Bir kimyasal reaksiyonun hızı- Birim reaksiyon uzayında birim zaman başına reaksiyona giren maddelerden birinin miktarındaki değişiklik.

Aşağıdaki faktörler bir kimyasal reaksiyonun hızını etkiler:

• reaktanların doğası;
• reaktanların konsantrasyonu;
• reaktanların temas yüzeyi (heterojen reaksiyonlarda);
• hava sıcaklığı;
• katalizörlerin eylemi.

Aktif çarpışmalar teorisi Bazı faktörlerin kimyasal reaksiyon hızı üzerindeki etkisini açıklamaya izin verir. Bu teorinin ana hükümleri:

• Reaksiyonlar, belirli bir enerjiye sahip reaktan parçacıkları çarpıştığında meydana gelir.
• Reaktif partikülleri ne kadar fazlaysa, birbirlerine o kadar yakınlar, çarpışma ve reaksiyon gösterme olasılıkları o kadar yüksek olur.
• Sadece etkili çarpışmalar reaksiyona yol açar, yani. "eski bağların" yok edildiği veya zayıfladığı ve dolayısıyla "yeni" bağların oluşabileceği bağlar. Bunu yapmak için, parçacıkların yeterli enerjiye sahip olması gerekir.
• Tepkimeye giren parçacıkların verimli çarpışması için gereken minimum fazla enerjiye denir. aktivasyon enerjisi Ea.
• Kimyasalların aktivitesi, onları içeren reaksiyonların düşük aktivasyon enerjisinde kendini gösterir. Aktivasyon enerjisi ne kadar düşükse, reaksiyon hızı o kadar yüksek olur.Örneğin, katyonlar ve anyonlar arasındaki reaksiyonlarda aktivasyon enerjisi çok düşüktür, bu nedenle bu tür reaksiyonlar neredeyse anında gerçekleşir.

Reaktan konsantrasyonunun reaksiyon hızı üzerindeki etkisi

Tepkimeye girenlerin konsantrasyonu arttıkça tepkimenin hızı da artar. Bir reaksiyona girmek için, iki kimyasal parçacığın birbirine yaklaşması gerekir, bu nedenle reaksiyon hızı, aralarındaki çarpışma sayısına bağlıdır. Belirli bir hacimdeki partikül sayısındaki artış, daha sık çarpışmalara ve reaksiyon hızında bir artışa yol açar.

Basıncın artması veya karışımın kapladığı hacmin azalması, gaz fazında meydana gelen reaksiyon hızında bir artışa yol açacaktır.

1867'deki deneysel verilere dayanarak, Norveçli bilim adamları K. Guldberg ve P Vaage ve 1865'te onlardan bağımsız olarak, Rus bilim adamı N.I. Beketov, kimyasal kinetiklerin temel yasasını formüle etti. reaksiyon hızının reaksiyona giren maddelerin konsantrasyonlarına bağımlılığı -

Kütle eylemi yasası (LMA):

Bir kimyasal reaksiyonun hızı, reaksiyon denklemindeki katsayılarına eşit güçlerde alınan reaktanların konsantrasyonlarının ürünü ile orantılıdır. ("etkili kütle", modern "konsantrasyon" kavramıyla eşanlamlıdır)

bir +bB =cc +dd, nerede k reaksiyon hızı sabitidir

ZDM, yalnızca bir aşamada meydana gelen temel kimyasal reaksiyonlar için gerçekleştirilir. Reaksiyon birkaç aşamadan geçerek sırayla ilerliyorsa, tüm sürecin toplam hızı en yavaş kısmı tarafından belirlenir.

Çeşitli reaksiyon türlerinin oranları için ifadeler

ZDM homojen reaksiyonları ifade eder. Reaksiyon heterojen ise (reaktifler farklı kümelenme durumlarındaysa), o zaman MDM denklemine yalnızca sıvı veya yalnızca gaz halindeki reaktifler girer ve katı olanlar hariç tutularak yalnızca hız sabiti k'yi etkiler.

reaksiyon molekülerliği temel bir kimyasal süreçte yer alan minimum molekül sayısıdır. Molekülerliğe göre, temel kimyasal reaksiyonlar moleküler (A →) ve bimoleküler (A + B →) olarak ayrılır; trimoleküler reaksiyonlar son derece nadirdir.

Heterojen reaksiyonların oranı

• bağlıdır maddelerin temas ettiği yüzey alanı, yani maddelerin öğütülme derecesi, reaktiflerin karıştırılmasının eksiksizliği.
• Bir örnek, odun yakılmasıdır. Bütün bir kütük havada nispeten yavaş yanar. Ahşabın hava ile temas yüzeyini arttırırsanız, kütüğü talaşlara bölerseniz, yanma hızı artacaktır.
• Piroforik demir, bir filtre kağıdı tabakasına dökülür. Düşme sırasında demir parçacıkları ısınır ve kağıdı ateşe verir.

