Химиялық реакцияларға әсер етуші факторлар

Эпиграф: 
“Біз жаңалықтарды ашуға болатын ғасырда тұрғанымыз керемет! ”

 

Мазмұны:

І. Кіріспе бөлім:

   Химияның  ең басты мәселелерінің бірі  – химиялық реакциялардың                жылдамдығына әртүрлі факторлардың  әсер етуін зерттеу.

ІІ. Негізгі бөлім:

1. Реакция жылдамдығына әсер етуші факторлар:

а) әрекеттесуші заттардың табиғаты

ә) температураның әсері.

б) заттардың концентрациясының әсері.

в) катализатордың әсері.

2. Гомогенді және гетерогенді реакциялардың жылдамдығы.
3. Активтену энергиясы мен активтену энтропиясы.
4. Химялық тепе-теңдік. Ле-Шателье принципі.

ІІІ. Қорытынды бөлім:

ІV. Пайдаланылған әдебиеттер

Кіріспе. Химиялық кинетика деп химиялық реакциялардың механизмдері жайлы ілімді айтады. Бұл салада әрбір реакция жылдамдығы және оған әсер етуші концентрация, қысым, температура, катализатор, реакция жүретін орта (еріткіш) мен реакцияға түсетін заттардың табиғаты қарастырылады.

Химиялық реакциялар жылдамдығы түрліше болуы мүмкін. Мысалы, қопарылыс секундтың мыңнан бір бөлігіндей мерзімде жүрсе, ал кейбір реакциялар бірнеше сағат, тәулік, жыл, ғасыр-лар бойына жүреді. Айталық, кәдімгі темір құрғақ ауада ұзақ уақыт таттанбайды. Ал енді осы темірдің бір бөлігін ылғалды ауада ұстаса бір тәулікте, суға салса бірер сағатта-ақ тотықтана-ды. Сол сияқты тау жыныстары мен топырақ құрамындағы реак-циялар ондаған жылдар бойында жүрсе антірацит, мұнай, газ, кө-мір сияқты заттар бірнеше ондаған, жүздеген ғасырлар бойында жүретін күрделі химиялық реакциялар нәтижесінде пайда болады.

Әр түрлі технологиялық процестердің өнімділігі мен ондағы қолданылатын қондырғылардың түрі, өлшемі, кейбір биология-лық не биотехнологиялық процестердің, тыңайтқыштар мен дәрі-дәрмектердің тірі организмге әсері, тағы да көптеген қүбылыс-тар химиялық реакция жылдамдығына байланысты.

ІІ. а) әрекеттесуші заттардың табиғаты

Әрекеттесуші заттардың табиғаты – оттектің сутекпен әрекеттесуі өте жылдам, ал  сутекпен азоттың әрекеттесуі баяу жүреді.Оттек атомдарының арасындағы байланыс энергиясы 494 кДж/моль болса, азот атомдарының арасындаға байланыс энергиясы  942 кДж/моль. Азот атомдарының байланыс энергиясы жоғары болғандықтан  беріктеу азот молекуласы реакцияға қиынырақ түседі. Заттың табиғатының химиялық реакция жылдамдығына әсері үлкен. Кейбір реакциялар өте тез өтеді, басқалары өте баяу, айлап, жылдап өтеді. Мысалы:

2Rb+2H2O=2RbOH+H2  (қопарылыс болады)

Ag+H2O (реакция өте баяу жүреді)

ІІ. ә) температураның әсері.

Заттардың өзара әрекеттесулері үшін олардың бөлшектері бір- бірімен соқтығысуы қажет. Соның нәтижесінде бөлшектердің электрон бұлттарының тығыздықтары өзгеріп, жаңа хим-қ байланыстар түзіледі. Жылдамдықтың тем-ға тәуелділігін Вант- Гоффтың эмпирикалық ережесімен бағалуға болады: «тем.әрбір 10ºС-қа артқанда реакцияның жылдамдығы 2-4 есе өседі»:Вант-Гофф ережесінің математикалық теңдеуін реакцияның жылдамдық константаларының не жылдамдықтарының арақатынасы арқылы өрнектейді:

 Jt+10 /Jt = Kt+10/Kt = g

Бұл жерде: Jt және Кt - t0С температурадағы реакция жылдамдығы және жылдамдық константасы;

Jt+10 және Кt+10 – (t+10)0С температурадағы реакция жылдамдығы және жылдамдық константасы.

g - көптеген реакциялар үшін мөлшері 2 – 4 аралығында болатын реакция      жылдамдығының температуралық   коэффициенті деп аталады.

 

 

Тәжірибе жүзінде температура әрбір 100С – қа артқанда реакция жылдамдығы 2 – 4 есе өсетіндігі анықталған. Бұл ереже Вант-Гофф ережесі деп аталады.

