Stále sme konfrontovaní s rôznymi chemickými interakciami. Spaľovanie zemného plynu, hrdzavenie železa, kysnutie mlieka nie sú ani zďaleka všetky procesy, ktoré sa podrobne študujú na školskom kurze chémie.
Niektoré reakcie trvajú zlomky sekúnd, zatiaľ čo niektoré interakcie trvajú dni alebo týždne.
Pokúsme sa identifikovať závislosť rýchlosti reakcie od teploty, koncentrácie a iných faktorov. V novom vzdelávacom štandarde je na túto problematiku vyčlenený minimálny rozsah študijného času. V testoch jednotnej štátnej skúšky sú úlohy na závislosť rýchlosti reakcie od teploty, koncentrácie, dokonca sa ponúkajú aj výpočtové úlohy. Mnoho stredoškolákov má pri hľadaní odpovedí na tieto otázky určité ťažkosti, preto túto tému podrobne rozoberieme.
Relevantnosť posudzovaného problému
Informácie o rýchlosti reakcie majú veľký praktický a vedecký význam. Napríklad pri konkrétnej výrobe látok a produktov z danéhohodnota priamo závisí od výkonu zariadenia, ceny tovaru.
Klasifikácia prebiehajúcich reakcií
Medzi stavom agregácie počiatočných zložiek a produktov vytvorených počas chemického procesu existuje priamy vzťah: heterogénne interakcie.
Systém sa v chémii zvyčajne chápe ako látka alebo ich kombinácia.
Homogénny systém je taký, ktorý pozostáva z jednej fázy (rovnaký stav agregácie). Ako príklad môžeme uviesť zmes plynov, niekoľko rôznych kvapalín.
Heterogénny je systém, v ktorom sú reaktanty vo forme plynov a kvapalín, pevných látok a plynov.
Rýchlosť reakcie nezávisí len od teploty, ale aj od fázy, v ktorej sa komponenty podieľajúce sa na analyzovanej interakcii používajú.
Homogénna kompozícia sa vyznačuje prietokom procesu v celom objeme, čo výrazne zlepšuje jej kvalitu.
Ak sú počiatočné látky v rôznych fázových stavoch, v tomto prípade je maximálna interakcia pozorovaná na fázovom rozhraní. Napríklad, keď sa aktívny kov rozpustí v kyseline, tvorba produktu (soli) sa pozoruje iba na povrchu ich kontaktu.
Matematický vzťah medzi rýchlosťou procesu a rôznymi faktormi
Ako vyzerá rovnica pre rýchlosť chemickej reakcie verzus teplota? Pre homogénny proces je rýchlosť určená množstvomlátka, ktorá interaguje alebo vzniká počas reakcie v objeme systému za jednotku času.
Pri heterogénnom procese sa rýchlosť určuje prostredníctvom množstva látky reagujúcej alebo produkovanej v procese na jednotku plochy počas minimálneho časového obdobia.
Faktory ovplyvňujúce rýchlosť chemickej reakcie
Povaha reagujúcich látok je jedným z dôvodov rôznych rýchlostí procesov. Napríklad alkalické kovy tvoria alkálie s vodou pri izbovej teplote a proces je sprevádzaný intenzívnym vývojom plynného vodíka. Ušľachtilé kovy (zlato, platina, striebro) nie sú schopné takýchto procesov ani pri izbovej teplote, ani pri zahrievaní.
Povaha reaktantov je faktor, ktorý sa berie do úvahy v chemickom priemysle s cieľom zvýšiť ziskovosť výroby.
Bol odhalený vzťah medzi koncentráciou činidiel a rýchlosťou chemickej reakcie. Čím je vyššia, tým viac častíc sa zrazí, a preto bude proces prebiehať rýchlejšie.
Zákon pôsobenia hmôt v matematickej forme popisuje priamo úmerný vzťah medzi koncentráciou východiskových látok a rýchlosťou procesu.
Sformuloval ho v polovici devätnásteho storočia ruský chemik N. N. Beketov. Pre každý proces sa určí reakčná konštanta, ktorá nesúvisí s teplotou, koncentráciou alebo povahou reaktantov.
Komuaby ste urýchlili reakciu zahŕňajúcu pevnú látku, musíte ju rozdrviť na prášok.
V tomto prípade sa plocha zväčšuje, čo má pozitívny vplyv na rýchlosť procesu. Pre motorovú naftu sa používa špeciálny vstrekovací systém, vďaka ktorému sa pri kontakte so vzduchom výrazne zvyšuje rýchlosť spaľovania zmesi uhľovodíkov.
Vykurovanie
Závislosť rýchlosti chemickej reakcie od teploty vysvetľuje molekulárna kinetická teória. Umožňuje vám vypočítať počet zrážok medzi molekulami činidiel za určitých podmienok. Vyzbrojení takýmito informáciami by za normálnych podmienok mali všetky procesy prebehnúť okamžite.