Sıcaklığın reaksiyon hızına etkisi

19. yüzyılda Hollandalı bilim adamı Van't Hoff, sıcaklık 10 °C arttığında birçok reaksiyonun hızının 2-4 kat arttığını deneysel olarak keşfetti.

Van't Hoff kuralı

Sıcaklıktaki her 10 ◦C artış için reaksiyon hızı 2-4 kat artar.

Burada γ (Yunanca harf "gamma") - sözde sıcaklık katsayısı veya van't Hoff katsayısı, 2'den 4'e kadar değerler alır.

Her spesifik reaksiyon için sıcaklık katsayısı ampirik olarak belirlenir. Belirli bir kimyasal reaksiyonun hızının (ve hız sabitinin) sıcaklıktaki her 10 derecelik artışla tam olarak kaç kat arttığını gösterir.

Van't Hoff kuralı, sıcaklıkta bir artış veya azalma ile bir reaksiyonun hız sabitindeki değişikliği yaklaşık olarak tahmin etmek için kullanılır. Hız sabiti ile sıcaklık arasında daha doğru bir ilişki İsveçli kimyager Svante Arrhenius tarafından kurulmuştur:

Nasıl daha fazla E belirli bir reaksiyon, daha küçük(belirli bir sıcaklıkta) bu reaksiyonun hız sabiti k (ve hız) olacaktır. T'deki bir artış, hız sabitinde bir artışa yol açar; bu, sıcaklıktaki bir artışın, aktivasyon bariyeri Ea'yı aşabilen "enerjik" moleküllerin sayısında hızlı bir artışa yol açması gerçeğiyle açıklanır.

Bir katalizörün reaksiyon hızı üzerindeki etkisi

Reaksiyon mekanizmasını değiştiren ve onu daha düşük bir aktivasyon enerjisi ile enerjik olarak daha uygun bir yola yönlendiren özel maddeler kullanarak reaksiyon hızını değiştirmek mümkündür.

katalizörler- Bunlar, bir kimyasal reaksiyona katılan ve hızını artıran, ancak reaksiyonun sonunda nitelik ve nicelik olarak değişmeden kalan maddelerdir.

inhibitörleri- Kimyasal reaksiyonları yavaşlatan maddeler.

Bir kimyasal reaksiyonun hızını veya yönünü katalizör yardımıyla değiştirmeye denir. kataliz .

Bir kimyasal reaksiyonun hızı, reaktanların doğası, reaktanların konsantrasyonu, sıcaklık ve katalizörlerin varlığı dahil olmak üzere birçok faktöre bağlıdır. Bu faktörleri ele alalım.

1). Reaktanların doğası. İyonik bağa sahip maddeler arasında bir etkileşim varsa, reaksiyon kovalent bağa sahip maddelerden daha hızlı ilerler.

2.) reaktan konsantrasyonu. Bir kimyasal tepkimenin gerçekleşebilmesi için tepkimeye girenlerin moleküllerinin çarpışması gerekir. Yani moleküller birbirine o kadar yakın olmalıdır ki, bir parçacığın atomları diğerinin elektrik alanlarının etkisini deneyimlemelidir. Sadece bu durumda elektronların geçişleri ve buna karşılık gelen atomların yeniden düzenlenmesi, hangi yeni maddelerin moleküllerinin oluşmasının bir sonucu olarak mümkün olacaktır. Bu nedenle, kimyasal reaksiyonların hızı, moleküller arasında meydana gelen çarpışmaların sayısı ile orantılıdır ve çarpışmaların sayısı, sırayla, reaktanların konsantrasyonu ile orantılıdır. Deneysel materyal temelinde, Norveçli bilim adamları Guldberg ve Waage ve onlardan bağımsız olarak, 1867'de Rus bilim adamı Beketov, kimyasal kinetik temel yasasını formüle etti - kitle eylemi yasası(ZDM): sabit bir sıcaklıkta, bir kimyasal reaksiyonun hızı, tepkenlerin konsantrasyonlarının çarpımı ile stokiyometrik katsayılarının gücü ile doğru orantılıdır. Genel durum için:

kitle eylemi yasası şu şekildedir:

Belirli bir tepkime için kütle etki yasasına denir. reaksiyonun ana kinetik denklemi. Temel kinetik denklemde k, reaktanların doğasına ve sıcaklığa bağlı olan reaksiyon hızı sabitidir.

Çoğu kimyasal reaksiyon geri dönüşümlüdür. Bu tür reaksiyonlar sırasında, ürünleri biriktikçe birbirleriyle reaksiyona girerek başlangıç ​​maddelerini oluşturur:

İleri reaksiyon hızı:

Geri bildirim oranı:

Denge anında:

Buradan, bir denge durumunda hareket eden kütleler yasası şu şekli alacaktır:

burada K, reaksiyonun denge sabitidir.

