4 Химиялық реакция жылдамдығына катализатордың әсері

 

          Катализаторлар деп реакция жылдамдығын өзгертетін, өздері процесс аяқталғанда құрамы және массасы бойынша өзгермейтін заттарды айтады. Катализаторлардың қатысында химиялық реакциялардың жылдамдатылу құбылысы  катализ деп,  ал  баяулатылуы – ингибирлеу деп аталады.

         Катализдің екі түрі болады – гомогенді және гетерогенді: гомогенді катализде бастапқы реагенттер мен катализатор бір фазада (газ немесе сұйықта); гетерогендіде – газ тәрізді немесе сұйық  реагенттер қатты катализатордың бетінде әрекеттеседі. Катализатордың әсері келесі: оның қатысында химиялық процестің активтендіру энергиясы азаяды. Катализатор  процестің аралық элементарлы стадияларының біреуіне қатысып, реакция реагенттерінің біреуімен реакцияға түсіп, активтендіру энергиясы (Е_а) төменірек болатын активтендірілген кешенді түзеді.

          Катализатордың реакция жылдамдығына сандық әсері Аррениус теңдеуімен анықталады. Бұл теңдеудің математикалық түрлендірілуі катализатордың қатысындағы  және катализаторсыз  жылдамдық тұрақтыларының мәндерінің арасындағы байланысын көрсетеді:

,                                                       (2.8)

          мұнда  - катализатордың қатысындағы активтендіру энергиясының азаюы; 

 және   - катализаторсыз және катализатордың қатысында реакция жылдамдықтарының тұрақтылары.

 

Типтік есеп №3

           катализаторсыз және катализатордың қатысында сәйкесінше 184 және 108 кДж/моль тең. T = 1000K  катализатордың қатысында реакция жылдамдығы қанша есе артады?

Шығарылуы

          а)     Активтендіру энергиялардың айырымын анықтайық:

.

          б)  (2.8) теңдеу бойынша реакция жылдамдықтары тұрақтыларының қатынасын есептейік:

;     .

      Жауабы: реакция жылдамдығы 9500 есе артты.

 

5 Химиялық тепе-теңдіктің негізгі түсініктері мен белгілері

 

          Тек бір бағытта және аяғына дейін жүретін реакциялар қайтымсыз деп аталады.

2Na_(қ)  +  2НОН_(с)  ®  Н_2(г)  +  2NaOH_(еp-ді) ,

         Бір мезгілде тура және кері бағыттарда өтетін реакцияларды қайтымды

деп атайды.

N_2(г)  +  3H_2(г)  Û  2NH_3(г).

 

1) Қайтымды реакция кезінде тура және кері процестердің жылдамдықтары теңесетін жылжымалы химиялық тепе-теңдік орнайды: .

 

 

 

 

 

 

2) Қайтымды жүйеде тепе-теңдік орнаған кезде тепе-тең жүйенің барлық заттарының концентрациялары өзгермейді. Мұндай концентрациялар әдетте тік жақшаға алынады (мысалы: [N₂], [H₂], [NH₃]) және тепе-теңдік концентрациялар деп аталады.

 

 

 

 

 

 

3) Химиялық тепе-теңдік динамикалық болады, яғни тура және кері реакциялар өте береді, бірақ жылдамдықтары бірдей болады.

4) Әрбір химиялық тепе-теңдік концентрацияның, температураның, қысымның белгілі мәндерінде орнайды. Осы жағдайлардың біреуін өзгерту химиялық тепе-теңдуктің ығысуына және жаңа химиялық тепе-теңдіктің орналасуына әкеледі.

 

6 Тепе-теңдік жүйе үшін әрекеттесуші массалар заңы

 

          Реагенттер арасында фазалардың бөлу беті болмаса химиялық тепе-теңдік гомогенді деп аталады.

N_2(г) + 3Н_2(г)    2NH_3(г).

          Егер тепе-теңдік химиялық жүйенің реагенттері арасында фазалардың бөлу беті болса, мұндай тепе-теңдік гетерогенді деп аталады.

СаСО_3(қ)     СаО_(қ)   +  СО_2(г).

          Реагенттер мен реакция өнімдерінің тепе-теңдік концентрацияларының арасындағы байланысты әрекеттесуші массалар заңы өрнектейді: стехиометриялық коэффициенттерге тең болатын көрсеткіш дәрежесіндегі өнімдер тепе-теңдік концентрациялар көбейтіндісінің  реагенттер тепе-теңдік концентрацияларының көбейтіндісіне қатынасы тұрақты температурада тұрақты шама болады.

Бұл тұрақты шама тепе-теңдік тұрақтысы (К) деп аталады.

         

mA +  nB  Û  pC  +  gD гипотезалық қайтымды гомогенді  реакциясы үшін әрекеттесуші массалар заңы математикалық тұрғыдаан келесі теңдеумен өрнектеледі:

      немесе       ,                               (2.9)

         мұнда [A], [B], [C], [Д] – заттардың тепе-теңдік молярлы концентрациялары (моль/л);

m, n, p, g – реакция теңдеуіндегі стехиометриялық коэффициенттер;

k_1, k₂ – тура және кері реакциялардың жылдамдық тұрақтылары.

          Тепе-теңдік тұрақтысы теңдеуіне қатты фазадағы және артық мөлшерде                     алынған сұйықтықтардың концентрацияларын енгізбейді, себебі бұл концентрациялар тұрақты шамалар болып саналады.

          Химиялық тепе-теңдік тұрақтысы әрекеттесуші заттар табиғатына және ортаның температурасына тәуелді, бірақ заттар концентрациясы мен катализатордың қатысына тәуелді емес.

          Тепе-теңдік тұрақтысы жүйе тепе-теңдік күйіне жеткенде процестің өтуінің тереңдігін анықтайды. Бұл шама неғұрлым үлкен болса, соғұрлым реагенттердің өнімге айналу дәрежесі де жоғары болады.