarning to'qnashuvi yangi moddaning paydo bo'lishiga olib kelishi uchun bo'lishi kerak bo'lgan kinetik energiyaning minimal miqdoriga e'tibor bering, ya'ni. bu reaksiyaning aktivlanish energiyasiga. Bunday energiyaga ega bo'lgan molekulalar faol molekulalar deb ataladi.

Reaktivlar nafaqat reaktiv maydonda to'qnashishi kerak, balki mavjud aloqalarni uzish va yangilarini hosil qilish uchun etarli miqdorda energiya o'tkazilishi kerak. Agar bu energiya etarli bo'lmasa, unda boshlang'ich molekulalar to'qnashganda, reaktsiya hali ham sodir bo'lmaydi.

E'tibor bering, pastroq haroratda (T1) oz miqdordagi reaktiv molekulalar kerakli faollanish energiyasiga ega. Yuqori haroratda (T2)

faollashuv energiyasi (yangi moddaning hosil bo'lishi uchun zarur bo'lgan minimal kinetik energiya) allaqachon ko'plab molekulalarga ega bo'ladi, ya'ni yana ko'plab to'qnashuvlar samarali bo'ladi.

Shunday qilib, haroratni oshirish nafaqat to'qnashuvlar sonini, balki zarralar orasidagi kimyoviy o'zaro ta'sirga olib keladigan samarali to'qnashuvlar sonini ham oshiradi.

Katalizatorlar

Reaksiya natijasida iste'mol qilinmaydigan, lekin uning tezligiga ta'sir qiladigan moddalar katalizatorlar deyiladi. Bunday moddalar ta'sirida reaksiya tezligini o'zgartirish hodisasi kataliz deb ataladi. Ko'pgina hollarda katalizatorning ta'siri reaktsiyaning faollashuv energiyasini kamaytirishi bilan izohlanadi.

Masalan, rasmga qarang. 8.1. Agar grafikdagi maksimalga mos keladigan aktivlanish energiyasi qiymati kichikroq bo'lsa, reaktiv molekulalarning samarali to'qnashuvlari soni ko'proq bo'lar edi va shuning uchun reaktsiya tezligi yuqori bo'ladi. Xuddi shu narsani rasmda ko'rish mumkin. 8.7. Agar siz nuqta chiziqni chapga siljitsangiz, bu faollashuv energiyasiga erishish uchun zarur bo'lgan minimal kinetik energiyani ifodalaydi, u holda yana ko'plab molekulalar faollashuv energiyasiga ega bo'ladi va shuning uchun reaktsiya tezroq ketadi.

Kimyo sanoatida katalizatorlar juda keng qo'llaniladi. Katalizatorlar ta'sirida reaktsiyalar millionlab marta yoki undan ko'proq tezlashishi mumkin.

Bir jinsli va geterogen kataliz mavjud. Gomogen katalizda katalizator va reaktivlar bir faza (gaz yoki eritma) hosil qiladi. Geterogen katalizda katalizator tizimda mustaqil faza sifatida mavjud.

Geterogen kataliz

"Reaksiyalar qanday sodir bo'ladi: to'qnashuv nazariyasi" bo'limida molekulalarning o'zaro ta'sirini muhokama qilishda quyidagi formula misol sifatida ishlatilgan.

A-B aloqasini uzish va tenglamada ko'rsatilgan C-A bog'ini hosil qilish uchun reaktiv C A-B molekulasining A joylashgan qismi bilan to'qnashishi kerak. Biroq, ehtimollik nazariyasiga ko'ra, ertami-kechmi bu sodir bo'ladi. Bunday to'qnashuv ehtimolini oshirish uchun A-B molekulasi A mintaqasi reaktiv C tomon "yo'naltirilgan" bo'lishi uchun "bog'langan" bo'lishi kerak.

Buni heterojen katalizator yordamida amalga oshirish mumkin: u bitta reaktivning molekulasini uning yuzasiga "bog'laydi", uni reaktsiyani tezlashtiradigan tarzda yo'naltiradi. Geterogen kataliz jarayoni rasmda ko'rsatilgan. 8.8.

