Stale mamy do czynienia z różnymi interakcjami chemicznymi. Spalanie gazu ziemnego, rdzewienie żelaza, zakwaszanie mleka są dalekie od wszystkich procesów, które są szczegółowo omawiane na szkolnym kursie chemii.
Niektóre reakcje trwają ułamki sekund, podczas gdy niektóre interakcje trwają dni lub tygodnie.
Spróbujmy określić zależność szybkości reakcji od temperatury, stężenia i innych czynników. W nowym standardzie edukacyjnym na to zagadnienie przeznacza się minimalną ilość czasu na naukę. W testach egzaminu stanu ujednoliconego oferowane są zadania dotyczące zależności szybkości reakcji od temperatury, stężenia, a nawet zadania obliczeniowe. Wielu uczniów szkół średnich ma pewne trudności w znalezieniu odpowiedzi na te pytania, dlatego szczegółowo przeanalizujemy ten temat.
Znaczenie rozważanego problemu
Informacje o szybkości reakcji mają ogromne znaczenie praktyczne i naukowe. Na przykład w określonej produkcji substancji i produktów z danegowartość zależy bezpośrednio od wydajności sprzętu, kosztu towaru.
Klasyfikacja trwających reakcji
Istnieje bezpośredni związek między stanem agregacji początkowych składników a produktami powstałymi podczas procesu chemicznego: interakcje heterogeniczne.
System jest zwykle rozumiany w chemii jako substancja lub ich kombinacja.
Jednorodny system to taki, który składa się z jednej fazy (ten sam stan agregacji). Jako przykład możemy wymienić mieszaninę gazów, kilka różnych cieczy.
Heterogeniczny to system, w którym reagenty występują w postaci gazów i cieczy, ciał stałych i gazów.
Istnieje nie tylko zależność szybkości reakcji od temperatury, ale również od fazy, w której wykorzystywane są składniki biorące udział w analizowanej interakcji.
Jednorodna kompozycja charakteryzuje się przepływem procesu w całej objętości, co znacznie poprawia jego jakość.
Jeżeli początkowe substancje są w różnych stanach fazowych, w tym przypadku maksymalne oddziaływanie obserwuje się na granicy faz. Na przykład, gdy aktywny metal jest rozpuszczony w kwasie, tworzenie produktu (soli) obserwuje się tylko na powierzchni ich kontaktu.
Matematyczny związek między szybkością procesu a różnymi czynnikami
Jak wygląda równanie szybkości reakcji chemicznej w funkcji temperatury? W przypadku procesu jednorodnego szybkość zależy od ilościsubstancja, która oddziałuje lub powstaje podczas reakcji w objętości systemu na jednostkę czasu.
W przypadku procesu niejednorodnego szybkość określa się na podstawie ilości substancji reagującej lub wytwarzanej w procesie na jednostkę powierzchni przez minimalny okres czasu.
Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej
Charakter substancji reagujących jest jedną z przyczyn różnych szybkości procesów. Na przykład metale alkaliczne tworzą zasady z wodą w temperaturze pokojowej, a procesowi temu towarzyszy intensywne wydzielanie gazowego wodoru. Metale szlachetne (złoto, platyna, srebro) nie są zdolne do takich procesów ani w temperaturze pokojowej, ani po podgrzaniu.
Charakter reagentów jest czynnikiem branym pod uwagę w przemyśle chemicznym w celu zwiększenia opłacalności produkcji.
Ujawniono związek między stężeniem odczynników a szybkością reakcji chemicznej. Im jest wyższy, tym więcej cząstek zderzy się, dlatego proces będzie przebiegał szybciej.
Prawo działania mas w postaci matematycznej opisuje wprost proporcjonalną zależność między stężeniem substancji wyjściowych a szybkością procesu.
Sformułował ją w połowie XIX wieku rosyjski chemik N. N. Beketov. Dla każdego procesu określana jest stała reakcji, która nie jest związana z temperaturą, stężeniem ani charakterem reagentów.
Doaby przyspieszyć reakcję z udziałem ciała stałego, należy go zmielić na proszek.
W tym przypadku zwiększa się powierzchnia, co ma pozytywny wpływ na szybkość procesu. W przypadku oleju napędowego stosuje się specjalny układ wtryskowy, dzięki któremu w kontakcie z powietrzem znacznie wzrasta szybkość spalania mieszaniny węglowodorów.
Ogrzewanie
Zależność szybkości reakcji chemicznej od temperatury wyjaśnia teoria kinetyki molekularnej. Pozwala obliczyć liczbę zderzeń między cząsteczkami odczynników w określonych warunkach. Uzbrojony w takie informacje, w normalnych warunkach wszystkie procesy powinny przebiegać natychmiast.