3) Sıcaklığın reaksiyon hızına etkisi. Kural olarak kimyasal reaksiyonların hızı, sıcaklık aşıldığında artar. Bunu hidrojenin oksijenle etkileşimi örneğini kullanarak düşünelim.

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O

20 0 C'de reaksiyon hızı neredeyse sıfırdır ve etkileşimin %15 oranında geçmesi 54 milyar yıl alacaktır. 500 0 C'de suyun oluşması 50 dakika sürer ve 700 0 C'de reaksiyon anında ilerler.

Reaksiyon hızının sıcaklığa bağımlılığı ifade edilir van't Hoff kuralı: sıcaklıkta yaklaşık 10 artış ile reaksiyon hızı 2 - 4 kat artar. Van't Hoff kuralı şöyle yazılır:

4) Katalizörlerin etkisi. Kimyasal reaksiyonların hızı şu şekilde kontrol edilebilir: katalizörler- reaksiyonun hızını değiştiren ve reaksiyondan sonra değişmeden kalan maddeler. Katalizör varlığında tepkimenin hızındaki değişime kataliz denir. Ayırmak pozitif(reaksiyon hızı artar) ve olumsuz(reaksiyon hızı azalır) kataliz. Bazen reaksiyon sırasında katalizör oluşur, bu tür işlemlere otokatalitik denir. Homojen ve heterojen katalizi ayırt eder.

saat homojen Katalizde, katalizör ve reaktanlar aynı fazdadır. Örneğin:

saat heterojen Katalizde, katalizör ve reaktanlar farklı fazlardadır. Örneğin:

Heterojen kataliz, enzimatik süreçlerle ilişkilidir. Canlı organizmalarda meydana gelen tüm kimyasal süreçler, belirli özel işlevlere sahip proteinler olan enzimler tarafından katalize edilir. Enzimatik süreçlerin yer aldığı çözeltilerde, açıkça tanımlanmış bir faz ara yüzünün olmaması nedeniyle tipik bir heterojen ortam yoktur. Bu tür işlemlere mikroheterojen kataliz denir.

§ 12. ENZİMATİF TEPKİMELERİN KİNETİKLERİ

Enzimatik reaksiyonların kinetiği, enzimatik reaksiyonların oranlarının, çeşitli faktörlere bağımlılıklarının bilimidir. Bir enzimatik reaksiyonun hızı, belirli koşullar altında birim hacim başına birim zamanda reaksiyona giren substratın kimyasal miktarı veya sonuçtaki reaksiyon ürünü ile belirlenir:

burada v enzimatik reaksiyonun hızıdır, substratın veya reaksiyon ürününün konsantrasyonundaki değişikliktir ve t zamandır.

Bir enzimatik reaksiyonun hızı, aktivitesini belirleyen enzimin doğasına bağlıdır. Enzimin aktivitesi ne kadar yüksek olursa, reaksiyon hızı o kadar yüksek olur. Enzim aktivitesi, enzim tarafından katalize edilen reaksiyon hızı ile belirlenir. Enzim aktivitesinin bir ölçüsü, bir standart enzim aktivitesi birimidir. Standart bir enzim aktivitesi birimi, 1 µmol substratın dönüşümünü 1 dakikada katalize eden enzim miktarıdır.

Enzimatik reaksiyon sırasında, enzim (E) substrat (S) ile etkileşime girerek bir enzim-substrat kompleksinin oluşumuna neden olur, bu daha sonra enzimin salınımı ve reaksiyonun ürünü (P) ile ayrışır:

Bir enzimatik reaksiyonun hızı birçok faktöre bağlıdır: substrat ve enzimin konsantrasyonu, sıcaklık, ortamın pH'ı, enzimlerin aktivitesini artırabilen veya azaltabilen çeşitli düzenleyici maddelerin varlığı.

Bilmek ilginç! Enzimler tıpta çeşitli hastalıkları teşhis etmek için kullanılır. Kandaki kalp kasının hasar görmesi ve çürümesi nedeniyle miyokard enfarktüsünde aspartat transaminaz ve alanin aminotransferaz enzimlerinin içeriği keskin bir şekilde artar. Aktivitelerinin tanımlanması, bu hastalığın teşhisine izin verir.

Substrat ve Enzim Konsantrasyonlarının Enzimatik Reaksiyon Hızına Etkisi

Substrat konsantrasyonunun enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisini düşünün (Şekil 30.). Düşük substrat konsantrasyonlarında hız, konsantrasyonu ile doğru orantılıdır; daha sonra artan konsantrasyonla reaksiyon hızı daha yavaş artar ve çok yüksek substrat konsantrasyonlarında hız pratikte konsantrasyonundan bağımsızdır ve maksimum değerine (Vmax) ulaşır. . Bu tür substrat konsantrasyonlarında, tüm enzim molekülleri, enzim-substrat kompleksinin bir parçasıdır ve enzimin aktif bölgelerinin tam doygunluğu sağlanır, bu nedenle bu durumda reaksiyon hızı, substrat konsantrasyonundan pratik olarak bağımsızdır.