Katalizator heterojen («bir hil bo'lmagan») deb ataladi, chunki u reaksiyaga kirishuvchi moddalarning yig'ilish holatidan farq qiladigan agregatsiya holatidadir. Bunday katalizator odatda mayda maydalangan qattiq metall yoki uning oksidi, reaktivlar esa gazlar yoki eritmalardir. Geterogen katalizda reaksiya katalizator yuzasida sodir bo'ladi. Bundan kelib chiqadiki, katalizatorning faolligi uning sirtining hajmi va xususiyatlariga bog'liq. Katta sirt maydoniga ega bo'lish uchun katalizator g'ovakli tuzilishga ega bo'lishi yoki parchalangan holatda bo'lishi kerak.

Geterogen katalizda reaksiya faol oraliq birikmalar - katalizatorning reaksiyaga kirishuvchi moddalar bilan yuzaki birikmalari orqali boradi. Ushbu oraliq moddalar ishtirokidagi bir qator bosqichlardan o'tib, reaktsiya yakuniy mahsulotlarning shakllanishi bilan tugaydi va natijada katalizator iste'mol qilinmaydi.

Ko'pchiligimiz deyarli har kuni heterojen katalizatorning ishlashiga duch kelamiz. Biz mashinaning katalitik konvertori haqida gapiramiz. Ushbu konvertor benzinning yonishidan kelib chiqadigan zararli gazlarni (masalan, uglerod oksidi va yonmagan uglevodorodlar) zararsiz mahsulotlarga (masalan, suv va karbonat angidrid) parchalaydigan reaktsiyani tezlashtirish uchun ishlatiladigan maydalangan metallardan (platina va/yoki palladiy) iborat.

Ushbu yozuv 2014 yil 25-may, yakshanba kuni soat 18:20 da e'lon qilingan va ostida topshirilgan. Ushbu yozuvga berilgan har qanday javobni tasma orqali kuzatishingiz mumkin. Izohlar va pinglar hozirda yopiq.

ROSSIYA TA'LIM VA FAN VAZIRLIGI

Federal davlat byudjeti ta'lim muassasasi

oliy kasbiy ta'lim

"NOVOSIBIRSK MILLIY TADQIQOT DAVLAT UNIVERSITETI"

TABIY FANLAR FAKULTETI

P.A. Kolinko, D. V. Kozlov

Fizik kimyo kursida kimyoviy kinetika

O'quv va uslubiy qo'llanma

Novosibirsk

O‘quv-uslubiy qo‘llanmada FEN NDU 1-kurs talabalariga berilgan “Jismoniy kimyo” kursining “Kimyoviy kinetika” bo‘limi bo‘yicha ma’ruza materiali keltirilgan.

Novosibirsk davlat universitetining tabiiy fanlar fakultetining 1-kurs talabalari uchun mo'ljallangan.

Muallif:

Ph.D. kimyo. fanlari, dotsent D. V. Kozlov, t.f.n. kimyo. Fanlar P. A. Kolinko

Qo'llanma amalga oshirish doirasida tayyorlangan

Milliy tadqiqot universiteti - NDUning rivojlanish dasturlari

©Novosibirsk shtati

universitet, 2013 yil

SO'Z SO'Z
Kimyoviy kinetika bo'lim sifatida
fizik kimyo
Kimyoviy kinetikaning asosiy tushunchalari
Kimyoviy moddalar tezligini o'lchash usullari
Kimyoviy reaksiya mexanizmi haqida tushuncha
Elementar kimyoviy reaksiyalar
Kimyoviy reaksiyaning kinetik tenglamasi
Reaksiya tartibini topish usullari
Kimyoviy reaksiya tezligi konstantasi
Arrenius qonuni
Formal kinetika kimyo fanining bir tarmog'i sifatida
kinetika
Qaytarib bo'lmaydigan birinchi tartibli reaktsiyalar
Qaytarib bo'lmaydigan ikkinchi tartibli reaktsiyalar
Qaytarib bo'lmaydigan uchinchi tartibli reaktsiyalar
Samarali reaktsiya vaqti
Qaytariladigan reaktsiyalar
Kimyoviy reaksiya yo'li haqida tushuncha
Elementar akt nazariyasining umumiy tushunchalari
kimyoviy reaksiya
Nazariy jihatdan termodinamik yondashuv
o'tish kompleksi
Ta'sir nazariyasi
Murakkab reaktsiyalar va o'z ichiga olgan reaktsiyalar
oraliq zarralar. Tasniflash