 

 

Аррениус теңдеуі. Аррениус көптеген реакцияларда температура жоғарылаған кезде жылдамдықтың артып сызықты болмайтынына назар аударады. Реакция жылдамдығының константасы мына теңдеуге бағынады.

lgK=lgA-Eакт/2,3RT

Мұнда Еакт – активтену энергиясы, R- молярлы газ тұрақтысы, Т-абсолют температура, А-молекулалар арасындағы бір секунд ішіндегі жалпы соқтығысу саны. Соқтығысу молекулалардың рекацияға қолайлы ориентациялары кезінде молекулалар арасында болады.

 

ІІ. б) заттардың концентрациясының әсері.

Химиялық реакцияның тез жүруі үшін әрекеттесуші заттардың молекулалары жиі түйісулері қажет екендігі анықталды. Түйісуді жиілендіру үшін алдымен әрекеттесуші молекулалардың санын, демек концентрациясын өсіру керек. Реакцияның жылдамдығына әрекеттесуші заттардың концентарциясының әсерін Норвегия ғалымдары Гульдберг және Вааге 1867 жылы мынадай қорытындыға келді: Хим-қ реакцияның жылдамдығы реакцияласушы заттардың концентарцияларының көбейтіндісіне тура пропорционал. Мұны әрекеттесуші массалар заңы деп атайды.

Химиялық реакция кезінде уақыт бойынша бастапқы заттардың әрқайсысының концентрациясы азаяды (С2 < С1; DС < 0), ал реакция өнімдерінің әрқайсысының концентрациясы артады (С2 > С1, DС > 0).

Сондықтан реакция жылдамдығы теңдеуіндегі “+” таңбасы реакция нәтижесінде түзілетін зат концентрациясының өзгеруіне (DС > 0), ал “ – “ таңбасы реакцияға түсетін зат концентрациясының өзгерісіне (DС < 0) сай келеді.

Әрекеттесуші массалар заңы: Тұрақты температурада химиялық реакцияның жылдамдығы әрекеттесуші заттардың концентрацияларының көбейтіндісіне тура пропорцинал.

а А + в В = m M + n N 
типті реакция үшін массалар әрекеттесу заңы былай өрнектеледі:

                                                немесе

υ- реакция жылдамдығы; 
СА, Св немесе [A], [B] - әрекеттесуші заттардың мольдік концентрациясы (моль/л); 
К – химиялық реакция жылдамдығының константасы және сандық жағынан  
әрекеттесуші заттардың концентрациясы бірге тең болғанда (СА = 1 моль/л және Св = 1 моль/л) химиялық реакция жылдамдығына тең болады.

Егер реакцияға әрекеттесуші заттың  бірнеше молекуласы қатысатын болса, олардың санын концентрацияның дәрежесі арқылы көрсетеді.

2А + В = А2В   

ІІ. в) катализатордың әсері.

Катализатор(өршіткі) -химиялық реакциялардың жылдамдығын арттырып , бірақ реакция нәтижесінде өзгермей қалатын заттар.катализатор қатыса жүретін реакцияларды каталидік үрдістер деп атайды.Катализатор қатысындағы химиялық реакция жылдамдығының өзгерісі катализ деп аталады. Реакция жылдамдығын өзгерте отырып, өздері реакция барысында жұмсалмайтын және соңғы өнімдердің құрамына кірмейтін заттар катализаторлар деп аталады.

Кейбір катализаторлар химиялық реакция жылдамдығын тездетеді – бұл оң немесе жай катализ деп аталады.  
Кейбіреулері химиялық реакция жылдамдығын тежейді – бұл теріс катализ деп аталады.

Катализатор қатысында энергия деңгейі төмен және активті комплекс түзіледі, сондықтан реакция жылдамдығы артады.

Мысалы: Төрт валентті күкірт оксидінің (SO2), алты валентті күкірт оксидіне (SO3) катализатор (NO) қатысында тотығуын қарастыратын болсақ:

SO2 + ½ O2 = SO3

(А    +      В = АВ)

Қалыпты жағдайда реакцияласпайтын бірқатар заттар катализатор қатысында реакцияласады.

Катализатор қатысымен болатын процесстер, мысалы ас қорыту процесінде толып жатқан органикалық катализаторлар – ферменттер, ал өсімдіктердің қоректенуінде топырақ құрамында болатын минералдық ферменттер қатысады.

Әрбір химиялық реакцияның өзінің катализаторы болады, ол катализатор басқа химиялық реакцияларға әсер етпеуі де мүмкін. Кейбір жағдайда әр түрлі катализаторлар қолдану арқылы бір заттан бірнеше өнімдер алуға болады.

 

 

 

2. Гомогенді және гетерогенді реакциялардың жылдамдығы.

Гомогенді реакциялардың жылдамдығы жүйенің көлем бірлігінде және кесімді уақытта реакцияға түскен немесе рекция нәтижесінде түзілген заттардың мөлшерімен өлшенеді.

 

 

Гетерогенді реакцияның жылдамдығы фазалар айырығының аудан беті бірлігінде және кесімді уақыт реакцияға түскен немесе рекция нәтижесінде түзілген заттардың мөлшерімен өлшенеді.

 

 

Мұнда: n – рекция кезінде алынатын  
                 қандайда бір заттың немесе   
                 әрекеттесуші заттардың моль  
                 саны; 
                 V – жүйенің көлемі; 
                 t - уақыт; 
                 s – фазаның реакция өтетін беттік ауданы; 
                 D - айырмашылық белгісі.