Pirinç. 30. Enzimatik reaksiyon hızının substrat konsantrasyonuna bağımlılığı

Enzim aktivitesinin substrat konsantrasyonuna bağımlılığının grafiği, adını araştırmaya büyük katkı sağlayan seçkin bilim adamları L.Michaelis ve M.Menten'in onuruna verilen Michaelis-Menten denklemi ile açıklanmaktadır. enzimatik reaksiyonların kinetiği,

burada v enzimatik reaksiyonun hızıdır; [S] substrat konsantrasyonudur; KM, Michaelis sabitidir.

Michaelis sabitinin fiziksel anlamını ele alalım. v = ½ V max olması koşuluyla, K M = [S] elde ederiz. Böylece, Michaelis sabiti, reaksiyon hızının maksimumun yarısı olduğu substrat konsantrasyonuna eşittir.

Enzimatik reaksiyonun hızı aynı zamanda enzimin konsantrasyonuna da bağlıdır (Şekil 31). Bu ilişki lineerdir.

Pirinç. 31. Enzimatik reaksiyon hızının enzim konsantrasyonuna bağımlılığı

Sıcaklığın enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi

Enzimatik reaksiyon hızının sıcaklığa bağımlılığı, Şek. 32.

Pirinç. 32. Enzimatik reaksiyon hızının sıcaklığa bağımlılığı.

Düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 40 - 50 o C'ye kadar), van't Hoff kuralına göre her 10 o C'de bir sıcaklıktaki artışa, kimyasal reaksiyon hızında 2 - 4'lük bir artış eşlik eder. zamanlar. 55 - 60 ° C'nin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda, termal denatürasyonu nedeniyle enzimin aktivitesi keskin bir şekilde azalır ve sonuç olarak enzimatik reaksiyon hızında keskin bir düşüş gözlenir. Enzimlerin maksimum aktivitesi genellikle 40 - 60 o C aralığında gözlenir. Enzim aktivitesinin maksimum olduğu sıcaklığa optimum sıcaklık denir. Termofilik mikroorganizmaların enzimlerinin sıcaklık optimumu, daha yüksek sıcaklıklar bölgesindedir.

pH'ın enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi

Enzimatik aktivitenin pH'a bağımlılığının grafiği, Şek. 33.

Pirinç. 33. pH'ın enzimatik reaksiyon hızı üzerindeki etkisi

pH-bağımlılık grafiği çan şeklindedir. Enzim aktivitesinin maksimum olduğu pH değerine denir. pH optimum enzim. Çeşitli enzimler için pH optimum değerleri çok değişkendir.

Enzimatik reaksiyonun pH'a bağımlılığının doğası, bu göstergenin aşağıdakileri etkilemesi ile belirlenir:

a) katalize katılan amino asit kalıntılarının iyonizasyonu,

b) substratın iyonlaşması,

c) enzimin yapısı ve aktif bölgesi.

enzim inhibisyonu

Bir enzimatik reaksiyonun hızı, adı verilen bir dizi kimyasalın etkisiyle azaltılabilir. inhibitörler. Siyanürler gibi bazı inhibitörler insanlar için zehirlidir, diğerleri ise ilaç olarak kullanılır.

İnhibitörler iki ana tipe ayrılabilir: geri döndürülemez ve tersine çevrilebilir. Geri dönüşü olmayan inhibitörler (I), enzim aktivitesinin restorasyonu ile ayrışması imkansız olan bir kompleks oluşturmak için enzime bağlanır:

Tersinir olmayan bir inhibitörün bir örneği, diizopropilflorofosfattır (DFF). DPP, sinir uyarı iletiminde önemli bir rol oynayan asetilkolinesteraz enzimini inhibe eder. Bu inhibitör, enzimin aktif bölgesinin serini ile etkileşir ve böylece ikincisinin aktivitesini bloke eder. Sonuç olarak, nöronların sinir hücrelerinin süreçlerinin sinir impulsu yapma yeteneği bozulur. DFF, ilk sinir ajanlarından biridir. Buna dayanarak, insanlar ve hayvanlar için nispeten toksik olmayan bir dizi yaratılmıştır. böcek öldürücüler - böcekler için zehirli maddeler.

Tersinir inhibitörler, tersinmez inhibitörlerden farklı olarak, belirli koşullar altında enzimden kolaylıkla ayrılabilirler. İkincisinin etkinliği geri yüklenir:

Tersinir inhibitörler şunları içerir: rekabetçi ve rekabetçi olmayan inhibitörler.