SO'Z SO'Z

Umuman kimyo fanida va fizik kimyoda, in

Xususan, vaqt o'tishi bilan kimyoviy jarayonlarning mexanizmlari va qonuniyatlarini o'rganadigan maxsus yo'nalish mavjud. Bu fan deyiladi -

kimyoviy kinetika. Kimyoviy kinetika kimyoviy reaktsiyalar tezligining reagentlar kontsentratsiyasiga bog'liqligini ko'rib chiqadi va belgilaydi;

harorat va boshqa tashqi sharoitlar.

Kimyoviy kinetika zamonaviy kimyo sanoati, xususan, neft kimyosi asosini tashkil etadi.

neftni qayta ishlash va polimer ishlab chiqarish.

FEN NDU ning birinchi yilida oxirgi beshta ma'ruzada "Jismoniy kimyo" kursining oxirida kimyoviy kinetika o'qitiladi. Ehtimol, 30 dan ortiq ma'ruza kursining oxirida talabalar charchaganligi sababli, ma'ruzalarning bu qismi etarli darajada o'zlashtirilmagan. Ikkinchi sabab esa,

Kimyoviy kinetika fizik kimyo kursining boshqa qismlari bilan solishtirganda eng ko'p matematik hisoblar va formulalarni o'z ichiga oladi.

Ushbu o‘quv qo‘llanmaning maqsadi talabalarga kimyoviy kinetikaning asosiy tushunchalari, formal kinetika, kimyoviy reaksiyaning elementar akti nazariyasi, to‘qnashuvlar nazariyasi va boshqa ko‘p narsalar bilan tanishish imkoniyatini berishdan iborat. Shu bilan birga, kitobxonlar universitetda o'qituvchi o'qigan materialni o'quv qo'llanmadagi material bilan solishtirish va ma'ruzachi va seminarchilarga tushunarsiz mavzular bo'yicha savollar berish imkoniyatiga ega. Umid qilamizki, bu talabalarga materialni yaxshiroq tushunish imkonini beradi.

Tushunish qulayligi uchun asosiy tushunchalar

matnda birinchi marta tilga olinganlar qalin kursiv bilan, ularning ta'riflari qalin qilib yozilgan.

1. Kimyoviy kinetika fizik kimyoning bir bo`limi sifatida

tarkibi va energiya ta'siri kimyoviy reaksiya.

Biroq, bu fan bu reaktsiya qanday va qanday tezlikda sodir bo'lishi haqidagi savollarga javob bera olmaydi. Bu savollar, ya'ni mexanizm haqida savollar va kimyoviy reaksiya tezligi kimyoviy kinetika doirasiga kiradi.

Kimyoviy kinetika yoki kimyoviy reaksiyalarning kinetikasi (yunoncha Kinos - harakat) - radel

fizik kimyo, vaqt o'tishi bilan kimyoviy reaktsiyalarning qonuniyatlarini o'rganish, bu qonuniyatlarning tashqi sharoitlarga bog'liqligi, shuningdek kimyoviy o'zgarishlar mexanizmlari . Termodinamikadan farqli o'laroq, kimyoviy kinetika kimyoviy reaksiyalarning sodir bo'lishini o'rganadi o'z vaqtida. Bular. termodinamika tizimning boshlangʻich va oxirgi holatlarini, kimyoviy kinetika esa tizimning boshlangʻich holatidan yakuniy holatga oʻtish davridagi oʻzgarishini oʻrganadi. Masalan, reaktsiya

termodinamika nuqtai nazaridan, har qanday holatda, 1000 ° C dan past haroratlarda juda qulaydir (da).

