Mēs pastāvīgi saskaramies ar dažādām ķīmiskām mijiedarbībām. Dabasgāzes sadegšana, dzelzs rūsēšana, piena rūgšana ir tālu no visiem procesiem, kas tiek detalizēti apgūti skolas ķīmijas kursā.
Dažas reakcijas notiek dažu sekunžu laikā, savukārt dažas mijiedarbības aizņem dienas vai nedēļas.
Mēģināsim noteikt reakcijas ātruma atkarību no temperatūras, koncentrācijas un citiem faktoriem. Jaunajā izglītības standartā šim jautājumam ir atvēlēts minimālais mācību laiks. Vienotā valsts eksāmena ieskaitēs ir uzdevumi par reakcijas ātruma atkarību no temperatūras, koncentrācijas un pat tiek piedāvāti aprēķinu uzdevumi. Daudziem vidusskolēniem ir zināmas grūtības atrast atbildes uz šiem jautājumiem, tāpēc mēs detalizēti analizēsim šo tēmu.
Apskatāmā jautājuma atbilstība
Informācijai par reakcijas ātrumu ir liela praktiska un zinātniska nozīme. Piemēram, konkrētā vielu un produktu ražošanā no dotāvērtība ir tieši atkarīga no iekārtas veiktspējas, preču izmaksām.
Notiekošo reakciju klasifikācija
Pastāv tieša saistība starp sākotnējo komponentu un ķīmiskā procesa laikā izveidoto produktu agregācijas stāvokli: neviendabīga mijiedarbība.
Sistēmu ķīmijā parasti saprot kā vielu vai to kombināciju.
Viendabīga sistēma ir tāda, kas sastāv no vienas fāzes (vienāds agregācijas stāvoklis). Kā piemēru var minēt gāzu maisījumu, vairākus dažādus šķidrumus.
Neviendabīga ir sistēma, kurā reaģenti ir gāzu un šķidrumu, cietvielu un gāzu formā.
Pastāv ne tikai reakcijas ātruma atkarība no temperatūras, bet arī no fāzes, kurā tiek izmantotas analizētajā mijiedarbībā iesaistītās sastāvdaļas.
Viendabīgu sastāvu raksturo procesa plūdums visā tilpumā, kas būtiski uzlabo tā kvalitāti.
Ja sākotnējās vielas atrodas dažādos fāzes stāvokļos, šajā gadījumā maksimālā mijiedarbība tiek novērota pie fāzes robežas. Piemēram, kad aktīvs metāls tiek izšķīdināts skābē, produkta (sāls) veidošanās tiek novērota tikai uz to saskares virsmas.
Matemātiskā sakarība starp procesa ātrumu un dažādiem faktoriem
Kā izskatās ķīmiskās reakcijas ātruma un temperatūras vienādojums? Viendabīgam procesam likmi nosaka daudzumsviela, kas mijiedarbojas vai veidojas reakcijas laikā sistēmas tilpumā laika vienībā.
Neviendabīgam procesam ātrumu nosaka pēc vielas daudzuma, kas reaģē vai saražojas procesā uz laukuma vienību minimālā laika periodā.
Faktori, kas ietekmē ķīmiskās reakcijas ātrumu
Reaģējošo vielu raksturs ir viens no dažādu procesu ātruma iemesliem. Piemēram, sārmu metāli ar ūdeni istabas temperatūrā veido sārmus, un procesu pavada intensīva gāzveida ūdeņraža izdalīšanās. Cēlmetāli (zelts, platīns, sudrabs) nav spējīgi veikt šādus procesus ne istabas temperatūrā, ne karsējot.
Reaģentu raksturs ir faktors, ko ņem vērā ķīmiskajā rūpniecībā, lai palielinātu ražošanas rentabilitāti.
Atklāta saistība starp reaģentu koncentrāciju un ķīmiskās reakcijas ātrumu. Jo augstāks tas ir, jo vairāk daļiņu sadursies, tāpēc process noritēs ātrāk.
Masu iedarbības likums matemātiskā formā apraksta tieši proporcionālu attiecību starp izejvielu koncentrāciju un procesa ātrumu.
To deviņpadsmitā gadsimta vidū formulēja krievu ķīmiķis N. N. Beketovs. Katram procesam tiek noteikta reakcijas konstante, kas nav saistīta ar temperatūru, koncentrāciju vai reaģentu īpašībām.
Kamlai paātrinātu reakciju ar cietu vielu, tā jāsasmalcina līdz pulverim.
Šajā gadījumā virsmas laukums palielinās, kas pozitīvi ietekmē procesa ātrumu. Dīzeļdegvielai tiek izmantota īpaša iesmidzināšanas sistēma, kuras dēļ, nonākot saskarē ar gaisu, ogļūdeņražu maisījuma sadegšanas ātrums ievērojami palielinās.
Apkure
Ķīmiskās reakcijas ātruma atkarību no temperatūras izskaidro molekulārās kinētikas teorija. Tas ļauj aprēķināt sadursmju skaitu starp reaģentu molekulām noteiktos apstākļos. Apbruņojoties ar šādu informāciju, normālos apstākļos visiem procesiem būtu jāturpinās uzreiz.