Substratın yapısal bir analogu olan rekabetçi bir inhibitör, enzimin aktif bölgesi ile etkileşime girer ve böylece substratın enzime erişimini engeller. Bu durumda inhibitör kimyasal dönüşümlere uğramaz ve enzime geri dönüşümlü olarak bağlanır. EI kompleksinin ayrılmasından sonra, enzim ya substrata bağlanabilir ve onu ya da inhibitöre dönüştürebilir (Şekil 34.). Hem substrat hem de inhibitör, aktif bölgede bir yer için rekabet ettiğinden, bu inhibisyona rekabetçi denir.

Pirinç. 34. Rekabetçi bir inhibitörün etki mekanizması.

Rekabetçi inhibitörler tıpta kullanılmaktadır. Sülfanilamid müstahzarları daha önce bulaşıcı hastalıklarla savaşmak için yaygın olarak kullanılıyordu. Yapısal olarak yakınlar para-aminobenzoik asit(PABA), birçok patojenik bakteri için önemli bir büyüme faktörüdür. PABA, bir dizi enzim için bir kofaktör görevi gören bir folik asit öncüsüdür. Sülfanilamid preparatları, PABA'dan folik asit sentezi için enzimlerin rekabetçi bir inhibitörü olarak işlev görür ve böylece patojenik bakterilerin büyümesini ve çoğalmasını engeller.

Rekabetçi olmayan inhibitörler, substrata yapısal olarak benzer değildir ve EI oluşumu sırasında aktif bölge ile değil, enzimin başka bir bölgesi ile etkileşime girerler. Bir inhibitörün bir enzim ile etkileşimi, ikincisinin yapısında bir değişikliğe yol açar. EI kompleksinin oluşumu tersine çevrilebilir, bu nedenle, parçalanmasından sonra enzim tekrar substrata saldırabilir (Şekil 35).

Pirinç. 35. Rekabetçi olmayan bir inhibitörün etki mekanizması

CN - siyanür, rekabetçi olmayan bir inhibitör görevi görebilir. Protez gruplarının bir parçası olan metal iyonlarına bağlanır ve bu enzimlerin aktivitesini inhibe eder. Siyanür zehirlenmesi son derece tehlikelidir. Ölümcül olabilirler.

allosterik enzimler

"Allosterik" terimi, Yunanca allo - başka bir stereo - alandan gelir. Böylece, allosterik enzimler, aktif bölge ile birlikte, adı verilen başka bir merkeze sahiptir. allosterik merkez(Şek. 36). Enzimlerin aktivitesini değiştirebilen maddeler allosterik merkeze bağlanır, bu maddelere denir allosterik efektörler. Etkileyiciler pozitiftir - enzimi aktive eder ve negatif - inhibitördür, yani. enzim aktivitesini azaltır. Bazı allosterik enzimler iki veya daha fazla efektörden etkilenebilir.

Pirinç. 36. Bir allosterik enzimin yapısı.

Multienzim sistemlerinin düzenlenmesi

Bazı enzimler, her enzimin metabolik yolun belirli bir aşamasını katalize ettiği çok enzimli sistemlerde birleşerek uyum içinde hareket eder:

Bir multienzim sisteminde, tüm reaksiyon dizisinin hızını belirleyen bir enzim vardır. Bu enzim, kural olarak, allosteriktir ve matabolik yolun başlangıcında bulunur. Çeşitli sinyaller alarak, katalize edilen reaksiyonun hızını hem artırıp hem de azaltarak tüm sürecin hızını düzenleyebilir.

Bazı kimyasal reaksiyonlar neredeyse anında (bir oksijen-hidrojen karışımının patlaması, sulu bir çözeltide iyon değişim reaksiyonları), ikincisi - hızlı bir şekilde (maddelerin yanması, çinkonun asitle etkileşimi) ve diğerleri - yavaş yavaş (demirin paslanması, organik kalıntıların çürümesi). O kadar yavaş tepkiler biliniyor ki, bir kişi onları fark edemez. Örneğin, granitin kum ve kile dönüşmesi binlerce yılda gerçekleşir.

Başka bir deyişle, kimyasal reaksiyonlar farklı şekillerde ilerleyebilir. hız.

Ama ne hız reaksiyonu? Bu miktarın tam tanımı ve en önemlisi matematiksel ifadesi nedir?

Bir tepkimenin hızı, bir maddenin bir birim zamanda bir birim hacimdeki miktarındaki değişikliktir. Matematiksel olarak, bu ifade şu şekilde yazılır:

Neresi n 1 ve n 2- hacimli bir sistemde sırasıyla t 1 ve t 2 zamanında madde (mol) miktarı V.

Hız ifadesinin önünde hangi artı veya eksi işaretinin (±) duracağı, hangi maddenin miktarındaki bir değişikliğe - bir ürün mü yoksa bir reaktan mı - bakmamıza bağlıdır.