Yuqori haroratlarda CO2 molekulalari allaqachon parchalanadi), ya'ni. uglerod va kislorod (deyarli 100% hosil bilan) karbonat angidridga aylanishi kerak. Biroq, tajriba shuni ko'rsatadiki, ko'mir bo'lagi hech qanday o'zgarishsiz, kislorodga erkin kirish imkoniyati bilan yillar davomida havoda yotishi mumkin. Xuddi shu narsani boshqa ko'plab ma'lum reaktsiyalar haqida ham aytish mumkin. Shunday qilib, kinetik qonuniyatlarni bilish kimyoviy mahsulotlarni saqlash va ishlatish jarayonida, ularning yo'q qilinishini sekinlashtirish zarur bo'lganda ham muhimdir. Bu, masalan, oziq-ovqat, dori-darmonlar, yoqilg'i va polimerlarni saqlashda muhim ahamiyatga ega.

2. Kimyoviy kinetikaning asosiy tushunchalari

2.1. Kimyoviy reaksiyaning stoxiometrik tenglamasi

Rasmiy kinetika reaksiyaga kirishuvchi moddalar kontsentratsiyasiga va ularning fazaviy tarkibiga qarab doimiy haroratda vaqt davomida kimyoviy jarayonning borishini miqdoriy tavsiflash imkonini beradi. Ta'riflash uchun ishlatiladi stoxiometrik tenglama–

Bu reaksiyaga kirishuvchi moddalar va kimyoviy reaksiya mahsulotlari o'rtasidagi miqdoriy munosabatlarni ko'rsatadigan tenglama . Bunday tenglamaning eng oddiy misoli

stoxiometrik koeffitsientlar. A i reaktivlar, B j reaksiya mahsulotlari.

Reaksiyaga kirishuvchi moddalar va mahsulotlar miqdorining ortishi stexiometrik tenglamaga bo'ysunadi va uning asosida aniqlanadi. moddiy balans kimyoviy transformatsiyalar paytidagi moddalar. Moddalarning miqdori odatda mollarda o'lchanadi. Agar kerak bo'lsa, tizimning boshqa massaviy xarakteristikalari ular orqali ifodalanadi. Stexiometrik tenglamalardan foydalanish klassik kimyoda kimyoviy reaksiyalarni tavsiflashning asosiy usuli hisoblanadi. Biroq, stoxiometrik tenglama tasvirlamaydi reaktsiya mexanizmi. Har qanday kimyoviy reaktsiya juda murakkab. Uning stoxiometrik tenglamasi, qoida tariqasida, elementar jarayonlarning butun murakkabligini hisobga olmaydi.

2.2. Reaktsiya chuqurligi

IN Bunday reaksiyaga kirishuvchi sistemada (1) alohida moddalarning massalari mustaqil o‘zgaruvchilar emas. Mollar sonining o'zgarishi dn i proportsional

reaksiya tenglamasida stexiometrik koeffitsientlar. Ya'ni, biz yozishimiz mumkin

yoki integral shaklda

bu erda ni 0 - reaktiv yoki mahsulotning dastlabki miqdori (mol); ni – reaktiv yoki mahsulotning joriy miqdori (mol); yi – stexiometrik koeffitsient. Eslatib o'tamiz, reaksiya mahsulotlari uchun yi >0, reaksiyaga kirishuvchi moddalar uchun esa yi<0.

Shunday qilib, reaktsiya natijasida tizimdagi massalarning qayta taqsimlanishini bitta o'zgaruvchi p bilan tavsiflash mumkin, bu deyiladi. kimyoviy o'zgaruvchi. Kimyoviy o'zgaruvchi mollarda o'lchanadi

Va turli ma'nolarni olishi mumkin.

IN xususan, tizimning boshlang'ich holati p = 0 qiymati bilan tavsiflanadi. Agar jarayon reaksiya mahsulotlariga qarab davom etsa, u holda p 0 dan katta bo'ladi va agar reagentlarga (teskari reaktsiya) bo'lsa, u holda p.< 0. Вообще,

reaktsiyaning borishi.

2.3. Kimyoviy reaksiya tezligi

Maxsus kimyoviy reaksiyalarning kinetikasini o'rganish, qoida tariqasida, eksperimental ravishda aniqlangan Ci = f (t) bog'liqliklarini qurishdan boshlanadi, ular deyiladi. kinetik egri chiziqlar. Keyinchalik, ushbu ma'lumotlarni tahlil qilish va reaktsiya mexanizmini o'rganish boshlanadi. Ammo bu uzoq va murakkab tadqiqotlarni talab qiladi, shuning uchun kinetik egri chiziqlar olingandan keyin ularni qayta ishlash mumkin.

