Химиялық кинетика. Жылдамдықтың концентра-цияға, температураға тәуелділігі. Жылдамдық конс-тантасының физикалық мағанасы.

Химиялық кинетика

Химиялық өзгерістердің жылдамдығы мен механизмін химияның ерекше жеке бөлімі – химиялық кинетика зерттейді.

Кинетикалық теорияның міндеттері – химиялық реакция жылдамдығының әр түрлі факторларға: әрекеттесуші заттардың табиғаты мен концентрациясына, температураға, катализаторға және еріткіштерге т.б. тәуелділігін табу.

Химиялық процестердің заңдылығын білу оларды дұрыс басқаруға мүмкіндік береді, яғни қажетті комплексті қасиеті бар өнім алу, осындай өнім алудың жылдамдығын арттыру, сонымен қатар қажетсіз процестерді азайту.

Реакциялар гомогенді және гетерогенді болады. Гомогенді реакциялар біртекті ортада жүреді; бүкіл көлемінде (мысалы, газдар арасында немесе ерітіндіде). Гетерогенді реакциялар әртекті фазалар шегінде жүреді: қатты, сұйық, газ.

Химиялық реакцияның жылдамдығы. Реакция жылдамдығы, әдетте, әрекеттесуші заттар концентрациясының уақыт аралығындағы өзгерісін сипаттайды. Ерітінділерде концентрация – моль/л, газдарда – парциальды қысыммен, уақыт секундпен беріледі.

Концентрация өзгерісі С=С2-С1 ал уақыт аралығы =2-1 болса, жылдамдық :

Өлшем бірлігі: моль/м ² ∙с, моль/м² ∙мин.

+, - әрекеттесуші заттар концентрациясы кеміп, реакция өнімі орта болғандықтан қойылады. Реакция жылдамдығы туралы жүйенің белгілі –бір қасиетінің өзгеру жылдамдығы бойынша бағалауға болады, мысалы түсі, электрөткізгіштігі, спектр түрі, тұнба түсі, газ бөлінуі және т.б.

Әсер етуші массалар заңы. Тепе-теңдік константасы

Тұрақты температурада гомогенді химиялық реакция жылдамдығы стехиометриялық коэффициенттері дәрежесінде көрсетілген әрекеттесуші заттар концентрациясының көбейтіндісіне тура пропорционал.

Химиялық реакция жылдамдығының температураға тәуелділігі

Тәжірибе жүзінде табылған Вант-Гофф ережесімен сипатталынады: температураны әр 10⁰С-ға арттырғанда реакция жылдамдығы 2-4 есе өседі.

 - реакция жылдамдығының температуралық коэффициенті. Мәні 2-4 аралығында болады. Мысалы, =2 болғанда, температураны 100⁰С-ға арттырғанда, химиялық реакция жылдамдығы 1024 рет өседі. Себебі:

соқтығысу саны бұл жағдайда небәрі 1,2 рет өседі.

Активтендіру энергиясы

Соқтығысушы бөлшектер олардың электрондық бұлттарының арасында пайда болатын тебіліс күштерін (энергетикалық барьер) жоюға жеткілікті энергиясы болса ғана, әрекеттесуі мүмкін. Осындай реакцияға түскіш бөлшектерді активтілер деп атайды да, энергетикалық барьерді (асуды) жоюға қажетті энергияны активтендіру энергиясы дейді.

