Stalno se suočavamo s raznim kemijskim interakcijama. Izgaranje prirodnog plina, hrđanje željeza, kiseljenje mlijeka daleko su od svih procesa koji se detaljno proučavaju u školskom tečaju kemije.
Neke reakcije traju djeliće sekunde, dok neke interakcije traju danima ili tjednima.
Pokušajmo identificirati ovisnost brzine reakcije o temperaturi, koncentraciji i drugim čimbenicima. U novom obrazovnom standardu za ovu problematiku predviđena je minimalna količina vremena učenja. U testovima jedinstvenog državnog ispita nalaze se zadaci o ovisnosti brzine reakcije o temperaturi, koncentraciji, pa čak i računski zadaci. Mnogi srednjoškolci imaju određene poteškoće u pronalaženju odgovora na ova pitanja, pa ćemo ovu temu detaljno analizirati.
Relevantnost pitanja koje se razmatra
Informacije o brzini reakcije od velike su praktične i znanstvene važnosti. Na primjer, u specifičnoj proizvodnji tvari i proizvoda iz danevrijednost izravno ovisi o izvedbi opreme, cijeni robe.
Klasifikacija tekućih reakcija
Postoji izravan odnos između stanja agregacije početnih komponenti i proizvoda nastalih tijekom kemijskog procesa: heterogene interakcije.
Sustav se u kemiji obično razumije kao tvar ili njihova kombinacija.
Homogeni sustav je onaj koji se sastoji od jedne faze (isto stanje agregacije). Kao primjer možemo spomenuti mješavinu plinova, nekoliko različitih tekućina.
Heterogen je sustav u kojem su reaktanti u obliku plinova i tekućina, čvrstih tvari i plinova.
Ne postoji samo ovisnost brzine reakcije o temperaturi, već i o fazi u kojoj se koriste komponente uključene u analiziranu interakciju.
Homogenu kompoziciju karakterizira tijek procesa u cijelom volumenu, što značajno poboljšava njegovu kvalitetu.
Ako su početne tvari u različitim faznim stanjima, u ovom slučaju, najveća interakcija se opaža na granici faze. Na primjer, kada je aktivni metal otopljen u kiselini, stvaranje proizvoda (soli) se opaža samo na površini njihovog kontakta.
Matematički odnos između brzine procesa i različitih čimbenika
Kako izgleda jednadžba za brzinu kemijske reakcije u odnosu na temperaturu? Za homogeni proces, stopa je određena količinomtvar koja stupa u interakciju ili nastaje tijekom reakcije u volumenu sustava u jedinici vremena.
Za heterogeni proces, brzina se određuje kroz količinu tvari koja reagira ili se proizvodi u procesu po jedinici površine za minimalno vremensko razdoblje.
Čimbenici koji utječu na brzinu kemijske reakcije
Priroda supstanci koje reagiraju jedan je od razloga za različite brzine procesa. Na primjer, alkalni metali tvore lužine s vodom na sobnoj temperaturi, a proces je popraćen intenzivnom evolucijom plinovitog vodika. Plemeniti metali (zlato, platina, srebro) nisu sposobni za takve procese ni na sobnoj temperaturi ni kada su zagrijani.
Priroda reaktanata je čimbenik koji se uzima u obzir u kemijskoj industriji kako bi se povećala profitabilnost proizvodnje.
Otkriven je odnos između koncentracije reagensa i brzine kemijske reakcije. Što je veći, to će se više čestica sudariti, stoga će se proces odvijati brže.
Zakon djelovanja masa u matematičkom obliku opisuje izravno proporcionalan odnos između koncentracije polaznih tvari i brzine procesa.
Formulirao ga je sredinom devetnaestog stoljeća ruski kemičar N. N. Beketov. Za svaki proces određuje se reakcijska konstanta, koja nije povezana s temperaturom, koncentracijom ili prirodom reaktanata.
Zada biste ubrzali reakciju koja uključuje krutinu, morate je samljeti u prah.
U ovom slučaju povećava se površina, što pozitivno utječe na brzinu procesa. Za dizelsko gorivo koristi se poseban sustav ubrizgavanja, zbog kojeg se, kada dođe u dodir sa zrakom, brzina izgaranja mješavine ugljikovodika značajno povećava.
Grijanje
Ovisnost brzine kemijske reakcije o temperaturi objašnjava se molekularno-kinetičkom teorijom. Omogućuje vam izračunavanje broja sudara između molekula reagensa pod određenim uvjetima. Naoružani takvim informacijama, pod normalnim uvjetima, svi bi se procesi trebali nastaviti odmah.