RAHATLASH

(lotincha relaxatio-zaiflashdan), tizimda oʻrnatish jarayoni termodinamik muvozanat. Makroskopik holat sistemasi ko‘plik bilan belgilanadi. parametrlar va turli parametrlarda muvozanatga erishish jarayonlari har xil bo'lishi mumkin tezliklar. Chiziqli linearizatsiya davri ma'lum bir holat parametri bo'lganda aniqlanadi i uning muvozanat qiymatidan faqat bir oz farq qiladi. Ushbu davrda parametrning o'zgarish tezligi i/dt og'ishning kattaligiga mutanosib x i dan:

qayerda t i-vaqt P. Bundan kelib chiqadiki, t vaqtida chetlanish eks (Rt/t i). Vaqt davomida t i kichik parametr og'ishi x i muvozanat qiymatidan bir omilga kamayadi. Miqdorlar = 1/t i, teskari marta R., chaqirdi. chastotalar R.

R. vaqtlari tizimning xususiyatlari va ko'rib chiqilayotgan jarayon turi bilan belgilanadi. Haqiqiy tizimlarda ular ahamiyatsiz qiymatlardan koinot yoshiga qarab farq qilishi mumkin. Tizim ba'zi parametrlarda muvozanatga erishishi va boshqalarida muvozanatsiz qolishi mumkin (qisman muvozanat). Barcha R. jarayonlari muvozanatsiz va qaytarilmas boʻlib, energiyaning tarqalishi bilan birga kechadi, yaʼni u tizimda hosil boʻladi (qarang. Qaytmas jarayonlarning termodinamiği).

Gazlarda nurlanish energiya almashinuvi va zarrachalar to'qnashuvi paytidagi harakat miqdori bilan, nurlanish vaqti esa bo'sh vaqt bilan belgilanadi. yo'l (molekulalarning ketma-ket ikkita to'qnashuvi orasidagi o'rtacha vaqt) va to'qnashuvchi zarralarning barcha erkinlik darajalari orasidagi energiya almashinuvining samaradorligi. Monatomik gazlarda qisqa vaqt ichida molekulalarning to'qnashuv vaqti bo'yicha boshlang'ich (yuqori nomutanosiblik) holat shu qadar tartibsiz bo'lib qolganda, tez reaktsiya bosqichi ajralib turadiki, uni tasvirlash uchun qanday ekanligini bilish kifoya. faqat bitta zarrachaning koordinatalari va momentlarining taqsimlanishi (bir zarracha taqsimot funksiyasi deb ataladi). Ikkinchi bosqichda R. bo'sh vaqt tartibi bir vaqt uchun. faqat bir necha natijasida kilometr. o'rtacha massa uzatish tezligi (massa tezligi) bilan harakatlanadigan makroskopik kichik hajmdagi to'qnashuvlar, mahalliy termodinamik o'rnatiladi. muvozanat. U bo'shliqlarga bog'liq bo'lgan holat parametrlari (harorat, kimyoviy potentsial va boshqalar) bilan tavsiflanadi. koordinatalar va vaqt va ko'p sonli to'qnashuvlar (issiqlik o'tkazuvchanligi, diffuziya, yopishqoqlik va boshqalar jarayonlari) natijasida asta-sekin muvozanat qiymatlariga moyil bo'ladi. R. vaqti tizimning oʻlchamiga bogʻliq va oʻrtacha boʻsh vaqtga nisbatan katta. kilometr

Ko'p atomli gazlarda (ichki erkinlik darajalari bilan) m. kirishlar o'rtasida energiya almashinuvi qiyin. va ichki erkinlik darajalari (aylanma, tebranish) va R. bu hodisa bilan bog'liq holda paydo bo'ladi. Muvozanatni o'rnatishning eng tezkor usuli - bu harakatlar. mos keladigan tur bilan tavsiflangan erkinlik darajalari. Harakatlar orasidagi muvozanat. va aylantiring. erkinlik darajasi ancha sekinroq o'rnatiladi. Tebranishlarning qo'zg'alishi. erkinlik darajasi faqat yuqori haroratlarda mumkin. Shuning uchun poliatomik gazlarda ko'p bosqichli reaktsiya jarayonlari mumkin (qarang. muvozanatsiz kinetika). Agar gaz massasi jihatidan bir-biridan katta farq qiluvchi molekulalarga ega bo'lgan komponentlardan iborat bo'lsa, komponentlar orasidagi energiya almashinuvi sekinlashadi, buning natijasida parchalanish holatlari mumkin. t-rami komponenti. Masalan, plazma, ion va elektronda harorat farqlanadi va ularning nurlanishining sekin jarayonlari sodir bo'ladi (qarang. Plazmokimyo).

