تعیین نرخ از واکنش های شیمیایی بدون توجه به نوع واکنش شیمیایی که در حال وقوع است، می توان با استفاده از معادلات سرعت انجام داد.

معادلات نرخ ابزارهای تشخیصی مهمی هستند که برای تجزیه و تحلیل کارایی واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شوند. برای مثال می توان از معادلات نرخ استفاده کرد شرکت های تولید کننده مواد شیمیایی که نیاز دارند فرآیندهایشان تا حد امکان کارآمد باشد تا بتوانند در عین به حداقل رساندن اتلاف، زمان و تلاش، سود را به حداکثر برسانند.

در صورت بهینه سازی واکنش های شیمیایی می توان به این هدف دست یافت. در حالی که سرعت واکنش ها ممکن است متفاوت باشد، می توان آن را بر اساس غلظت واکنش دهنده ها، دما و فشار، شدت هم زدن (مانند هم زدن یا تکان دادن) و وجود کاتالیزور بهینه کرد.

واکنش های شیمیایی چیست؟

واکنش های شیمیایی هم فرآیندهای مخرب و هم خلاقانه هستند: پیوندهای بین اتم های واکنش دهنده ها برای ایجاد محصولات جدید از بین می روند. برای واکنش شیمیایی، مولکول ها باید با یکدیگر برخورد کنند و بر موانع انرژی خاصی غلبه کنند. برخی از انواع واکنش ها سریعتر از سایرین هستند.

واکنش های شیمیایی می تواند باشد به پنج نوع اصلی طبقه بندی می شود واکنش:

1. واکنش های ترکیبی

همچنین به عنوان واکنش های سنتز شناخته می شود، این واکنش ها زمانی اتفاق می افتد که دو یا چند واکنش دهنده یک محصول واحد را تشکیل می دهند:

A + B → AB

به طور معمول، واکنش های بین عناصر، واکنش های ترکیبی هستند، مانند زمانی که سدیم با کلر واکنش می دهد:

2Na (ها) + Cl₂ (g) → 2 NaCl (ها)

2. واکنش های تجزیه

اینها معکوس واکنش های ترکیبی هستند. به عبارت ساده تر، یک ترکیب تحت شرایط خاصی به عناصر تشکیل دهنده ساده تر یا ترکیبات ساده تر تجزیه می شود. ساده ترین نوع یک ترکیب دوتایی است که به عناصر آن تجزیه می شود:

AB → A + B

یک مثال خوب از این واکنش، تجزیه هیدروکسید سدیم، تحت حرارت، به اکسید سدیم و آب است:

2 NaOH (ها) → NaO (s) + H₂O (g)

3. واکنش های تک جایگزینی

اینها همچنین به عنوان واکنش های تک جابجایی شناخته می شوند، که در آن یک عنصر عنصر مشابه را در یک ترکیب جابجا می کند. اگر عنصر فلزی باشد، با یک عنصر فلزی با واکنش پذیری بالاتر جایگزین می شود:

A + BC → AC + B

نمونه ای از این نوع واکنش، واکنش بین منیزیم و محلول آبی نیترات مس (II) است:

Mg (ها) + مس (NO₃)₂ (ق) → Mg(NO₃)₂ + مس (ها)

4. واکنش های دوگانه جایگزینی

این واکنش ها فقط بین ترکیبات یونی رخ می دهد. یون‌های مثبت و منفی در دو ترکیب با یکدیگر مبادله می‌کنند و ترکیبات جدیدی را تشکیل می‌دهند:

AB + CD → AD + CB

5. واکنش های احتراق

واکنش های احتراق را می توان شکل خاصی از واکنش شیمیایی در نظر گرفت که می تواند واکنش ترکیبی یا جایگزینی باشد. تمایز اصلی این است که همیشه حاوی اکسیژن است. واکنش های احتراق انرژی را به شکل نور و گرما تولید می کند. به عبارت دیگر، این فرآیند است سوزش. همچنین می تواند ماهیت انفجاری داشته باشد، مانند سوزاندن باروت داخل دینامیت:

ماده + O₂ → اکسید باقی می ماند + سایر محصولات جانبی

یکی از ساده‌ترین نمونه‌های احتراق، واکنش بین هیدروژن و اکسیژن در حضور جرقه است:

2 ساعت₂ (g) + O₂ (g) → 2 ساعت₂O (g)

بیشتر واکنش های احتراق با هیدروکربن ها یا ترکیبات آلی رخ می دهد. یک مثال ساده از این احتراق پروپان است. احتراق کامل هیدروکربن ها همیشه آب و دی اکسید کربن تولید می کند:

سی₃اچ₈ (g) + 5O₂ (g) → 3CO₂ (g) + 4 ساعت₂O (g)

فرم عمومی معادله نرخ چیست؟

در طی یک واکنش شیمیایی، واکنش دهنده ها با تولید محصولات مصرف می شوند. اغلب بیش از یک محصول تولید می شود. سرعت یا سرعت واکنش های شیمیایی به سادگی سرعتی است که با آن واکنش دهنده ها به محصولات تبدیل می شوند. این بسته به عوامل مختلفی مانند غلظت یا نوع واکنش دهنده ها متفاوت است.

معادلات نرخ بر اساس معادلات شیمیایی متعادل واکنش دهنده ها و محصولات است. آنها همچنین شامل تناسب گونه های شیمیایی درگیر می شوند. با این حال، این نرخ ها به صورت تجربی بر اساس داده های تجربی موجود تعیین می شوند. آنها را نمی توان به راحتی از فرمول های شیمیایی واکنش دهنده ها استنتاج کرد مگر اینکه قبلاً آزمایش شده باشند.

