Reaksiya tezligi va muvozanat

Ba’zi reaksiyalar bir zumda (portlash, ionlar orasidagi cho‘kma hosil bo‘lishi), ba’zilari esa oylar va yillar davomida (zanglash, tog‘ jinslarining nurashi) boradi. Reaksiya qanchalik tez borishini o‘rganadigan bo‘lim — kimyoviy kinetika. Tezlikni boshqarish sanoat kimyosining asosi: ammiak va sulfat kislota ishlab chiqarishda harorat, bosim va katalizator aynan tezlik va kimyoviy muvozanat qonunlari asosida tanlanadi; oziq-ovqatni sovutgichda saqlash, metallarni korroziyadan himoyalash ham reaksiyani sekinlashtirishning amaliy misollari. Imtihonda massalar ta’siri qonuni, Vant-Goff qoidasi va Le Shatelye prinsipiga oid masalalar muntazam uchraydi.

§1. Reaksiya tezligi va unga ta’sir etuvchi omillar

Gomogen reaksiyada (barcha moddalar bir fazada — gaz yoki eritma) tezlik — vaqt birligida reagent yoki mahsulot konsentratsiyasining o‘zgarishi:

Geterogen reaksiyada (turli fazalar orasida, masalan, metall va kislota) reaksiya fazalar chegarasida boradi, shuning uchun tezlik sirt birligiga nisbatan olinadi.
Ta’sir etuvchi omillar:

• reaksiyaga kirishuvchi moddalar tabiati (kaliy suv bilan shiddatli, magniy sekin reaksiyaga kirishadi);
• konsentratsiya;
• harorat;
• katalizator yoki ingibitor;
• geterogen reaksiyalarda sirt yuzasi (maydalash tezlashtiradi: un changi portlashi mumkin);
• gazlar uchun bosim.

Reaksiya borishi uchun zarrachalar to‘qnashishi, to‘qnashuv esa yetarli energiyali bo‘lishi kerak. Reaksiyaga kirisha oladigan zarrachalarning eng kam qo‘shimcha energiyasi aktivlanish energiyasi deyiladi.

Misol

10 s ichida modda konsentratsiyasi 1,2 dan 0,8 mol/l gacha kamaydi. O‘rtacha reaksiya tezligini toping.

1. ΔC = 1,2 − 0,8 = 0,4 mol/l.
2. v = ΔC/Δt = 0,4/10.
3. v = 0,04 mol/(l·s).

§2. Konsentratsiyaning ta’siri — massalar ta’siri qonuni

Konsentratsiya ortsa, vaqt birligidagi to‘qnashuvlar soni ortadi va tezlik oshadi. Tezlik konstantasi k moddalar tabiati va haroratga bog‘liq, konsentratsiyaga bog‘liq emas. Qattiq moddalar konsentratsiyasi ifodaga kirmaydi: C(q) + O₂ → CO₂ uchun v = k[O₂]. Gazlar aralashmasi bosimi n marta oshirilsa (hajm n marta kamaytirilsa), har bir gaz konsentratsiyasi ham n marta oshadi.

Misol

2NO + O₂ → 2NO₂. Bosim 3 marta oshirildi. Tezlik necha marta o‘zgaradi?

1. v = k[NO]²[O₂].
2. Har bir konsentratsiya 3 marta ortadi.
3. v₂/v₁ = 3²·3 = 27 — tezlik 27 marta ortadi.

§3. Haroratning ta’siri — Vant-Goff qoidasi

Harorat har 10 °C ga ko‘tarilganda ko‘pchilik reaksiyalar tezligi 2–4 marta ortadi. Sababi faqat to‘qnashuvlar sonining ortishi emas: asosiysi — energiyasi aktivlanish energiyasidan katta bo‘lgan faol molekulalar ulushi keskin ko‘payadi. Reaksiya vaqti tezlikka teskari proporsional: tezlik 8 marta ortsa, vaqt 8 marta qisqaradi. Shuning uchun ovqat sovutgichda sekinroq buziladi, bosimli qozonda esa tezroq pishadi.

Misol

A + B → C reaksiyaning tezligi 60 °C da 3,6 mol/(l·min). 30 °C da 40 s ichida [A] 0,6 dan 0,3 mol/l gacha kamaydi. Temperatura koeffitsiyentini toping.

1. 30 °C dagi tezlik: 0,3/40 = 0,0075 mol/(l·s) = 0,45 mol/(l·min).
2. 3,6/0,45 = 8 = γ^((60 − 30)/10) = γ³.
3. γ = 2.

§4. Katalizator va ingibitor

Katalizator reaksiyani tezlashtiradi, lekin o‘zi sarflanmaydi: u reagentlar bilan oraliq birikma hosil qilib, aktivlanish energiyasi kichikroq bo‘lgan yo‘lni ochadi. Katalizator to‘g‘ri va teskari reaksiyani bir xil darajada tezlashtiradi, shuning uchun muvozanatni siljitmaydi — faqat unga tezroq erishtiradi. Misollar: MnO₂ (H₂O₂ va KClO₃ parchalanishi), V₂O₅ (SO₂ ni oksidlash), temir (ammiak sintezi), platina (ammiakni oksidlash), nikel (gidrogenlash). Fermentlar — biologik katalizatorlar, ular juda tanlovchan va tana haroratida ishlaydi. Ingibitorlar reaksiyani sekinlashtiradi (metallar korroziyasiga qarshi, oziq-ovqatni saqlashda).