Suyuqliklarda R. fazoviy-vaqt korrelyatsiyalari yordamida tasvirlanadi. molekulalarning o'zaro ta'sirining vaqt va makonda zaiflashishini tavsiflovchi funktsiyalar (korrelyatsiya). Ushbu korrelyatsiyalar qaytarilmas jarayonlarning sababidir - issiqlik o'tkazuvchanligi va yopishqoqlik (qarang. Suyuqlik). R. termodinamikni yakunlash vaqti. muvozanatni kinetik yordamida baholash mumkin. koeffitsientlar Masalan, binar eritmada vaqt R. konsentratsiyasi t! 2 /D, Bu erda L - tizimning o'lchami, D - koeffitsient. diffuziya; vaqt R. t-ry t! L 2 / x, bu erda x-koeffitsienti. termal diffuzivlik va boshqalar (batafsil ma'lumot uchun qarang Makrokinetik).

Qattiq jismlarda radiatsiya ma'lum kvazizarralar gazidagi nurlanish sifatida tavsiflanadi. Masalan, kristall holatda Past haroratdagi panjarada elastik tebranishlar fononlarning gazi (akustik tebranish) sifatida talqin qilinadi. Spin magnitlari tizimida. ferromagnit momentlari, kvazizarralar magnonlar (magnit nurlanish).

Da fazali o'tishlar R. murakkab boʻlishi mumkin. Agar muvozanat bo'lmagan holatdan muvozanat holatiga o'tish 1-tartibdagi o'tish bo'lsa, tizim avval metastabil holatga o'tishi va keyin juda sekin bo'shashishi mumkin (1-rasmga qarang). shishasimon holat). Dam olish ayniqsa qiyin. relaksatsiyalar to'plami (spektri) mavjud bo'lgan polimerlardagi o'tishlar. hodisalar, ularning har biri o'z mexanizmi tufayli yuzaga keladi. Ikkinchi tartibli fazaga o'tish nuqtasi yaqinida fazalarni tartiblash darajasi tartib parametri bilan tavsiflanadi, u nolga intiladi va uning R vaqti juda ko'p ortadi. Termodinamikdan juda uzoq davlatlardan kelgan R. xarakteri yanada murakkabroq. muvozanat. Ochiq tizimlarda quyidagi hodisalar mumkin: o'z-o'zini tashkil etish.

R. vaqtini oʻlchash kimyoda qoʻllaniladi. muvozanat tezda o'rnatiladigan jarayonlarni o'rganish uchun kinetika (qarang. Gevşeme usullari). Mexanik R. organizmda deformatsiya hosil qilgan kuchlanishning vaqt oʻtishi bilan kamayishida namoyon boʻladi. Mexanik R. viskoelastiklik bilan bogʻliq boʻlib, deformatsiya jarayonida oʻrmalanish va histerezis hodisalariga olib keladi (qarang. reologiya). Biolga nisbatan. tizimlar "R" atamasi. ba'zan fiziologik o'lim vaqtida atrof-muhit bilan qisman muvozanat (kvazsi-muvozanat) holatiga keladigan tizimning umrini tavsiflash uchun ishlatiladi. Tabiiy holatda sistemalar, R. vaqtlari kuchli tengsizliklar bilan ajratilgan; ularning o'sish yoki kamayish tartibida joylashishi tizimni ierarxiyalar ketma-ketligi sifatida ko'rib chiqishga imkon beradi. darajalari har xil tuzilmani tartibga solish darajasi (qarang Ierarxik tizimlarning termodinamiği).