Ak však vezmeme do úvahy konkrétny príklad závislosti rýchlosti reakcie od teploty, ukáže sa, že pre interakciu je potrebné najskôr prerušiť chemické väzby medzi atómami, aby sa z nich vytvorili nové látky. To si vyžaduje značné množstvo energie. Aká je závislosť rýchlosti reakcie od teploty? Aktivačná energia určuje možnosť prasknutia molekúl, charakterizuje realitu procesov. Jeho jednotky sú kJ/mol.
Ak je energia nedostatočná, zrážka bude neúčinná, takže ju nesprevádza tvorba novej molekuly.
Grafické znázornenie
Závislosť rýchlosti chemickej reakcie od teploty je možné znázorniť graficky. Pri zahrievaní sa zvyšuje počet zrážok medzi časticami, čo prispieva k zrýchleniu interakcie.
Ako vyzerá graf závislosti rýchlosti reakcie a teploty? Energia molekúl je vynesená horizontálne a počet častíc s vysokou energetickou rezervou je znázornený vertikálne. Graf je krivka, ktorú možno použiť na posúdenie rýchlosti konkrétnej interakcie.
Čím väčší je energetický rozdiel od priemeru, tým ďalej je bod krivky od maxima a menšie percento molekúl má takúto energetickú rezervu.
Dôležité aspekty
Je možné napísať rovnicu pre závislosť rýchlostnej konštanty reakcie od teploty? Jeho zvýšenie sa prejavuje zvýšením rýchlosti procesu. Takáto závislosť je charakterizovaná určitou hodnotou, nazývanou teplotný koeficient rýchlosti procesu.
Pre akúkoľvek interakciu bola odhalená závislosť konštanty rýchlosti reakcie od teploty. Ak sa zvýši o 10 stupňov, rýchlosť procesu sa zvýši 2-4 krát.
Závislosť rýchlosti homogénnych reakcií na teplote môže byť vyjadrená v matematickej forme.
Pre väčšinu interakcií pri izbovej teplote je koeficient v rozsahu od 2 do 4. Napríklad pri teplotnom koeficiente 2,9 zvýšenie teploty o 100 stupňov urýchli proces takmer 50 000-krát.
Závislosť rýchlosti reakcie od teploty možno ľahko vysvetliť rôznou hodnotou aktivačnej energie. Minimálnu hodnotu má pri iónových procesoch, ktoré sú určené len interakciou katiónov a aniónov. Početné experimenty dokazujú okamžitý výskyt takýchto reakcií.
Keď je aktivačná energia vysoká, len malý počet zrážok medzi časticami povedie k realizácii interakcie. Pri priemernej aktivačnej energii budú reaktanty interagovať priemernou rýchlosťou.
Zadania o závislosti rýchlosti reakcie od koncentrácie a teploty sa zvažujú len na vyššej úrovni vzdelávania, čo deťom často spôsobuje vážne ťažkosti.
Meranie rýchlosti procesu
Tieto procesy, ktoré vyžadujú značnú aktivačnú energiu, zahŕňajú počiatočné prerušenie alebo oslabenie väzieb medzi atómami v pôvodných látkach. V tomto prípade prechádzajú do určitého medzistavu, nazývaného aktivovaný komplex. Je to nestabilný stav, pomerne rýchlo sa rozkladá na reakčné produkty, proces je sprevádzaný uvoľňovaním ďalšej energie.
V najjednoduchšej forme je aktivovaný komplex konfiguráciou atómov s oslabenými starými väzbami.
Inhibítory a katalyzátory
Poďme analyzovať závislosť rýchlosti enzymatickej reakcie od teploty média. Takéto látky pôsobia ako urýchľovačeproces.
Oni sami nie sú účastníkmi interakcie, ich počet po dokončení procesu zostáva nezmenený. Ak katalyzátory zvyšujú rýchlosť reakcie, potom inhibítory naopak tento proces spomaľujú.
Podstatou toho je tvorba medziproduktov, v dôsledku čoho sa pozoruje zmena rýchlosti procesu.
Záver
Každú minútu na svete dochádza k rôznym chemickým interakciám. Ako určiť závislosť rýchlosti reakcie od teploty? Arrheniova rovnica je matematickým vysvetlením vzťahu medzi rýchlostnou konštantou a teplotou. Poskytuje predstavu o tých hodnotách aktivačnej energie, pri ktorých je možná deštrukcia alebo oslabenie väzieb medzi atómami v molekulách, distribúcia častíc do nových chemikálií.
Vďaka molekulárno-kinetickej teórii je možné predpovedať pravdepodobnosť interakcií medzi počiatočnými zložkami a vypočítať rýchlosť procesu. Medzi faktory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť reakcie, je obzvlášť dôležitá zmena teplotného indexu, percentuálna koncentrácia interagujúcich látok, plocha kontaktu, prítomnosť katalyzátora (inhibítora), ako aj povaha interagujúcich zložiek..