§5. Kimyoviy muvozanat va Le Shatelye prinsipi

Qaytar reaksiyada to‘g‘ri reaksiya tezligi kamayib, teskari reaksiya tezligi ortib boradi; ular tenglashganda kimyoviy muvozanat qaror topadi. Muvozanat dinamik: ikkala reaksiya ham davom etadi, lekin konsentratsiyalar o‘zgarmaydi. Qaytmas reaksiyalar esa oxirigacha boradi.

• Reagent konsentratsiyasi oshirilsa yoki mahsulot ajratib olinsa → muvozanat o‘ngga.
• Harorat oshirilsa → endotermik reaksiya tomonga; pasaytirilsa → ekzotermik tomonga.
• Bosim oshirilsa → gaz mollari kam tomonga; mollar teng bo‘lsa bosim ta’sir qilmaydi.
• Katalizator muvozanatni siljitmaydi.

Le Shatelye prinsipining sanoatdagi qo‘llanilishiga misol — ammiak sintezi N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ + Q. Reaksiya ekzotermik va gaz hajmi kamayadi, shuning uchun muvozanat nuqtai nazaridan past harorat va yuqori bosim qulay. Lekin past haroratda reaksiya juda sekin boradi, shuning uchun murosaviy harorat (taxminan 450 °C), yuqori bosim (200–300 atm) va temir katalizator tanlanadi, hosil bo‘lgan ammiak esa sovutib suyultirilib, sistemadan doimiy chiqarib turiladi — bu ham muvozanatni o‘ngga suradi. Reaksiyaga kirishmagan azot va vodorod qayta reaktorga qaytariladi.

Misol

CH₄(g) + CO₂(g) ⇌ 2CO(g) + 2H₂(g) − Q reaksiyasida CO unumini oshirish uchun qanday sharoit kerak?

1. Reaksiya endotermik → haroratni oshirish.
2. Chapda 2 mol gaz, o‘ngda 4 mol → bosimni kamaytirish.
3. Mahsulotlarni ajratib olish yoki CH₄ va CO₂ qo‘shish.

§6. Muvozanat konstantasi

Muvozanat konstantasi faqat harorat va moddalar tabiatiga bog‘liq; konsentratsiya, bosim va katalizator uni o‘zgartirmaydi. K katta bo‘lsa, muvozanat mahsulotlar tomonga siljigan. Qattiq moddalar va eritmadagi suv ifodaga kirmaydi. Agar sistemadagi konsentratsiyalar nisbati K dan kichik bo‘lsa, reaksiya mahsulotlar tomonga boradi, katta bo‘lsa — teskari tomonga; tenglashganda muvozanat qaror topadi.

Misol

H₂ + I₂ ⇌ 2HI muvozanatida [H₂] = [I₂] = 0,1 mol/l, [HI] = 0,8 mol/l. Muvozanat konstantasini toping.

1. K = [HI]²/([H₂]·[I₂]).
2. K = 0,8²/(0,1·0,1) = 0,64/0,01.
3. K = 64.

O‘zingizni tekshiring

1. γ = 3, harorat 20 °C dan 50 °C gacha oshirildi. Tezlik necha marta ortadi?

2. 2SO₂ + O₂ ⇌ 2SO₃ + Q da SO₃ unumini oshirish uchun harorat va bosimni qanday o‘zgartirish kerak?

3. H₂ + I₂ ⇌ 2HI da bosim oshirilsa, muvozanat qayoqqa siljiydi?

4. A + 2B → C reaksiyasida [B] 2 marta oshirildi. Tezlik necha marta ortadi?

5. 20 °C da reaksiya 81 minut davom etadi. γ = 3 bo‘lsa, 60 °C da necha minut davom etadi?

6. Katalizator muvozanat konstantasiga ta’sir qiladimi?

7. C(q) + O₂ → CO₂ reaksiyasida kislorod konsentratsiyasi 4 marta oshirilsa, tezlik necha marta ortadi?

8. Ekzotermik reaksiyada harorat oshirilsa, muvozanat qaysi tomonga siljiydi?

Ko‘p uchraydigan xatolar

• Qattiq modda konsentratsiyasini tezlik ifodasiga kiritish.
• Katalizator muvozanatni siljitadi deb hisoblash.
• Vant-Goff qoidasida harorat farqini 10 ga bo‘lishni unutish.
• Gaz mollari teng bo‘lgan reaksiyada ham bosim muvozanatga ta’sir qiladi deb yozish.
• Muvozanatda reaksiyalar to‘xtaydi deb o‘ylash: muvozanat dinamik.