Stále jsme konfrontováni s různými chemickými interakcemi. Spalování zemního plynu, rezivění železa, kysání mléka nejsou zdaleka všechny procesy, které se podrobně studují ve školním kurzu chemie.
Některé reakce trvají zlomky sekund, zatímco některé interakce trvají dny nebo týdny.
Zkusme identifikovat závislost rychlosti reakce na teplotě, koncentraci a dalších faktorech. V novém vzdělávacím standardu je na tuto problematiku vyčleněna minimální doba studia. V testech jednotné státní zkoušky jsou úlohy na závislost rychlosti reakce na teplotě, koncentraci a nabízejí se i výpočtové úlohy. Mnoho středoškoláků má při hledání odpovědí na tyto otázky určité potíže, proto toto téma podrobně rozebereme.
Relevance zvažovaného problému
Informace o rychlosti reakce mají velký praktický a vědecký význam. Například při konkrétní výrobě látek a produktů z danéhohodnota přímo závisí na výkonu zařízení, ceně zboží.
Klasifikace probíhajících reakcí
Mezi stavem agregace počátečních složek a produktů vzniklých během chemického procesu existuje přímý vztah: heterogenní interakce.
Systém je v chemii obvykle chápán jako látka nebo jejich kombinace.
Homogenní systém je takový, který se skládá z jedné fáze (stejný stav agregace). Jako příklad můžeme uvést směs plynů, několik různých kapalin.
Heterogenní je systém, ve kterém jsou reaktanty ve formě plynů a kapalin, pevných látek a plynů.
Závisí rychlost reakce nejen na teplotě, ale také na fázi, ve které jsou použity komponenty zahrnuté v analyzované interakci.
Homogenní složení se vyznačuje průtokem procesu v celém objemu, což výrazně zlepšuje jeho kvalitu.
Pokud jsou výchozí látky v různých fázových stavech, je v tomto případě maximální interakce pozorována na fázové hranici. Například, když je aktivní kov rozpuštěn v kyselině, tvorba produktu (soli) je pozorována pouze na povrchu jejich kontaktu.
Matematický vztah mezi rychlostí procesu a různými faktory
Jak vypadá rovnice pro rychlost chemické reakce versus teplota? Pro homogenní proces je rychlost určena množstvímlátka, která interaguje nebo se tvoří během reakce v objemu systému za jednotku času.
U heterogenního procesu je rychlost určována množstvím látky reagující nebo produkované v procesu na jednotku plochy po minimální časové období.
Faktory ovlivňující rychlost chemické reakce
Povaha reagujících látek je jedním z důvodů rozdílných rychlostí procesů. Například alkalické kovy tvoří alkálie s vodou při pokojové teplotě a proces je doprovázen intenzivním vývojem plynného vodíku. Ušlechtilé kovy (zlato, platina, stříbro) nejsou schopny takových procesů ani při pokojové teplotě, ani při zahřívání.
Povaha reaktantů je faktor, který se v chemickém průmyslu bere v úvahu za účelem zvýšení ziskovosti výroby.
Byl odhalen vztah mezi koncentrací činidel a rychlostí chemické reakce. Čím vyšší je, tím více částic se srazí, proto bude proces probíhat rychleji.
Zákon působení hmot v matematické podobě popisuje přímo úměrný vztah mezi koncentrací výchozích látek a rychlostí procesu.
Byl formulován v polovině devatenáctého století ruským chemikem N. N. Beketovem. Pro každý proces je určena reakční konstanta, která nesouvisí s teplotou, koncentrací nebo povahou reaktantů.
Komupro urychlení reakce zahrnující pevnou látku je třeba ji rozemlít na prášek.
V tomto případě se povrch zvětší, což má pozitivní vliv na rychlost procesu. U motorové nafty se používá speciální vstřikovací systém, díky kterému se při kontaktu se vzduchem výrazně zvyšuje rychlost spalování směsi uhlovodíků.
Vytápění
Závislost rychlosti chemické reakce na teplotě je vysvětlena molekulární kinetickou teorií. Umožňuje vypočítat počet srážek mezi molekulami činidel za určitých podmínek. Vyzbrojeni takovými informacemi by za normálních podmínek měly všechny procesy proběhnout okamžitě.