Әрекеттесуші заттарды активті комплекс күйіне өзгертуге, ауыстыруға қажетті энергияны активтендіру энергиясы дейміз. Температура артқан сайын активті молекулалар саны тез өседі, бұл реакция жылдамдығының күрт артуына әкеледі. Жылдамдық константасының активтендіру энергиясына тәуелділігі Аррениус теңдеуімен өрнектелінеді:

К=ZPe^-Eа/RT

^{ХИМИЯЛЫҚ ТЕПЕ ТЕҢДІК. ТЕПЕ ТЕҢДІК КОНСТАНТАСЫ}

^{Химиялық тепе-теңдік}

^{Кейбір химиялық реакциялар бір бағытта ғана жүреді, бастапқы заттар толығымен реакция өніміне ауысқанша. Мысалы:}

^2КClO₃ ^{ 2KCl+3O}₂^

^{Көптеген реакциялар қайтымды. Бастапқы заттар концентрациясының азаюы, реакция өнімдерінің концентрациясының өсуіне әкеледі. Реакция өнімдері өзара әрекеттесіп, бастапқы заттар түзіледі. Қайтымды реакцияларда (=) белгісі  белгісімен ауыстырылады.}

^{Екі газдың әрекеттесуі нәтижесінде СО и NO}₂ ^{газ азайып, тура және кері реакция жылдамдығы теңескенде тоқтайды, химиялық тепе-теңдік орнайды.}

^NO₂^{+CO  NO+CO}₂

^{Тура реакция жылдамдығы: V}₁^=K₁^C_NO2^C_CO^.

^{Кері реакция жылдамдығы: V}₂^=K₂^C_NO^C_CO2^.

^{Химиялық тепе-теңдік орнағанда:}

^V₁^=V₂^{, осыдан К}₁^C_NO2^C_CO ^{= K}₂^C_NO^C_CO2^.

^К₁ ^{және К}₂ ^{белгілі бір температурада тұрақты болса, олардың қатынасы да тұрақты болады:}

^{тепе-теңдігі}

^К_р ^{– тепе-теңдік константасы динамикалық тепе-теңдік күйінде тұрған процестер үшін әсер етуші массалар заңын көрсетеді. Тепе-теңдік константасына кіретін концентрацияларды тепе-теңдік концентрациясы дейміз.}

^{Химиялық тепе-теңдіктің ығысуы. Ле-Шателье принципі}

^{Химиялық тепе-теңдік жағдайы көптеген факторларға байланысты: температураға, қысымға, концентрацияға және т.б. Осы факторлардың біреуін өзгерткенде химиялық тепе-теңдік ығысады. Тепе-теңдікте тұрған жүйеде барлық қоспаның концентрациясын өзгертпей-ақ, осы заттардың біреуінің ғана концентрациясын өзгертуге болмайды.}

^{Осы жағдайды 1884 ж.ғалым Ле-Шателье былай тұжырымдады:}

^{Тепе-теңдікте тұрған жүйеге сырттан әсер етсе, тепе-теңдік сол жасаған жағдайға қарама-қарсы жаққа қарай ығысады.}

^{Тепе-теңдік күйдегі жүйеге сырттан әсер еткенде, жүйеде осы әсерді азайтатын процесс күшейеді:}

^3H₂^+N₂ ^{ 2NH}₃^+46,2кДж

^{ХИМИЯНЫҢ НЕГІЗГІ ЗАҢДАРЫ: ГАЗ ЗАҢДАРЫ (Гей Люссак , Бойль Марриот, Менделеев клайперон)}

^{Химияның негізгі заңдары}

^{1.Массаның және энергияның сақталу заңын 1748 жылы М.В.Ломоносов тұжырымдаған: Химиялық реакцияға қатысушы заттардың массасы өзгермейді.}

^{1905 жылы Эйнштейн энергия мен массаның өзара байланысын, тәуелділігін көрсеткен. E=mc , c=3108м/с}

^{Атом молекулалық теория тұрғысынан қарағанда тұрақты массаға ие атомдар жойылмайды, жоқтан пайда болмайды.}

^{Бұл тұжырым зат массасының сақталуын көрсетеді және тәжірибе жүзінде}

^{дәлелденген. Осы заңға сүйене отырып, химиялық теңдеулер құрылады.}

^{Реакция теңдеулері арқылы жасалатын сандық есептеулер – стехиометриялық есептеулер деп аталады. Барлық сандық есептеулерге, негізінен, зат массасының сақталу заңы жатады, сонымен өндірісті жоспарлауға, бақылауға болады.}