Ale jeśli rozważymy konkretny przykład zależności szybkości reakcji od temperatury, okazuje się, że do interakcji konieczne jest najpierw zerwanie wiązań chemicznych między atomami, aby utworzyć z nich nowe substancje. Wymaga to znacznej ilości energii. Jaka jest zależność szybkości reakcji od temperatury? Energia aktywacji decyduje o możliwości rozerwania cząsteczek, charakteryzuje rzeczywistość procesów. Jego jednostki to kJ/mol.
Jeżeli energia jest niewystarczająca, zderzenie będzie nieskuteczne, więc nie będzie mu towarzyszyć tworzenie nowej cząsteczki.
Reprezentacja graficzna
Zależność szybkości reakcji chemicznej od temperatury można przedstawić graficznie. Po podgrzaniu zwiększa się liczba zderzeń między cząstkami, co przyczynia się do przyspieszenia interakcji.
Jak wygląda wykres szybkości reakcji w funkcji temperatury? Energia cząsteczek jest wykreślona poziomo, a liczba cząstek o dużej rezerwie energii jest wskazana pionowo. Wykres to krzywa, której można użyć do oceny szybkości określonej interakcji.
Im większa różnica energii od średniej, tym dalej punkt krzywej znajduje się od maksimum i mniejszy procent cząsteczek ma taki zapas energii.
Ważne aspekty
Czy można napisać równanie zależności stałej szybkości reakcji od temperatury? Jego wzrost znajduje odzwierciedlenie we wzroście szybkości procesu. Taka zależność charakteryzuje się pewną wartością, zwaną współczynnikiem temperaturowym szybkości procesu.
Dla dowolnej interakcji ujawniono zależność stałej szybkości reakcji od temperatury. Jeśli zostanie zwiększona o 10 stopni, prędkość procesu wzrośnie 2-4 razy.
Zależność szybkości reakcji jednorodnych od temperatury można przedstawić w postaci matematycznej.
W przypadku większości interakcji w temperaturze pokojowej współczynnik mieści się w zakresie od 2 do 4. Na przykład przy współczynniku temperaturowym 2,9 wzrost temperatury o 100 stopni przyspiesza proces prawie 50 000 razy.
Zależność szybkości reakcji od temperatury można łatwo wytłumaczyć różną wartością energii aktywacji. Ma minimalną wartość podczas procesów jonowych, które są determinowane tylko przez oddziaływanie kationów i anionów. Liczne eksperymenty świadczą o natychmiastowym występowaniu takich reakcji.
Gdy energia aktywacji jest wysoka, tylko niewielka liczba zderzeń między cząstkami doprowadzi do realizacji interakcji. Przy średniej energii aktywacji reagenty będą oddziaływać ze średnią prędkością.
Zadania dotyczące zależności szybkości reakcji od stężenia i temperatury są rozpatrywane tylko na wyższym poziomie edukacji, często sprawiając dzieciom poważne trudności.
Pomiar szybkości procesu
Te procesy, które wymagają znacznej energii aktywacji, obejmują początkowe zerwanie lub osłabienie wiązań między atomami w oryginalnych substancjach. W tym przypadku przechodzą w pewien stan pośredni, zwany aktywowanym kompleksem. Jest to stan niestabilny, dość szybko rozpada się na produkty reakcji, procesowi temu towarzyszy uwolnienie dodatkowej energii.
W swojej najprostszej postaci kompleks aktywny to konfiguracja atomów z osłabionymi starymi wiązaniami.
Inhibitory i katalizatory
Przeanalizujmy zależność szybkości reakcji enzymatycznej od temperatury ośrodka. Takie substancje działają jak przyspieszaczeproces.
Sami nie są uczestnikami interakcji, ich liczba po zakończeniu procesu pozostaje bez zmian. Jeśli katalizatory zwiększają szybkość reakcji, to przeciwnie, inhibitory spowalniają ten proces.
Istotą tego jest powstawanie związków pośrednich, w wyniku których obserwuje się zmianę szybkości procesu.
Wniosek
Na świecie w każdej minucie zachodzą różne interakcje chemiczne. Jak ustalić zależność szybkości reakcji od temperatury? Równanie Arrheniusa jest matematycznym wyjaśnieniem związku między stałą szybkości a temperaturą. Daje wyobrażenie o tych wartościach energii aktywacji, przy których możliwe jest zniszczenie lub osłabienie wiązań między atomami w cząsteczkach, rozkład cząstek na nowe związki chemiczne.
Dzięki teorii kinetyki molekularnej możliwe jest przewidywanie prawdopodobieństwa interakcji między początkowymi składnikami, aby obliczyć szybkość procesu. Wśród czynników wpływających na szybkość reakcji szczególne znaczenie ma zmiana wskaźnika temperatury, procentowego stężenia substancji oddziałujących, pola powierzchni kontaktu, obecność katalizatora (inhibitora), a także rodzaj oddziałujących składników.