Lit.: Zubarev D.N., Nonequilibrium, M., 1971; Lifshits E. M., Pitaevskiy L. P., Fizik kinetika, kitobda: Nazariy fizika, 10-jild, M., 1979; Gladishev G.P., Termodinamika va tabiiy ierarxik jarayonlar, M., 1988; Denisov E. T., Bir hil kimyoviy reaksiyalar kinetikasi, 2-nashr, M., 1988 yil.

Kimyoviy ensiklopediya. - M.: Sovet Entsiklopediyasi. Ed. I. L. Knunyants. 1988 .

Sinonimlar:

Boshqa lug'atlarda "RELAXATION" nima ekanligini ko'ring:

- (lot. relaxatio dan zaiflashish, pasayish), makroskopik holatda termodinamik muvozanatni o'rnatish jarayoni. jismoniy tizimlar (gazlar, suyuqliklar, qattiq moddalar). Makroskopik holat tizim ko'p sonli parametrlar bilan belgilanadi va o'rnatish ... ... Jismoniy ensiklopediya

dam olish- (lotincha bo'shashish, taranglikni pasaytirish, zaiflashdan) kuchli tajriba yoki jismoniy kuchdan so'ng, taranglikni bo'shatish natijasida sub'ektda yuzaga keladigan tinchlik, yengillik holati. R. beixtiyor boʻlishi mumkin (ketganda boʻshashish... ... Ajoyib psixologik ensiklopediya

Dam olish- – termodinamik tizimning tashqi ta’sirlar ta’sirida yuzaga keladigan nomutanosiblik holatidan termodinamik muvozanat holatiga bosqichma-bosqich o‘tish jarayoni. Bo'shashish jarayonlariga misollar: tanadagi kuchlanishning asta-sekin o'zgarishi ... ... Qurilish materiallarining atamalari, ta'riflari va tushuntirishlari entsiklopediyasi

- [lat. relaxatio kuchlanishni kamaytirish, zaiflashtirish] asal. skelet mushaklarining gevşemesi; ruhiy stressni bartaraf etish. Xorijiy so'zlar lug'ati. Komlev N.G., 2006. gevşeme (lot. relaxatio kuchlanishni kamaytirish, zaiflashish) 1) jismoniy. jarayon ... Rus tilidagi xorijiy so'zlar lug'ati

dam olish- va, f. dam olish, nemis Gevşeme gevşeme, kuchlanishni kamaytirish, zaiflashish. 1. jismoniy Asta-sekin muvozanat holatiga qaytish jarayoni. tizimni bunday holatdan chiqarib yuborgan omillar to'xtatilgandan so'ng ... Rus tilining gallitizmlarining tarixiy lug'ati

RELAXATION, ko'p sonli zarrachalardan tashkil topgan makroskopik fizik tizimda termodinamik muvozanatni o'rnatish jarayoni. Dam olish vaqti jarayonining xususiyatlari. Masalan: metalldagi elektronlar sistemasi uchun relaksatsiya vaqti t 10... ... Zamonaviy ensiklopediya

Fiziologiyada gevşeme yoki to'liq harakatsizlikka qadar skelet mushaklari ohangining keskin pasayishi. Patologik holat sifatida paydo bo'lishi mumkin; Sun'iy yengillikka mushak gevşeticilar yordamida erishiladi... Katta ensiklopedik lug'at

Gevşeme, termorelaksatsiya, susaytirish, zaiflash Ruscha sinonimlarning lug'ati. gevşeme ot, sinonimlar soni: 6 autorelaksation (1) ... Sinonim lug'at

- (lotincha relaxatio bo'shashish, bo'shatish, dam olishdan), 1) bo'shashish yoki skelet mushaklari tonusining keskin pasayishi. Jarrohlik aralashuvi paytida mushak gevşetici dorilarni qo'llash orqali erishilgan sun'iy yengillik qo'llaniladi.... ... Zamonaviy ensiklopediya

- (lot. relaxatio yengillik, yengillik so'zidan) mushaklarning to'liq yoki qisman bo'shashishi bilan bog'liq dam olish holati. Ular uyqu, gipnoz, farmakologik ta'sirlar va...... paytida yuzaga keladigan uzoq muddatli dam olishni ajratadilar. Psixologik lug'at