Açıkçası, reaksiyon sırasında reaktifler tüketilir, yani sayıları azalır, bu nedenle reaktifler için (n 2 - n 1) ifadesi her zaman sıfırdan küçük bir değere sahiptir. Hız negatif bir değer olamayacağı için bu durumda ifadenin önüne eksi işareti konulmalıdır.

Tepkimeye değil, ürünün miktarındaki değişime bakıyorsak, oranı hesaplamak için ifadeden önce eksi işareti gerekli değildir, çünkü bu durumda (n 2 - n 1) ifadesi her zaman pozitiftir. , çünkü reaksiyon sonucu ürün miktarı sadece artabilir.

Madde miktarının oranı n molar konsantrasyon olarak adlandırılan bu madde miktarının bulunduğu hacme İle:

Böylece, molar konsantrasyon kavramını ve matematiksel ifadesini kullanarak, reaksiyon hızını belirlemenin başka bir yolunu yazabiliriz:

Reaksiyon hızı, bir kimyasal reaksiyonun bir sonucu olarak bir maddenin molar konsantrasyonundaki bir birim zamandaki değişikliktir:

Reaksiyon hızını etkileyen faktörler

Belirli bir reaksiyonun hızını neyin belirlediğini ve onu nasıl etkileyeceğini bilmek genellikle son derece önemlidir. Örneğin, petrol arıtma endüstrisi, kelimenin tam anlamıyla, birim zaman başına ürünün her ek yüzde yarımı için savaşır. Ne de olsa, işlenen büyük miktarda petrol göz önüne alındığında, yüzde yarım bile büyük bir yıllık finansal kâra dönüşüyor. Bazı durumlarda, herhangi bir reaksiyonu, özellikle metallerin korozyonunu yavaşlatmak son derece önemlidir.

Peki bir reaksiyonun hızı neye bağlıdır? Garip bir şekilde, birçok farklı parametreye bağlıdır.

Bu konuyu anlamak için öncelikle bir kimyasal reaksiyon sonucunda neler olduğunu hayal edelim, örneğin:

Yukarıda yazılan denklem, A ve B maddelerinin moleküllerinin birbiriyle çarpışarak C ve D maddelerinin moleküllerini oluşturma sürecini yansıtmaktadır.

Yani, kuşkusuz, reaksiyonun gerçekleşmesi için, başlangıç ​​maddelerinin moleküllerinin en azından çarpışması gereklidir. Açıkçası, birim hacim başına molekül sayısını artırırsak, yarı boş bir otobüse kıyasla kalabalık bir otobüste yolcularla çarpışma sıklığınız artacağı gibi çarpışma sayısı da artacaktır.

Başka bir deyişle, reaksiyon hızı, reaktanların artan konsantrasyonu ile artar.

Reaktanlardan birinin veya birkaçının gaz olması durumunda, bir gazın basıncı her zaman onu oluşturan moleküllerin konsantrasyonu ile doğru orantılı olduğundan, artan basınçla reaksiyon hızı artar.

Bununla birlikte, parçacıkların çarpışması, reaksiyonun devam etmesi için gerekli ancak yeterli olmayan bir koşuldur. Gerçek şu ki, hesaplamalara göre, reaksiyona giren maddelerin moleküllerinin makul konsantrasyonlarında çarpışmalarının sayısı o kadar büyüktür ki, tüm reaksiyonların bir anda gerçekleşmesi gerekir. Ancak bu pratikte gerçekleşmez. Sorun ne?

Gerçek şu ki, reaktan moleküllerinin her çarpışması mutlaka etkili olmayacaktır. Çoğu çarpışma esnektir - moleküller toplar gibi birbirlerinden sıçrarlar. Reaksiyonun gerçekleşebilmesi için moleküllerin yeterli kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Reaksiyonun gerçekleşmesi için reaktanların moleküllerinin sahip olması gereken minimum enerjiye aktivasyon enerjisi denir ve Ea ile gösterilir. Çok sayıda molekülden oluşan bir sistemde, moleküllerin bir enerji dağılımı vardır, bazıları düşük enerjili, bazıları yüksek ve orta enerjilidir. Tüm bu moleküllerin sadece küçük bir kısmı aktivasyon enerjisinden daha büyük bir enerjiye sahiptir.

Fizik dersinden bilindiği gibi sıcaklık aslında maddeyi oluşturan parçacıkların kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Yani maddeyi oluşturan parçacıklar ne kadar hızlı hareket ederse, sıcaklığı o kadar yüksek olur. Bu nedenle, açıkçası, sıcaklığı yükselterek, moleküllerin kinetik enerjisini arttırıyoruz, bunun sonucunda enerjileri E a'yı aşan moleküllerin oranı artar ve çarpışmaları kimyasal bir reaksiyona yol açacaktır.

