Химиялық тепе-теңдік

мен шартын анықтай  отырып ,соңғы өнімнің ең көп шығатын  жағдайы үшін қажетті шартқа жетуге,оны  таңдап алуға болады.

      Химиялық реакциялардың негізгі мәні әрекеттесушә заттардағы байланыстарды үзу(ажырату) және реакция өнімеріндде жаңа байланыстарды түзу.Мұндайа реакцияға дейінгі және реакциядан кейінгі әрбір элементтің атом сандары тұрақты қалады. Байланыстардың түзілуі энергияның бөлінуімен,ал байланыстардың үзілуі энергияның жұтылуымен жүретін болғандықтан химиялық реакциялар энергетикалық құбылыстармен қатар жүреді.

     Реакциялар гомогенді (жүйенің күллі көлемінде бір қалыпты жүретін) және гетерогенді (тек фаза аралық шекарада жүретін) бола алады.Химиялық  реакциялардың жылдамдығы v бірлік көлеміндегі немесе фаза аралық   бірлік бетінегі бірлік өлшем уақытындағы әрекеттесуші заттар концентрацияларының өзгеруімен анықталынады.Реакция жылдамдығы моль/(м ) немесе моль/(л ) өлшем бірлігінде  өлшенеді.

   Реакциялардың  орташа және лездік жылдамдықтарын  ажыратады.Орташа жылдамдық тең:

                 v= ,мұндағы

С ;С -тиісінше t және t   уақытына сәйкес болатын әрекеттесуші заттардың концентрациясы,ал ондағы “минус” таңбасы концентрацияның азаятындығын білдіреді.

   Берілген  уақыттағы (сол сәттегі) реакция  жылдамдығын лездік (шын,нағыз) жылдамдық  дейдді,ол тең:

                                v=

     Реакция жылдамдығы әркез оң мәнде қабылданады,сондықтан әуелгі концентрациялар туындысы “минус” белгісімен, ал реакция өнімі “плюс” белгісімен алынады.

     Реакцияның лездік жылдамдығын сызба арқылы да анықтауға болады,ол үшін сәйкесті уақытты көрсететін жылдамдық қисығындағы нүктеге жанама түзу жүргізіп,тангенстік еңкіштік бұрышын пайдаланады.

    Реакция жылдамдығы әрекеттесуші заттардың табиғатына,реагенттер концентрациясына,температураға,катализаторға,сыртқы әсерге тәуелді.

   Реакция жылдамдығына әрекеттесуші заттар табиғатының әсері сол,ол бір заттың бірдей жағайда әртүрлі заттармен түрліше әрекеттесуімен өрнектеледі,яғни жылдамдықтары әртүрлі.Мысалы:

  -қалыпты  температурада өте тез жүріп,кейде  қопарылыспен де аяқталады:

                      H +F →2HF

-қалыпты температурада,тіпті  қыздырса да баяу жүретін реакциялар:

                     H +Br →2HBr

-жүрмейтін реакциялар:

                     CuO+H O→

    Реакция жылдамдығының реагенттер концентрациясынан тәуелділігі.Реакция жүруі үшін әрекеттесуші бөлшектердің қақтығысуы керек.Тұрақты бір температура кезінде реагенттердің концентрациясы өскен сайын қақтығысу саны да артады.Ендеше,бұған орай әрекеттесуші заттарың концентрациясы өскенде реакция жылдамдығы да жоғарылайды.

    1867 жылы  К.Гульдберг және П.Вааге реакция  жылдамдығының әрекеттесуші заттар  концентрациясынан тәуелділігін  айқындайтын әрекеттесуші массалар заңын тұжырымдаы:берілген температурадағы химиялық реакцияның жылдамдығы реакция теңдеуіндегі стехиометриялық коэффициенттерге тең болатын көрсеткіш әрежесіндегі әрекеттесуші заттар концентрацияларының көбейтіндісіне тура пропорционалды.Бұл химиялық кинетиканың негізгі заңы.

      Берілген nA+mB→A B реакциясы үщін бұл заң теңдеумен өрнектеледі:

                              V=k[A] [B]

мұндағы [A];[B] -А мен В заттарының концентрациясы;

          k-пропорционалдылық коэффициенті,оны реакция жылдамдығының тұрақтысы деп атайды.

      Реакция жылдамдығы тұрақтысының физикалық мәні келесіде:сандық тұрғыдан алғандағы жылдамдық тұрақтысы әрбір әрекеттесуші заттың концентрациясы 1моль/л болған кездегі реакция жылдамдығына тең немесе олардың көбейтіндісі бірге тең тұстағы реакция жылдамдығына тең.Реакция жылдамдығының тұрақтысы әрекеттесуші заттардың концентрациясына  тәуелді емес,бірақ  та ол олардың табиғаты мен температурасынан тәуелді.

 №1 мысал.Берілген А мен В заттарының арасындағы реакция 2А+В=С бойынша жүреді. Реакция жылдамдығының тұрақтысы 0,8 л /(моль ) тең.А затының концентрациясы  10моль/л тең;В затының концентрациясы  6моль/л тең.Реакцияның бастапқы сәттегі,сол сияқты В заты 60% қалған кездегі химиялық реакция жылдамдығын есептеңдер.

    Шешуі.Бастапқы  сәттегі реакция жылдамдығын  табамыз:

                            v =k[A] [B]=0.8 моль/(л с)

    Шамалы  бір уақыт өткенде реакциялық  қоспада В затының  60%(0,60) қалады. Ондайдағы [B]=6 моль/л.Ендеше, [B] затының концентрациясы 6-3,6=2,4моль/л азайған.Реакция теңдеуінен көрініп тұрғанындай А мен В заттары өзара 2:1 қатынасында әрекеттеседі,сондықтан [A] заты 4,8моль/л азаяды да [A]=10-4,8=5,2 моль/л тең болады.

