Mes nuolat susiduriame su įvairiomis cheminėmis sąveikomis. Gamtinių dujų degimas, geležies rūdijimas, pieno rūgimas – toli gražu ne visi procesai, kurie detaliai nagrinėjami mokykliniame chemijos kurse.
Kai kurios reakcijos užtrunka sekundžių dalis, o kai kurios sąveikos trunka kelias dienas ar savaites.
Pabandykime nustatyti reakcijos greičio priklausomybę nuo temperatūros, koncentracijos ir kitų veiksnių. Naujajame išsilavinimo standarte šiam klausimui skiriamas minimalus studijų laikas. Vieningo valstybinio egzamino testuose pateikiamos reakcijos greičio priklausomybės nuo temperatūros, koncentracijos užduotys, siūlomos net skaičiavimo užduotys. Daugelis aukštųjų mokyklų studentų patiria tam tikrų sunkumų ieškodami atsakymų į šiuos klausimus, todėl šią temą panagrinėsime išsamiai.
Nagrinėjamos problemos aktualumas
Informacija apie reakcijos greitį turi didelę praktinę ir mokslinę reikšmę. Pavyzdžiui, konkrečioje medžiagų ir produktų gamyboje iš tam tikrosvertė tiesiogiai priklauso nuo įrangos veikimo, prekių kainos.
Vykstančių reakcijų klasifikacija
Yra tiesioginis ryšys tarp pradinių komponentų ir produktų, susidarančių cheminio proceso metu, agregacijos būsenos: nevienalytė sąveika.
Sistema chemijoje paprastai suprantama kaip medžiaga arba jų derinys.
Homogeninė sistema yra tokia, kurią sudaro viena fazė (ta pati agregacijos būsena). Kaip pavyzdį galime paminėti dujų mišinį, kelis skirtingus skysčius.
Heterogeninė yra sistema, kurioje reagentai yra dujų ir skysčių, kietųjų medžiagų ir dujų pavidalo.
Reakcijos greitis priklauso ne tik nuo temperatūros, bet ir nuo fazės, kurioje naudojami analizuojamoje sąveikoje dalyvaujantys komponentai.
Vietinei kompozicijai būdingas proceso tekėjimas visame tūryje, o tai žymiai pagerina jo kokybę.
Jei pradinės medžiagos yra skirtingų fazių būsenų, šiuo atveju didžiausia sąveika stebima ties fazės riba. Pavyzdžiui, kai aktyvus metalas ištirpsta rūgštyje, produkto (druskos) susidarymas stebimas tik jų sąlyčio paviršiuje.
Matematinis ryšys tarp proceso greičio ir įvairių veiksnių
Kaip atrodo cheminės reakcijos greičio ir temperatūros lygtis? Vienalyčiam procesui norma nustatoma pagal kiekįmedžiaga, kuri sąveikauja arba susidaro reakcijos metu sistemos tūryje per laiko vienetą.
Jei vyksta nevienalytis procesas, greitis nustatomas pagal procese reaguojančios arba susidarančios medžiagos kiekį ploto vienete minimalų laikotarpį.
Veiksniai, turintys įtakos cheminės reakcijos greičiui
Reaguojančių medžiagų pobūdis yra viena iš skirtingų procesų greičio priežasčių. Pavyzdžiui, šarminiai metalai su vandeniu kambario temperatūroje sudaro šarmus, o procesą lydi intensyvi dujinio vandenilio išsiskyrimas. Taurieji metalai (auksas, platina, sidabras) negali atlikti tokių procesų nei kambario temperatūroje, nei kaitinant.
Reagentų pobūdis yra veiksnys, į kurį atsižvelgiama chemijos pramonėje, siekiant padidinti gamybos pelningumą.
Atskleistas ryšys tarp reagentų koncentracijos ir cheminės reakcijos greičio. Kuo jis didesnis, tuo daugiau dalelių susidurs, todėl procesas vyks greičiau.
Masių veikimo dėsnis matematine forma apibūdina tiesiogiai proporcingą pradinių medžiagų koncentracijos ir proceso greičio ryšį.
Ją XIX amžiaus viduryje suformulavo rusų chemikas N. N. Beketovas. Kiekvienam procesui nustatoma reakcijos konstanta, kuri nesusijusi su temperatūra, koncentracija ar reagentų pobūdžiu.
Kamkad paspartintumėte reakciją, kurioje dalyvauja kieta medžiaga, turite ją sum alti iki miltelių.
Šiuo atveju paviršiaus plotas padidėja, o tai teigiamai veikia proceso greitį. Dyzeliniam kurui naudojama speciali įpurškimo sistema, dėl kurios, kai jis liečiasi su oru, angliavandenilių mišinio degimo greitis žymiai padidėja.
Šildymas
Cheminės reakcijos greičio priklausomybę nuo temperatūros paaiškina molekulinė kinetinė teorija. Tai leidžia apskaičiuoti susidūrimų tarp reagentų molekulių skaičių tam tikromis sąlygomis. Turint tokią informaciją, normaliomis sąlygomis visi procesai turėtų vykti akimirksniu.