Pokud ale vezmeme v úvahu konkrétní příklad závislosti rychlosti reakce na teplotě, ukáže se, že pro interakci je nutné nejprve přerušit chemické vazby mezi atomy, aby se z nich vytvořily nové látky. To vyžaduje značné množství energie. Jaká je závislost rychlosti reakce na teplotě? Aktivační energie určuje možnost prasknutí molekul, charakterizuje realitu procesů. Jeho jednotky jsou kJ/mol.
Pokud je energie nedostatečná, srážka bude neúčinná, takže není doprovázena tvorbou nové molekuly.
Grafické znázornění
Závislost rychlosti chemické reakce na teplotě lze znázornit graficky. Při zahřívání se zvyšuje počet srážek mezi částicemi, což přispívá ke zrychlení interakce.
Jak vypadá graf závislosti rychlosti reakce na teplotě? Energie molekul je vynesena vodorovně a počet částic s vysokou energetickou rezervou je uveden svisle. Graf je křivka, kterou lze použít k posouzení rychlosti konkrétní interakce.
Čím větší je energetický rozdíl od průměru, tím dále je bod křivky od maxima a menší procento molekul má takovou energetickou rezervu.
Důležité aspekty
Je možné napsat rovnici pro závislost konstanty rychlosti reakce na teplotě? Jeho zvýšení se projeví zvýšením rychlosti procesu. Taková závislost je charakterizována určitou hodnotou, nazývanou teplotní koeficient rychlosti procesu.
Pro jakoukoli interakci byla odhalena závislost konstanty rychlosti reakce na teplotě. Pokud se zvýší o 10 stupňů, rychlost procesu se zvýší 2-4krát.
Závislost rychlosti homogenních reakcí na teplotě lze vyjádřit matematickou formou.
Pro většinu interakcí při pokojové teplotě je koeficient v rozsahu od 2 do 4. Například při teplotním koeficientu 2,9 zvýšení teploty o 100 stupňů urychlí proces téměř 50 000krát.
Závislost rychlosti reakce na teplotě lze snadno vysvětlit různou hodnotou aktivační energie. Minimální hodnotu má při iontových procesech, které jsou určeny pouze interakcí kationtů a aniontů. O okamžitém výskytu takových reakcí svědčí četné experimenty.
Když je aktivační energie vysoká, povede k realizaci interakce pouze malý počet srážek mezi částicemi. S průměrnou aktivační energií budou reaktanty interagovat průměrnou rychlostí.
Úkoly na závislosti rychlosti reakce na koncentraci a teplotě jsou zvažovány pouze na vyšší úrovni vzdělávání, což dětem často způsobuje vážné potíže.
Měření rychlosti procesu
Tyto procesy, které vyžadují významnou aktivační energii, zahrnují počáteční přerušení nebo oslabení vazeb mezi atomy v původních látkách. V tomto případě přecházejí do určitého mezistavu, nazývaného aktivovaný komplex. Je to nestabilní stav, poměrně rychle se rozkládá na reakční produkty, proces je doprovázen uvolňováním další energie.
Ve své nejjednodušší formě je aktivovaný komplex konfigurací atomů s oslabenými starými vazbami.
Inhibitory a katalyzátory
Pojďme analyzovat závislost rychlosti enzymatické reakce na teplotě média. Takové látky působí jako urychlovačeproces.
Oni sami nejsou účastníky interakce, jejich počet po dokončení procesu zůstává nezměněn. Pokud katalyzátory zvyšují rychlost reakce, pak inhibitory naopak tento proces zpomalují.
Podstatou toho je tvorba meziproduktů, v důsledku čehož je pozorována změna rychlosti procesu.
Závěr
Každou minutu na světě dochází k různým chemickým interakcím. Jak zjistit závislost rychlosti reakce na teplotě? Arrheniova rovnice je matematickým vysvětlením vztahu mezi rychlostní konstantou a teplotou. Poskytuje představu o těch hodnotách aktivační energie, při kterých je možná destrukce nebo oslabení vazeb mezi atomy v molekulách, distribuce částic do nových chemikálií.
Díky molekulárně-kinetické teorii je možné předpovídat pravděpodobnost interakcí mezi počátečními složkami a vypočítat rychlost procesu. Mezi faktory, které ovlivňují rychlost reakce, je zvláště důležitá změna teplotního indexu, procentuální koncentrace interagujících látek, kontaktní povrch, přítomnost katalyzátoru (inhibitoru) a také povaha interagujících složek..