Sıcaklığın reaksiyon hızı üzerindeki olumlu etkisi, 19. yüzyılın başlarında Hollandalı kimyager Van't Hoff tarafından ampirik olarak belirlendi. Araştırmasına dayanarak, hala adını taşıyan bir kural formüle etti ve kulağa şöyle geliyor:

Herhangi bir kimyasal reaksiyonun hızı, sıcaklıkta 10 derecelik bir artışla 2-4 kat artar.

Bu kuralın matematiksel gösterimi şu şekilde yazılır:

nerede V2 ve 1 sırasıyla t 2 ve t 1 sıcaklığındaki hızdır ve γ, değeri en sık 2 ila 4 aralığında olan reaksiyonun sıcaklık katsayısıdır.

Çoğu zaman, birçok reaksiyonun hızı kullanılarak artırılabilir. katalizörler.

Katalizörler, tüketilmeden bir reaksiyonu hızlandıran maddelerdir.

Fakat katalizörler bir reaksiyonun hızını artırmayı nasıl başarır?

Aktivasyon enerjisini E a hatırlayın. Aktivasyon enerjisinden daha az enerjiye sahip moleküller, katalizör yokluğunda birbirleriyle etkileşemezler. Katalizörler, deneyimli bir rehberin keşif rotasını doğrudan dağdan değil, bypass yollarının yardımıyla nasıl açacağına benzer şekilde, reaksiyonun ilerlediği yolu değiştirir, bunun sonucunda yeterli olmayan uydular bile. dağa tırmanmak için enerji onun başka bir tarafına geçebilecek.

Katalizör reaksiyon sırasında tüketilmemesine rağmen, yine de reaktiflerle ara bileşikler oluşturarak aktif bir rol alır, ancak reaksiyonun sonunda orijinal durumuna döner.

Reaksiyon hızını etkileyen yukarıdaki faktörlere ek olarak, reaksiyona giren maddeler arasında bir arayüz (heterojen reaksiyon) varsa, reaksiyon hızı da reaktanların temas alanına bağlı olacaktır. Örneğin, sulu bir hidroklorik asit çözeltisi içeren bir test tüpüne bırakılan bir metalik alüminyum granülü hayal edin. Alüminyum, oksitleyici olmayan asitlerle reaksiyona girebilen aktif bir metaldir. Hidroklorik asit ile reaksiyon denklemi aşağıdaki gibidir:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

Alüminyum katıdır, yani yüzeyinde sadece hidroklorik asit ile reaksiyona girer. Açıkçası, alüminyum granülü önce folyoya yuvarlayarak yüzey alanını arttırırsak, asit ile reaksiyon için daha fazla sayıda alüminyum atomu sağlarız. Sonuç olarak, reaksiyon hızı artacaktır. Benzer şekilde, bir katının yüzeyinde bir artış, bir toz halinde öğütülerek elde edilebilir.

Ayrıca, bir katının bir gaz veya sıvı ile reaksiyona girdiği heterojen bir reaksiyonun hızı, karıştırmanın bir sonucu olarak, reaksiyon ürünlerinin biriken moleküllerinin ortamdan uzaklaştırılması gerçeğinden dolayı, karıştırmadan genellikle olumlu bir şekilde etkilenir. reaksiyon bölgesi ve reaktif moleküllerinin yeni bir kısmı “ortaya çıkarılır”.

Unutulmaması gereken son şey, reaksiyon hızı ve reaktiflerin doğası üzerindeki büyük etkidir. Örneğin, periyodik tabloda alkali metal ne kadar düşükse, su ile o kadar hızlı reaksiyona girer, tüm halojenler arasında flor, hidrojen gazı vb. ile en hızlı reaksiyona girer.

Özetle, reaksiyon hızı aşağıdaki faktörlere bağlıdır:

1) reaktiflerin konsantrasyonu: ne kadar yüksek olursa, reaksiyon hızı o kadar yüksek olur.

2) sıcaklık: artan sıcaklıkla, herhangi bir reaksiyonun hızı artar.

3) reaktanların temas alanı: reaktanların temas alanı ne kadar büyükse, reaksiyon hızı o kadar yüksek olur.

4) karıştırma, reaksiyon bir katı ile sıvı veya gaz arasında meydana gelirse, karıştırma onu hızlandırabilir.

hız reaksiyonu reaktanlardan birinin molar konsantrasyonundaki değişiklik ile belirlenir:

V \u003d ± ((C 2 - C 1) / (t 2 - t 1)) \u003d ± (DC / Dt)

Burada Cı ve C2, sırasıyla t1 ve t2 zamanlarındaki maddelerin molar konsantrasyonlarıdır (işaret (+) - hız reaksiyon ürünü tarafından belirlenirse, (-) - işareti orijinal madde tarafından belirlenir).

