Állandóan szembesülünk különféle kémiai kölcsönhatásokkal. A földgáz elégetése, a vas rozsdásodása, a tej megsavanyodása messze nem mindaz a folyamat, amelyet egy iskolai kémiatanfolyamon részletesen tanulmányoznak.
Egyes reakciók a másodpercek töredékei, míg egyes interakciók napokig vagy hetekig tartanak.
Próbáljuk meg azonosítani a reakciósebesség hőmérséklettől, koncentrációtól és egyéb tényezőktől való függését. Az új oktatási szabványban erre a kérdésre egy minimális tanulási idő van elkülönítve. Az egységes államvizsga tesztjeiben a reakciósebesség hőmérséklettől, koncentrációtól való függésére vonatkozó feladatok, sőt számítási feladatok is szerepelnek. Sok középiskolás diák tapasztal bizonyos nehézségeket, amikor választ talál ezekre a kérdésekre, ezért részletesen elemezzük ezt a témát.
A vizsgált probléma relevanciája
A reakciósebességgel kapcsolatos információk nagy gyakorlati és tudományos jelentőséggel bírnak. Például egy adott anyagok és termékek adott előállítása soránaz érték közvetlenül függ a berendezés teljesítményétől, az áruk költségétől.
A folyamatban lévő reakciók osztályozása
Közvetlen kapcsolat van a kezdeti komponensek és a kémiai folyamat során keletkező termékek aggregációs állapota között: heterogén kölcsönhatások.
A rendszer a kémiában általában egy anyagot vagy ezek kombinációját érti.
A homogén rendszer egy fázisból áll (ugyanaz aggregált állapot). Példaként említhetjük a gázok keverékét, többféle folyadékot.
A heterogén olyan rendszer, amelyben a reagensek gázok és folyadékok, szilárd anyagok és gázok formájában vannak.
A reakciósebesség nemcsak a hőmérséklettől függ, hanem attól is, hogy az elemzett kölcsönhatásban részt vevő komponensek melyik fázisban kerülnek felhasználásra.
A homogén összetételt a folyamat áramlása jellemzi a térfogatban, ami jelentősen javítja a minőségét.
Ha a kiindulási anyagok különböző fázisállapotban vannak, ebben az esetben a maximális kölcsönhatás a fázishatáron figyelhető meg. Például, ha egy aktív fémet feloldunk egy savban, a termék (só) képződése csak az érintkezésük felületén figyelhető meg.
Matematikai kapcsolat a folyamat sebessége és a különböző tényezők között
Hogy néz ki a kémiai reakció sebességének és hőmérsékletének egyenlete? Homogén folyamat esetén az arányt a mennyiség határozza megolyan anyag, amely kölcsönhatásba lép, vagy reakció során keletkezik a rendszer térfogatában időegység alatt.
Heterogén folyamatok esetén a sebességet a reakcióban vagy a folyamatban előállított anyag egységnyi területre jutó mennyisége határozza meg minimális ideig.
A kémiai reakció sebességét befolyásoló tényezők
A reakcióba lépő anyagok természete az egyik oka a folyamatok eltérő sebességének. Például az alkálifémek szobahőmérsékleten vízzel lúgokat képeznek, és a folyamatot intenzív gázhalmazállapotú hidrogénfejlődés kíséri. A nemesfémek (arany, platina, ezüst) sem szobahőmérsékleten, sem hevítve nem képesek ilyen folyamatokra.
A reagensek természete olyan tényező, amelyet a vegyiparban figyelembe vesznek a termelés jövedelmezőségének növelése érdekében.
Feltárult a kapcsolat a reagensek koncentrációja és a kémiai reakció sebessége között. Minél magasabb, annál több részecske ütközik, ezért a folyamat gyorsabban megy végbe.
A tömegek hatástörvénye matematikai formában egyenesen arányos összefüggést ír le a kiindulási anyagok koncentrációja és a folyamat sebessége között.
A tizenkilencedik század közepén N. N. Beketov orosz kémikus fogalmazta meg. Minden folyamathoz meg kell határozni egy reakcióállandót, amely nem függ a hőmérséklettől, a koncentrációtól vagy a reaktánsok természetétől.
Céla szilárd anyagot tartalmazó reakció felgyorsításához porrá kell őrölni.
Ebben az esetben megnő a felület, ami pozitívan befolyásolja a folyamat sebességét. A dízel üzemanyaghoz speciális befecskendező rendszert használnak, amelynek köszönhetően a levegővel érintkezve a szénhidrogén keverék égési sebessége jelentősen megnő.
Fűtés
A kémiai reakció sebességének a hőmérséklettől való függését a molekuláris kinetikai elmélet magyarázza. Lehetővé teszi bizonyos körülmények között a reagensek molekulái közötti ütközések számának kiszámítását. Ilyen információk birtokában, normál körülmények között, minden folyamatnak azonnal le kell folytatnia.