Bet jei panagrinėsime konkretų reakcijos greičio priklausomybės nuo temperatūros pavyzdį, paaiškėja, kad sąveikai pirmiausia reikia nutraukti cheminius ryšius tarp atomų, kad iš jų susidarytų naujos medžiagos. Tam reikia daug energijos. Kokia reakcijos greičio priklausomybė nuo temperatūros? Aktyvacijos energija lemia molekulių plyšimo galimybę, charakterizuoja procesų realumą. Jo vienetai yra kJ/mol.
Jei energijos nepakanka, susidūrimas bus neefektyvus, todėl nesusiformuos nauja molekulė.
Grafinis vaizdas
Cheminės reakcijos greičio priklausomybę nuo temperatūros galima pavaizduoti grafiškai. Kaitinant, dalelių susidūrimų skaičius didėja, o tai prisideda prie sąveikos pagreitėjimo.
Kaip atrodo reakcijos greičio ir temperatūros diagrama? Molekulių energija brėžiama horizontaliai, o dalelių, turinčių didelį energijos rezervą, skaičius nurodomas vertikaliai. Grafikas yra kreivė, pagal kurią galima spręsti apie tam tikros sąveikos greitį.
Kuo didesnis energijos skirtumas nuo vidurkio, tuo kreivės taškas yra toliau nuo maksimumo, ir mažesnis procentas molekulių turi tokį energijos rezervą.
Svarbūs aspektai
Ar galima parašyti reakcijos greičio konstantos priklausomybės nuo temperatūros lygtį? Jo padidėjimą atspindi proceso greičio padidėjimas. Tokiai priklausomybei būdinga tam tikra reikšmė, vadinama proceso greičio temperatūros koeficientu.
Bet kokia sąveika buvo atskleista reakcijos greičio konstantos priklausomybė nuo temperatūros. Jei jis padidinamas 10 laipsnių, proceso greitis padidėja 2–4 kartus.
Homogeninių reakcijų greičio priklausomybę nuo temperatūros galima pavaizduoti matematine forma.
Daugeliui sąveikų kambario temperatūroje koeficientas yra nuo 2 iki 4. Pavyzdžiui, kai temperatūros koeficientas yra 2,9, 100 laipsnių temperatūros padidėjimas pagreitina procesą beveik 50 000 kartų.
Reakcijos greičio priklausomybę nuo temperatūros galima lengvai paaiškinti skirtinga aktyvacijos energijos verte. Ji turi minimalią vertę joninių procesų metu, kuriuos lemia tik katijonų ir anijonų sąveika. Daugybė eksperimentų liudija, kad tokios reakcijos įvyksta akimirksniu.
Kai aktyvavimo energija yra didelė, sąveiką įgyvendins tik nedidelis dalelių susidūrimų skaičius. Esant vidutinei aktyvinimo energijai, reagentai sąveikaus vidutiniu greičiu.
Užduotys dėl reakcijos greičio priklausomybės nuo koncentracijos ir temperatūros svarstomos tik vyresnėje ugdymo pakopoje, dažnai sukelia rimtų sunkumų vaikams.
Proceso greičio matavimas
Tie procesai, kuriems reikalinga didelė aktyvinimo energija, apima pradinį pradinių medžiagų atomų ryšių nutraukimą arba susilpnėjimą. Tokiu atveju jie pereina į tam tikrą tarpinę būseną, vadinamą aktyvuotu kompleksu. Tai nestabili būsena, gana greitai suyra į reakcijos produktus, procesą lydi papildomos energijos išsiskyrimas.
Paprasčiausia forma aktyvuotas kompleksas yra atomų konfigūracija su susilpnėjusiomis senomis jungtimis.
Inhibitoriai ir katalizatoriai
Išanalizuokime fermentinės reakcijos greičio priklausomybę nuo terpės temperatūros. Tokios medžiagos veikia kaip greitintuvaiprocesas.
Jie patys nėra sąveikos dalyviai, jų skaičius pasibaigus procesui išlieka nepakitęs. Jei katalizatoriai padidina reakcijos greitį, inhibitoriai, priešingai, sulėtina šį procesą.
To esmė yra tarpinių junginių susidarymas, dėl kurio stebimas proceso greičio pokytis.
Išvada
Kiekvieną minutę pasaulyje vyksta įvairios cheminės sąveikos. Kaip nustatyti reakcijos greičio priklausomybę nuo temperatūros? Arrheniuso lygtis yra matematinis greičio konstantos ir temperatūros ryšio paaiškinimas. Tai suteikia idėją apie tas aktyvacijos energijos vertes, kurioms esant galimas ryšių tarp atomų sunaikinimas arba susilpnėjimas molekulėse, dalelių pasiskirstymas į naujas chemines medžiagas.
Molekulinės-kinetinės teorijos dėka galima numatyti pradinių komponentų sąveikos tikimybę, apskaičiuoti proceso greitį. Tarp veiksnių, turinčių įtakos reakcijos greičiui, ypač svarbus temperatūros indekso pokytis, sąveikaujančių medžiagų procentinė koncentracija, kontaktinio paviršiaus plotas, katalizatoriaus (inhibitoriaus) buvimas, taip pat sąveikaujančių komponentų pobūdis..