Reaksiyonlar, reaktanların molekülleri çarpıştığında meydana gelir. Hızı, çarpışma sayısı ve bir dönüşüme yol açma olasılığı ile belirlenir. Çarpışma sayısı, reaksiyona giren maddelerin konsantrasyonları tarafından belirlenir ve bir reaksiyon olasılığı, çarpışan moleküllerin enerjisi tarafından belirlenir.
Kimyasal reaksiyonların hızını etkileyen faktörler.
1. Reaktanların doğası. Kimyasal bağların doğası ve reaktiflerin moleküllerinin yapısı önemli bir rol oynar. Reaksiyonlar, daha az güçlü bağların yok edilmesi ve daha güçlü bağlara sahip maddelerin oluşması yönünde ilerler. Bu nedenle, H2 ve N2 moleküllerindeki bağları kırmak için yüksek enerjiler gerekir; bu tür moleküller çok reaktif değildir. Yüksek polar moleküllerdeki (HCl, H 2 O) bağları kırmak için daha az enerji gerekir ve reaksiyon hızı çok daha yüksektir. Elektrolit çözeltilerdeki iyonlar arasındaki reaksiyonlar neredeyse anında gerçekleşir.
Örnekler
Flor, oda sıcaklığında hidrojen ile patlayıcı şekilde reaksiyona girer; brom, ısıtıldığında bile hidrojen ile yavaş reaksiyona girer.
Kalsiyum oksit su ile kuvvetli bir şekilde reaksiyona girerek ısı açığa çıkarır; bakır oksit - reaksiyona girmez.

2. Konsantrasyon. Konsantrasyondaki artışla (birim hacimdeki partikül sayısı), reaktan moleküllerinin çarpışmaları daha sık meydana gelir - reaksiyon hızı artar.
Aktif kütleler yasası (K. Guldberg, P. Waage, 1867)
Bir kimyasal reaksiyonun hızı, reaktanların konsantrasyonlarının ürünü ile doğru orantılıdır.

AA + bb + . . . ® . . .

• [A] a [B] b . . .

Reaksiyon hızı sabiti k, reaktanların doğasına, sıcaklığa ve katalizöre bağlıdır, ancak reaktanların konsantrasyonlarına bağlı değildir.
Hız sabitinin fiziksel anlamı, reaktanların birim konsantrasyonlarındaki reaksiyon hızına eşit olmasıdır.
Heterojen reaksiyonlar için katı fazın konsantrasyonu, reaksiyon hızı ifadesine dahil edilmez.

3. Sıcaklık. Sıcaklıktaki her 10°C'lik artış için reaksiyon hızı 2-4 kat artar (Van't Hoff Kuralı). Sıcaklıkta t 1'den t 2'ye bir artışla, reaksiyon hızındaki değişiklik aşağıdaki formülle hesaplanabilir:

(burada Vt 2 ve Vt 1, sırasıyla t 2 ve t 1 sıcaklıklarındaki reaksiyon hızlarıdır; g, bu reaksiyonun sıcaklık katsayısıdır).
Van't Hoff kuralı yalnızca dar bir sıcaklık aralığında geçerlidir. Arrhenius denklemi daha doğru:

• e-Ea/RT

nerede
A, reaktanların doğasına bağlı olarak bir sabittir;
R, evrensel gaz sabitidir;

Ea aktivasyon enerjisidir, yani. çarpışmanın kimyasal dönüşümle sonuçlanması için çarpışan moleküllerin sahip olması gereken enerji.
Bir kimyasal reaksiyonun enerji diyagramı.

A - reaktifler, B - aktifleştirilmiş kompleks (geçiş durumu), C - ürünler.
Aktivasyon enerjisi Ea ne kadar yüksek olursa, artan sıcaklıkla reaksiyon hızı o kadar artar.

4. Reaktanların temas yüzeyi. Heterojen sistemler için (maddeler farklı kümelenme durumlarındayken), temas yüzeyi ne kadar büyükse, reaksiyon o kadar hızlı ilerler. Katıların yüzeyi, öğütülerek ve çözünür maddeler için çözülerek artırılabilir.

5. Kataliz. Reaksiyonlara katılan ve reaksiyonun sonunda değişmeden kalan hızını artıran maddelere katalizör denir. Katalizörlerin etki mekanizması, ara bileşiklerin oluşumu nedeniyle reaksiyonun aktivasyon enerjisinde bir azalma ile ilişkilidir. saat homojen kataliz reaktifler ve katalizör bir faz oluşturur (aynı kümelenme durumundadırlar), heterojen kataliz- farklı aşamalar (farklı kümelenme durumlarındadırlar). Bazı durumlarda, istenmeyen kimyasal süreçlerin seyri, reaksiyon ortamına inhibitörler eklenerek büyük ölçüde yavaşlatılabilir (olgu negatif kataliz").