Ali ako uzmemo u obzir konkretan primjer ovisnosti brzine reakcije o temperaturi, ispada da je za interakciju potrebno prvo prekinuti kemijske veze između atoma kako bi se od njih stvorile nove tvari. To zahtijeva značajnu količinu energije. Koja je ovisnost brzine reakcije o temperaturi? Energija aktivacije određuje mogućnost rupture molekula, karakterizira stvarnost procesa. Njegove jedinice su kJ/mol.
Ako je energija nedovoljna, sudar će biti neučinkovit, pa ga ne prati stvaranje nove molekule.
Grafički prikaz
Ovisnost brzine kemijske reakcije o temperaturi može se prikazati grafički. Kada se zagrije, povećava se broj sudara između čestica, što doprinosi ubrzanju interakcije.
Kako izgleda grafikon brzine reakcije u odnosu na temperaturu? Energija molekula je prikazana vodoravno, a broj čestica s velikom rezervom energije je označen okomito. Graf je krivulja koja se može koristiti za procjenu brzine određene interakcije.
Što je veća energetska razlika od prosjeka, to je točka krivulje udaljenija od maksimuma, a manji postotak molekula ima takvu rezervu energije.
Važni aspekti
Je li moguće napisati jednadžbu za ovisnost konstante brzine reakcije o temperaturi? Njegovo povećanje se ogleda u povećanju brzine procesa. Takvu ovisnost karakterizira određena vrijednost, nazvana temperaturni koeficijent brzine procesa.
Za bilo koju interakciju, otkrivena je ovisnost konstante brzine reakcije o temperaturi. Ako se poveća za 10 stupnjeva, brzina procesa se povećava za 2-4 puta.
Ovisnost brzine homogenih reakcija o temperaturi može se predstaviti u matematičkom obliku.
Za većinu interakcija na sobnoj temperaturi, koeficijent je u rasponu od 2 do 4. Na primjer, s temperaturnim koeficijentom od 2,9, povećanje temperature od 100 stupnjeva ubrzava proces za gotovo 50.000 puta.
Ovisnost brzine reakcije o temperaturi može se lako objasniti različitim vrijednostima energije aktivacije. Ima minimalnu vrijednost tijekom ionskih procesa, koji su određeni samo interakcijom kationa i aniona. Brojni eksperimenti svjedoče o trenutnoj pojavi takvih reakcija.
Kada je energija aktivacije visoka, samo mali broj sudara između čestica će dovesti do implementacije interakcije. S prosječnom energijom aktivacije, reaktanti će komunicirati prosječnom brzinom.
Zadaci o ovisnosti brzine reakcije o koncentraciji i temperaturi razmatraju se samo na višoj razini obrazovanja, često uzrokujući ozbiljne poteškoće djeci.
Mjerenje brzine procesa
Oni procesi koji zahtijevaju značajnu energiju aktivacije uključuju početni prekid ili slabljenje veza između atoma u izvornim tvarima. U tom slučaju prelaze u određeno međustanje, koje se naziva aktivirani kompleks. To je nestabilno stanje, prilično brzo se raspada u produkte reakcije, proces je popraćen oslobađanjem dodatne energije.
U svom najjednostavnijem obliku, aktivirani kompleks je konfiguracija atoma s oslabljenim starim vezama.
Inhibitori i katalizatori
Analizirajmo ovisnost brzine enzimske reakcije o temperaturi medija. Takve tvari djeluju kao akceleratoriproces.
Oni sami nisu sudionici interakcije, njihov broj nakon završetka procesa ostaje nepromijenjen. Ako katalizatori povećavaju brzinu reakcije, onda inhibitori, naprotiv, usporavaju ovaj proces.
Suština ovoga je stvaranje međuspojeva, zbog čega se uočava promjena brzine procesa.
Zaključak
Različite kemijske interakcije događaju se svake minute u svijetu. Kako utvrditi ovisnost brzine reakcije o temperaturi? Arrheniusova jednadžba je matematičko objašnjenje odnosa između konstante brzine i temperature. Daje predodžbu o onim vrijednostima aktivacijske energije pri kojima je moguće uništavanje ili slabljenje veza između atoma u molekulama, raspodjela čestica u nove kemikalije.
Zahvaljujući molekularno-kinetičkoj teoriji, moguće je predvidjeti vjerojatnost interakcije između početnih komponenti, izračunati brzinu procesa. Među čimbenicima koji utječu na brzinu reakcije, od posebne je važnosti promjena temperaturnog indeksa, postotak koncentracije tvari koje djeluju, površina kontakta, prisutnost katalizatora (inhibitora), kao i priroda interakcijskih komponenti..