De ha egy konkrét példát vesszük a reakciósebesség hőmérséklettől való függésére, akkor kiderül, hogy a kölcsönhatáshoz először meg kell szakítani az atomok közötti kémiai kötéseket, hogy új anyagok képződjenek belőlük. Ez jelentős mennyiségű energiát igényel. Mi a reakciósebesség függése a hőmérséklettől? Az aktiválási energia meghatározza a molekulák felszakadásának lehetőségét, jellemzi a folyamatok valóságát. Mértékegységei kJ/mol.
Ha az energia nem elegendő, az ütközés hatástalan lesz, így nem jár együtt új molekula képződésével.
Grafikus ábrázolás
Egy kémiai reakció sebességének a hőmérséklettől való függése grafikusan ábrázolható. Melegítéskor megnő a részecskék közötti ütközések száma, ami hozzájárul a kölcsönhatás felgyorsulásához.
Hogy néz ki a reakciósebesség-hőmérséklet grafikon? A molekulák energiáját vízszintesen ábrázoljuk, a nagy energiatartalékkal rendelkező részecskék számát pedig függőlegesen. A grafikon egy görbe, amely egy adott interakció sebességének megítélésére használható.
Minél nagyobb az energiakülönbség az átlagtól, annál távolabb van a görbe pontja a maximumtól, és a molekulák kisebb százaléka rendelkezik ilyen energiatartalékkal.
Fontos szempontok
Lehetséges egy egyenlet a reakciósebesség-állandó hőmérséklettől való függésére? Ennek növekedése a folyamat sebességének növekedésében mutatkozik meg. Az ilyen függést egy bizonyos érték jellemzi, amelyet a folyamat sebességének hőmérsékleti együtthatójának neveznek.
Bármilyen kölcsönhatás esetén kiderült, hogy a reakciósebesség-állandó függ a hőmérséklettől. Ha 10 fokkal növeli, a folyamat sebessége 2-4-szeresére nő.
A homogén reakciók sebességének hőmérsékletfüggősége matematikai formában ábrázolható.
A legtöbb szobahőmérsékleten végzett kölcsönhatás esetén az együttható 2 és 4 közötti tartományban van. Például 2,9-es hőmérsékleti együttható mellett 100 fokos hőmérséklet-emelkedés csaknem 50 000-szeresére gyorsítja a folyamatot.
A reakciósebesség hőmérséklettől való függősége könnyen magyarázható az aktiválási energia eltérő értékével. Az ionos folyamatok során minimális értéke van, amelyet csak a kationok és anionok kölcsönhatása határoz meg. Számos kísérlet tanúskodik az ilyen reakciók azonnali előfordulásáról.
Amikor az aktiválási energia magas, a részecskék közötti ütközések csak kis száma vezet a kölcsönhatás megvalósításához. Átlagos aktiválási energiával a reaktánsok átlagos sebességgel lépnek kölcsönhatásba.
A reakciósebesség koncentrációtól és hőmérséklettől való függésére vonatkozó feladatokat csak az oktatás felső szintjén veszik figyelembe, ami gyakran komoly nehézségeket okoz a gyermekek számára.
A folyamat sebességének mérése
Azok a folyamatok, amelyek jelentős aktiválási energiát igényelnek, magukban foglalják az eredeti anyagok atomjai közötti kötések kezdeti megszakadását vagy gyengülését. Ebben az esetben egy bizonyos köztes állapotba kerülnek, amelyet aktivált komplexnek neveznek. Instabil állapotú, meglehetősen gyorsan bomlik reakciótermékekké, a folyamat többletenergia felszabadulásával jár.
A legegyszerűbb formájában az aktivált komplex atomok konfigurációja, amelyeknek régi kötései meggyengültek.
Inhibitorok és katalizátorok
Elemezzük az enzimatikus reakció sebességének a közeghőmérséklettől való függését. Az ilyen anyagok gyorsítóként működnekfolyamat.
Ők maguk nem résztvevői az interakciónak, számuk a folyamat befejezése után változatlan marad. Ha a katalizátorok növelik a reakciósebességet, akkor az inhibitorok éppen ellenkezőleg, lelassítják ezt a folyamatot.
Ennek a lényege a köztes vegyületek képződése, aminek következtében a folyamat sebességének változása figyelhető meg.
Következtetés
Percenként különféle kémiai kölcsönhatások fordulnak elő a világon. Hogyan állapítható meg a reakciósebesség hőmérséklettől való függése? Az Arrhenius-egyenlet a sebességi állandó és a hőmérséklet közötti kapcsolat matematikai magyarázata. Képet ad az aktiválási energia azon értékeiről, amelyeknél lehetséges a molekulákban lévő atomok közötti kötések megsemmisülése vagy gyengülése, a részecskék új vegyszerekké való eloszlása.
A molekuláris-kinetikai elméletnek köszönhetően megjósolható a kezdeti komponensek közötti kölcsönhatások valószínűsége, kiszámítható a folyamat sebessége. A reakciósebességet befolyásoló tényezők közül különösen fontos a hőmérsékleti index változása, a kölcsönható anyagok százalékos koncentrációja, az érintkezési felület, a katalizátor (inhibitor) jelenléte, valamint a kölcsönhatásba lépő komponensek jellege..