^{2. Құрам тұрақтылық заңын 1808 жылдары француз ғалымы Пруст тұжырымдаған: кез-келген таза заттың алыну жолдарына қарамастан, сапалық және сандық құрамы тұрақты болады, егер берілген агрегаттық күйде молекулалық құрылымдары болса. Судың құрамында массасы бойынша 11,19% сутегі, 88,81% оттегі болады, бұл сандық құрамы, ал сутегі (Н) мен оттегі (О) элементтері – сапалық құрамын көрсетеді.}

^{3. Еселік қатынас заңын 1803 жылдары ағылшын ғалымы Дальтон ашқан, газ-бу күйіндегі қосылыстарға тән заңдылық. Егер екі элемент бір-бірімен бірнеше молекулалық қосылыс түзетін болса, онда бір элементтің белгілі бір тұрақты массасына келетін екінші элементтің массаларының өзара қатынасы кіші бүтін сандардың қатынасындай болады.}

^{Мысалы, СО және СО}₂ ^{үшін оттегінің 16 массалық бөлігіне келетін көміртегінің мөлшері СО үшін 12, ал СО}₂ ^{үшін 6. Демек, көміртегінің осы қосылыстардағы қатынасы 12/6 тең, яғни 2/1 қатынасындай.}

^{4. Эквиваленттер заңын 1791 жылы Рихтер ашқан. Элемент атомдары бірімен-бірі нақты алынған эквиваленттік қатынаста әрекеттеседі.}

^{Мысалы: элементтің молярлық массасы оның валенттілігіне қатынасымен анықталынады. Су молекуласында:}

^Al₂^O₃ ^{молекуласында:}

^{Эквивалент заңы:}

^{Әрекеттесуші заттар массаларының қатынасы олардың эквиваленттерінің молярлық массасының қатынасындай болады.}

^{Математикалық өрнегі:}

^{мұндағы, m}₁ ^{және m}₂ ^{- әрекеттесуші заттар массасы;}

^{және – олардың эквиваленттерінің молярлық массасы.}

^{Егер әрекеттесуші заттардың мөлшері массамен емес, көлемімен сипатталса (V}_(x)^{), эквивалент өрнегіндегі молярлық масса (Э) эквиваленттің молярлық көлемімен ауыстырылады:}

^{5. Заттың газ күйіндегі заңдары}

^{Гей-Люссак заңы бойынша: қысым тұрақты болғанда (Р=const) газдың}

^{берілген массасының көлемі абсолюттік температураға тура пропорционал}

^{болады.}

^{Бойль-Мариотт заңы бойынша: тұрақты температурада (Т=const) берілген газ массасының көлемі олардың қысымына кері пропорционал болады:}

^P₁^V₁^=P₂^V₂^{= ... = P}_n^V_n^=const

^{Осы екі заңды біріктіре отырып және қалыпты жағдайдағы газдардың күйін P}₀^{, V}₀^{, T}₀ ^{деп белгілеп, Клайперон теңдеуін аламыз:}

^{Бұл теңдеуден кез-келген газ көлемін қалыпты жағдайға келтіруге болады:}

^{Қалыпты жағдайда: Р}₀^{=101,325 кПа, немесе 1 атм. немесе 760 мм сн. бағ.}

^Т₀^{=273 К немесе 00С, V}₀^{=22,4 л.}

^{R- универсал газ тұрақтысы деп аталады, берілген жағдайға байланысты өлшем бірлігі әр түрлі болады:}

^R₁^{=8,314Дж/мольК,}

^R₂^{=1,987кал/мольград,}

^R₃^{=0,082латм/мольград.}

^{І-теңдеу n-моль газ мөлшері үшін:}

^P₁^V₁^{= nRT немесе (ІІ) Клайперон-Менделеев теңдеуі.}