1.2 Химиялық кинетика

Химиялық реакциялар жылдамдығы және оның әр түрлі факторларға тәуелділігін зерттеумен химияның ерекше бөлімі химиялық кинетика шұғылданады.

Химиялық реакцияның жылдамдығын кесімді уақыт ішінде (секунд, сағат, жыл) әрекеттесуші заттардың концентрациясының өзгеруімен өлшейді.

Концентрация дегеніміз көлем бірлігіндегі заттың мөлшері көбінесе 1 литрдей моль саны. Мысалы, реакция басталмас бұрын заттың концентрациясы С_о (3 моль), реакция басталғанына t(5) минут өткеннен кейін өлшегенімізде С_t (2 моль) болсын, сонда реакцияның жылдамдығы:

Химиялық реакцияның жылдамдығына әрекеттесуші заттардың табиғи қасиеттерден басқа, реакция жүруіне туғызған жағдай да әсер етеді. Реакция жағдайының бастылары: әрекетесуші заттардың табиғаты, қысым, температура, әрекеттесуші заттардың концентрациясы және катализатор.

Осы жағдайлардың әсерлеріне тәуелді химиялық реакцияның жылдамдығының өзгеруін, химиялық кинетика бөлімі зерттейді.

1.2.1 Химиялық реакция жылдамдығына әрекеттесуін заттардың табиғатының әсер етуі

Заттың табиғатының химиялық реакцияның жылдамдығына әcepi үлкен.

Бұрын айтып кeткeнiмiздей кейбір реакциялар өте тез өтеді, басқалары тіпті баяу, айлап, жылдап өтеді. Мысалы:

а) 2Rb + 2Н₂О = 2RbOH + Н₂ (қопарылыс болады)

б) Ag + Н₂О → реакция өте баяу жүреді, айлап, жылдап өтeдi.

Заттардың өзара әpeкеттесулерi үшін олардың бөлшектері (молекула, атом, ион) бip-бipiмeн соқтығысуы қажет. Соқтығысу нәтижесінде бөлшектердің электрон бұлттарының тығыздықтары өзгepiп, жаңа химиялық байланыстар түзіледі. Жылдамдықтың температураға тәуелділігін Вант-Гоффтың эмпирикалық ережесімен бағалауға болады: «температура әрбір 10⁰С-қа артқанда реакцияның жылдамдығы 2-4 есе өседі».

Вант-Гофф ережесінің математикалық теңдеуін реакцияның жылдамдық константаларының не жылдамдықтарының арақатынасы арқылы өрнегі:

мұнда х - жылдамдықтың температуралық коэффициенті, жоғарыда айтылғандай оның мәні 2-4 аралығында жатады. Бұл теңдеулер жуықтап орындалатынына қарамастан көптеген процестердің температураға теуеділігін білуде маңызды роль атқарады.

Реакция жылдамдығына концентрацияның әcepi

Химиялық реакцияның тез жүруі үшін әрекеттесуші заттардың молекулалары жиі түйісулері қажет екендігі анықталады. Түйісуді жиелендіру үшін алдымен әрекеттесуші молекулалардың санын, демек концентрациясын өcipy керек. Мысалы:

Н₂ + С1₂ = 2НС1

реакциясын алайық; реакцияның жылдамдығы минутына 0,001 моль әрекеттесуіне тең болсын. Енді әрекетесуші заттардың бірінің, айталық йодтың концентрациясын 3 есе өсірсек, сонда йод пен сутек молекулаларының бip минут ішінде түйісулерінің саны үш есе артады, демек олардың арасындағы реакцияның жылдамдығы да үш есе артады; тіпті екі газдың да концентрациясын біреуінікін 3 есе, екіншісінікін 2 есе өсірсек, онда реакцияның жылдамдығы алты есе артып, минутына 0,001·3·2=0,006 моль болады.

Химиялық реакцияның жылдамдығы реакцияласушы заттардың концентрацияларының көбейтіндісіне тура пропорционал.

Мұны әрекеттесуші массалар заңы деп атайды. Бұл занның математикалык теңдеуін жазу үшін, реакцияны жалпы түрде былай жазайық:

А+В=С

А және В затының концентрациясын [А] жэне [В], реакцияның жылдамдығын деп белгілесек болады;

=k[A]·[B]

мұндағы k — пропорционалдық коэффициент.

Егер теңдеуде [А]=1 жене [В]=1 болса, онда, демек, - әрекеттесуші заттардың концентрациясы бipre тең, (1 моль/л) болған жағдайдағы реакцияның жылдамдығы. Бұл шамасы әpбip реакция үшін тұрақты шама, ол тек әрекеттесуші заттардың табиғатына және температураға тәуелді өзгереді, сондықтан оны реакцияның жылдамдық константасы деп те атайды.

Егер реакцияға заттың бip емес бірнеше молекуласы түсетін болса, онда реакция жылдамдығының теңдеуі, мысалы, былай жазылады:

2A+B=D, немесе A+A+B=D

Бұл реакцияның жүруі үшін А затының екі молекуласы мен В затының бip молекуласы бip мерзім ішінде түйісyi қажет. Ал реакция жылдамдығының теңдеуінде А затының концентрациясы екі рет алынады:

=k[A][A][B]=k[A]²[B]

Жалпы айтқанда, А затының m молімен В затының n молі реакцияласса онда:

mА + nВ = Г

реакциясының жылдамдығының теңдеуі мына түрге келеді:

= k [A]^m[B]ⁿ,

мысалы:

СО+С1₂=СОС1₂ = k [СО][С1₂]

2Н₂+О₂=2Н₂О = k [Н₂]²[О₂]

Егер реакцияға қатты заттар түсетін болса олар бүкіл массасымен емес, сыртқы беттік қабатымен реакцияласады, сондықтан реакцияның жылдамдығын аныктағанда заттың концентрациясы есепке алынбайды, тек газ және сұйық затардың ғана концентрациясы есептеледі Мысалы,

С+СО₂=2СО

Реакциясының жылдамдығы былай жазылады:

=k[CО₂]

Әрине, қатты заттың сыртқы бетінің ауданы неғұрлым үлкен болса, мысалы, көмір ұсатылған болса, реакция тезірек жүреді, бipaқ сонда да көмір есепке алынбайды.