هر یک از پنج دسته واکنش های شیمیایی دارای سرعت واکنش قابل مقایسه ای هستند. به عنوان مثال، در یک واکنش احتراق، سرعت واکنش اگر به درستی کنترل نشود می تواند بسیار سریع و انفجاری باشد. واکنش‌های احتراق تقریباً همیشه سریع‌تر از سایر انواع واکنش‌های شیمیایی هستند.

سرعت واکنش هر معادله شیمیایی متعادل بسته به شرایط خاص و محدودیت های موجود متفاوت است. با این حال، واکنش های قابل مقایسه را می توان با استفاده از فرمول تعمیم یافته برای تجزیه و تحلیل کرد معادلات نرخ:

در این واکنش، ک ثابت است این در واقع یک ثابت مطلق نیست، بلکه بر اساس شرایط خاصی است که برای تجزیه و تحلیل واکنش خاص ثابت می ماند.

ثابت سرعت واکنش مستقیماً با دما متناسب است، اگرچه واحد مناسب برای ک یک واحد دما نیست، بلکه شامل مول، حجم و واحد زمان معمولاً در ثانیه است. بسته به اشتقاق از ترتیب واکنش متفاوت است. ارزش ک با این معادله می توان به طور مستقیم نسبت به دما را پیش بینی کرد:

ک = Ae^–Eآ^/RT

الف – ثابت آرنیوس

E_آ– انرژی فعال سازی

T – دما بر حسب کلوین

در همین حال، براکت‌های مربع نشان‌دهنده مقدار یک گونه شیمیایی خاص در داخل براکت‌ها هستند. نماها قدرت های غلظت هستند، که نشان می دهد که چگونه سرعت به واکنش دهنده منفرد بستگی دارد. به ترتیب واکنش نیز معروف است.

نحوه استنباط ترتیب واکنش بر اساس داده ها

در حالی که ترتیب واکنش می تواند مقادیر اعشاری نیز داشته باشد، این یک اتفاق نادر است. به طور معمول، در امتحانات، شما فقط با واکنش های صفر، اول و دوم مواجه می شوید:

• ترتیب صفر به این معنی است که یک واکنش دهنده تمرکز هیچ تاثیری ندارد بر روی سرعت واکنش
• یک ارزش مرتبه اول به این معنی است که سرعت واکنش است نسبت مستقیم با غلظت واکنش دهنده دارد با ارزش سفارش بنابراین، اگر غلظت آن واکنش دهنده دو برابر شود، سرعت واکنش نیز دو برابر می شود
• یک واکنش دهنده با مقدار واکنش مرتبه دوم اگر غلظت آن دو برابر شود، تأثیر چهار برابری بر سرعت واکنش دارد

درک این نکته مهم است که ترتیب واکنش و ک مقدار به صورت تجربی تعیین می شود. شما نمی توانید به سادگی به یک معادله شیمیایی متعادل نگاه کنید و مقادیر آن را استنباط کنید ک و ترتیب واکنش برای یک گونه شیمیایی خاص. بنابراین، در امتحانات شما، داده ها همیشه به گونه ای ارائه می شود که شما فقط باید مجهولات را محاسبه کنید.

در اینجا یک مسئله نمونه با راه حلی در مورد چگونگی تعیین ترتیب واکنش بر اساس داده های داده شده آورده شده است. اگرچه این فقط مجموعه‌ای از داده‌های ساختگی است، اما برای نشان دادن این فرآیند بسیار مفید است:

بر اساس جدول داده ها، به راحتی می توان استنباط کرد که واکنش دهنده A مرتبه اول است. زیرا هنگامی که غلظت A دو برابر می شود و غلظت B و C حفظ می شود، سرعت واکنش نیز دو برابر می شود.

با مقایسه آزمایش های 1 و 3 در جدول، می توان نتیجه گرفت که واکنش دهنده B درجه دوم است، زیرا با دو برابر شدن غلظت واکنش دهنده B، سرعت واکنش چهار برابر می شود.

همچنین می توانیم استنباط کنیم که واکنش دهنده C مرتبه صفر است. با مقایسه آزمایش‌های 1 و 4، به وضوح می‌بینید که وقتی غلظت واکنش‌دهنده C دو برابر می‌شود، در حالی که غلظت‌های A و B مانند شاهد حفظ می‌شود، سرعت واکنش تغییری نمی‌کند.

مقادیر در معادلات نرخ چگونه تعیین می شوند؟

همانطور که قبلاً به آن اشاره کردیم، مقادیر در معادلات نرخ به طور تجربی تعیین می شوند. روش‌های آزمایشی مختلفی را می‌توان استفاده کرد که نیاز به اندازه‌گیری دقیق تغییرات در طول زمان دارند، مانند موارد زیر:

• اندازه گیری تکامل گازها بر حسب حجم از طریق جابجایی آب
• اندازه گیری نسبت واکنش دهنده ها و محصولات، همانطور که در نمودار تعمیم یافته یک واکنش ترکیبی که در زیر آورده ایم نشان داده شده است.
• اندازه گیری تغییر دمای واکنش تا زمانی که یکی از واکنش دهنده ها به طور کامل مصرف شود
• مشاهده مدت زمان قبل از تغییر رنگ پس از اختلاط دو واکنش دهنده

منبع

برای اطلاعات بیشتر در مورد منابع شیمی سطح A برای کمک به شما در بازنگری و برای اطلاعات در مورد مطالعه سطح A، ما را بررسی کنید مرکز منابع سطح شیمی.