 

Гомогенді реакция реагенттердің  арасында бүкіл көлемде жүреді, яғни реагенттердің арасында беттік бөліну болмайды.

НСl + NaOH ® HOH+ NaCl

(ер-ді)(ер-ді)  сұйық  ерітінді

Гетерогенді химиялық реакция реагентердің арасында фазалардың беттік  бөліну арaлығында жүреді.

Zn    +   НСl ® H2 + ZnCl2

қатты   ер-ді    газ     ер-ді

3. Активтену энергиясы мен активтену энтропиясы.

Молекулаларды активті күйіне айналдыру үшін жұмсалатын қосымша энергия активтену энергиясы деп аталады. Активті молекулалардың соқтығысуы нәтижесінде химиялық реакция жүруі мүмкін. Жүйенің энергетикалық өзгеруі нәтижесінде активті молекулалардың жалпы саны өсуі мүкін. Электрон тығызыдығының қайта таралуы және жаңа химиялық байланыстардың тууы мүмкін болатын ара қашықтыққа бөлшектер жақындайды. Соған байланысты соқтығысатын бөлшектердің электрон бұлттарының арасында туатын тебісу күштерін игеруге жеткілікті энергиясы болуы керек. Мұндай реакцияға қабілетті бөлшектер активтігі деп аталады, ал энергетикалық барьерді игеруге қажетті энергия реакцияның активтену энергиясы деп аталады.

 Активтену энтропиясы  әрекеттесетін молекулалардың бір-бірімен  соқтығысар кезінде қолайлы бағытталуының  сандық мөлшерін көрсетеді. Жүйедегі  әрекеттесетін заттар молекулаларының  өзара қолайлы бағытталулары  неғұрлым көп болса, активтендіру  энтропиясының сандық мәні де  соғұрлым жоғары болады, яғни  реакцияжылдам жүреді. Активтендіру  энтропиясы  DSакт жүйедегі қолайлы бағытталулар санын жалпы бағытталулар санына бөлгенге тең:

 

DSакт = қолайлы бағытталулар саны / жалпы бағытталулар саны

 

4. Химялық тепе-теңдік. Ле-Шателье принципі.

Бірдей жағдайда қарама-қарсы екі бағытта жүретін реакциялар қайтымды реакциялар деп аталады.

           Fe3O4 + 4H2 « 3Fe + 4H2O

Солдан оңға қарай жазылған реакция тура, ал оңнан солға қарай жазылған реакция кері реакция деп аталады.

Қайтымды реакцияларда, тура және кері реакциялардың жылдамдықтары теңескен күйді химиялық тепе-теңдік деп атайды.

Химиялық тепе-теңдік кезінде ракциялар тоқтап қалмайды, тек қарама-қарсы реакциялардың жылдамдықтары ғана теңесетін процесс. Сондықтан оны жылжымалы немесе динамикалық тепе-теңдік деп атайды.

Тепе-теңдіктің бұзылуынан реакцияға қатысушы заттардың концентрацияларының өзгеруін тепе-теңдіктің ығысуы деп атайды.

Мысалы:

А + Б « В + Г

J1 = K [А] × [Б]

J2 = K [В] ×[ Г ]

[А], [Б], [В], [ Г ] – заттардың концентрациялары;

J1 – тура реакцияның, ал J2 – кері реакцияның жылдамдықтары.

Химиялық тепе-теңдік кезінде тура және кері реакциялардың жылдамдықтары теңесетіндіктен J1 = J2 болады, яғни

                                  K1 [А] × [Б] = K2 [В] ×[ Г ]

 

К1 және К2 – тұрақты шамалар, сондықтан олардың қатынасы да тұрақты шама болып табылады. Оны К әрпімен белгілеп, тепе-теңдік константасы деп атайды.

 

Химиялық тепе-теңдік тұрақты жағдайда ғана қалпында болады.

Концентрацияны өзгерткеннен химиялық тепе-теңдіктің ығысу тәртібі Ле-Шателье принципіне бағынады.

Ле-Шателье принципі:   Химиялық тепе-теңдік күйіне келіп тұрған жүйе жағдайының (концентрация, температура, қысым) біреуін өзгерту, тепе-теңдікті сол өзгертуге қарсы әрекет туғызатын реакция бағытына қарай ығыстырады.

ІІІ. Қорытынды бөлім:

 

ІV. Пайдаланылған әдебиеттер:

1. Химия. Н.Нұрахметов, А.Ниязбаева, Р.Рысқалиева, Н.Далабаева. — Алматы: "Мектеп" баспасы, 2007. – 336 бет.

 

start="2"

 "Қазақ Энциклопедиясы", 8 том

 

3. Жалпы химия. Б.А. Бірімжанов. – Алматы: ЖШС РПБК «Дәуір» баспасы, 2011. – 752 бет.

 

4. Жалпы және анорганикалық химия. К. Аханбев. – Алматы: «Санат» баспасы, 1999. – 560 бет.