     Енді  осы жаңа жағдайдағы реакция  жылдамдығын есептейміз:

                        v =0,8 моль/(л с)

№2 мысал.Егер көміртек (II) оксиді мен оттектің әрекеттесу кезіндегі әуелгі заттардың концентрациясын үш есе арттырса,реакция жылдамдығы неше есе жоғарылайды?

     Шешуі.Реакция  теңдеуін жазамыз:2СO+O =2CO .Әрекеттесуші массалар заңына сәйкес v=k[СO] [ ].

     Егер   [СO]=a;  [ ]=b       белгілесе,онда

     Әуелгі  заттардың  концентрациясын 3 есе жоғарылатқанда:

                          [СO]=3a; [ ]=3b      

     Реакция  жылдамдығы:v =k9a =k27a b.

      Мұндайда . Демек,реакция жыламдығы 27 есе артады.

    Реакция  жылдамдығын әрекеттесуші заттардың  концентрациясымен байл аныстыратын, әрекеттесуші массалар заңының математикалық өрнегін реакцияның кинетикалық теңдеуі деп атайды.Кинетикалық теңдеудің құрамына тек газ түріндегі және еріген заттардың концентрациясы енеді,ал қатты заттың  концентрациясы ескерілмейді,өйткені ол өзгеріссіз қалады және де олар беттік қабатта ғана әрекеттеседі.Мысалы,көмірдің жану реакциясы үшін:

                                                                                           С +О =CO  

    Осы  реакцияның кинетикалық теңдеуі   v=k[O ],яғни реакция жылдамдығы тек оттек концентрациясына ғана тәуелді.

   Реакция жылдамдығының температурадан тәуелділігі Вант-Гофф ережесімен анықталынады:температураны әрбір 10 көтергенде көптеген реакциялардың жылдамдығы 2-4есе артады.Бұл тәуелділікті математикалық  тұрғыдан алғанда келесідей қатынаспен өрнектейді:

                               

                              v =v  

мұндағы  v және v -бастапқы (t ) және (t ) температуралар кезіндегі тиісті реакциялар жылдамдықтары;

  -реакция жылдамдығының температуралық коэффициенті,ол температураны он градусқа көтергендегі реакция жылдамдығының қанша есе артатындығын көрсетеді.

№3 мысал.50 С температура кезіндегі реакция 2 минут 15 секундта жүреі.Осы реакция 70 С температура кезінде қанша уақыт жүреді,егер де осы аралықтағы реакция 3-ке  тең болса?

    Шешуі.Температураны  50 С-тан 70 С-қа дейін көтергенде реакция жылдамдығы Вант-Гофф ережесіне сәйкес өседі:

                                                    ,мұндағы t =70 С;t =50 С; 

       v және v -осы температуралардағы реакция жылдамдығы.

       Орындарына қойып,алынады:

                        3 =3 =9,

яғни реакция  жылдамдығы 9 есе артады.

     Анықтамаға  сәйкес реакция жылдамдығы реакция уақытына кері пропорционалды, демек:   ,мұндағы ; - t және t температураларындағы реакция уақыты;

=2мин 15 сек=135 секунд екендігін  ескере отырып, t температура кезіндегі реакция уақытын анықтаймыз:

                                      = = сек.

    

       Белсенділеу энергиясы.Реакция жылдамдығының температура өзгерісіне тәуелділігін белсенділеу теориясы түсіндіреді.Бұл теорияға сәйкес,берілген реакцияны жүзеге асыру үшін жеткілікті энергиясы бар,тек белсенді молекулалар ған,химиялық әрекеттесуге түседі.Егер белсенді емес бөлшекке қажетті қосымша энергия берсе,олар белсендіге айналады-бұл процесті белсенділеу деп атайды.Температураны жоғарылатқанда белсенді бөлшектер саны күрт көбейіп,нәтижеде реакция жылдамдығы тез жоғарылайды.Әрекеттесуші заттар молекуласын белсенді белсенді ету үшін оларға берілетін энергияны-белсенділеу энергиясы Е деп атайды да кДж/мольмен өрнектейді. Бұл әуелгі берілген заттар молекуласындағы байланыстарды үзу немесе әлсірету үшін керек.

 ►Реакция  жылдамдығы  белсенділеу энергиясының мәніне тікелей тәуелді:

-егер ол кіші  болса,онда реакцияның белгілі  бір жүру мезгілінде энергетикалық  кедергіден бөлшектердің көптеген  саны өтеді да реакция жылдамдығы  жоғары болады;

-егер   белсенділеу энергиясы жоғары болса,онда реакция баяу жүреді.

    Реакция  жылдамдығы тұрақтысының белсенділеу энергиясы мен температурадан тәуелділігі  Аррениус теңдеуімен өрнектеледі:

                          k=A

мұндағы А-пропорционалдық коэффициенті;

               е-натуралдық логарифмдер негізі.

     Әрекеттесуші заттардағы жанасу беттік ауданның әсері.Гетерогенді химиялық реакциялардың жыламдығы фазалар арасындағы беттік аудандар жоғарылаған сайын өседі.Мысалы,мырыш  ббөлшектерінің өлшемі кіші болған сайын реакция жыламдығы жоғарылайды:

                       Zn+2HCl→ZnCl +H