Bet, ja ņemam vērā konkrētu piemēru reakcijas ātruma atkarībai no temperatūras, izrādās, ka mijiedarbībai vispirms ir jāsarauj ķīmiskās saites starp atomiem, lai no tiem veidotos jaunas vielas. Tas prasa ievērojamu enerģijas daudzumu. Kāda ir reakcijas ātruma atkarība no temperatūras? Aktivizācijas enerģija nosaka molekulu plīsuma iespējamību, raksturo procesu realitāti. Tā mērvienības ir kJ/mol.
Ja enerģijas nepietiek, sadursme būs neefektīva, tāpēc to nepavada jaunas molekulas veidošanās.
Grafiskais attēlojums
Ķīmiskās reakcijas ātruma atkarību no temperatūras var attēlot grafiski. Sildot, palielinās sadursmju skaits starp daļiņām, kas veicina mijiedarbības paātrināšanos.
Kā izskatās reakcijas ātruma un temperatūras diagramma? Molekulu enerģija tiek attēlota horizontāli, un daļiņu skaits ar augstu enerģijas rezervi ir norādīts vertikāli. Diagramma ir līkne, ko var izmantot, lai spriestu par konkrētas mijiedarbības ātrumu.
Jo lielāka enerģijas atšķirība no vidējā, jo tālāk līknes punkts atrodas no maksimuma, un mazākam molekulu procentuālajam daudzumam ir šāda enerģijas rezerve.
Svarīgi aspekti
Vai ir iespējams uzrakstīt vienādojumu reakcijas ātruma konstantes atkarībai no temperatūras? Tās pieaugums atspoguļojas procesa ātruma pieaugumā. Šādu atkarību raksturo noteikta vērtība, ko sauc par procesa ātruma temperatūras koeficientu.
Jebkurai mijiedarbībai ir atklāta reakcijas ātruma konstantes atkarība no temperatūras. Ja to palielina par 10 grādiem, procesa ātrums palielinās 2-4 reizes.
Viendabīgu reakciju ātruma atkarību no temperatūras var attēlot matemātiskā formā.
Lielākajai daļai mijiedarbības istabas temperatūrā koeficients ir diapazonā no 2 līdz 4. Piemēram, ja temperatūras koeficients ir 2,9, temperatūras paaugstināšanās par 100 grādiem paātrina procesu gandrīz 50 000 reižu.
Reakcijas ātruma atkarību no temperatūras var viegli izskaidrot ar dažādu aktivācijas enerģijas vērtību. Tam ir minimālā vērtība jonu procesos, ko nosaka tikai katjonu un anjonu mijiedarbība. Par šādu reakciju tūlītēju rašanos liecina daudzi eksperimenti.
Kad aktivizācijas enerģija ir augsta, tikai neliels skaits sadursmju starp daļiņām novedīs pie mijiedarbības īstenošanas. Ar vidējo aktivācijas enerģiju reaģenti mijiedarbosies ar vidējo ātrumu.
Uzdevumi par reakcijas ātruma atkarību no koncentrācijas un temperatūras tiek izskatīti tikai augstākajā izglītības pakāpē, kas bieži rada nopietnas grūtības bērniem.
Procesa ātruma mērīšana
Tie procesi, kuriem nepieciešama ievērojama aktivizācijas enerģija, ietver sākotnējo vielu saišu pārrāvumu vai vājināšanos starp atomiem. Šajā gadījumā tie nonāk noteiktā starpstāvoklī, ko sauc par aktivizēto kompleksu. Tas ir nestabils stāvoklis, diezgan ātri sadalās reakcijas produktos, procesu pavada papildu enerģijas izdalīšanās.
Savā vienkāršākajā formā aktivēts komplekss ir atomu konfigurācija ar novājinātām vecām saitēm.
Inhibitori un katalizatori
Analizēsim fermentatīvās reakcijas ātruma atkarību no vides temperatūras. Šādas vielas darbojas kā paātrinātājiprocess.
Viņi paši nav mijiedarbības dalībnieki, to skaits pēc procesa pabeigšanas paliek nemainīgs. Ja katalizatori palielina reakcijas ātrumu, tad inhibitori, gluži pretēji, palēnina šo procesu.
Tā būtība ir starpproduktu savienojumu veidošanās, kā rezultātā tiek novērota procesa ātruma maiņa.
Secinājums
Pasaulē katru minūti notiek dažādas ķīmiskas mijiedarbības. Kā noteikt reakcijas ātruma atkarību no temperatūras? Arrēnija vienādojums ir matemātisks skaidrojums par attiecību starp ātruma konstanti un temperatūru. Tas sniedz priekšstatu par tām aktivācijas enerģijas vērtībām, pie kurām ir iespējama saišu starp atomiem iznīcināšana vai vājināšanās molekulās, daļiņu sadale jaunās ķīmiskās vielās.
Pateicoties molekulāri-kinētiskajai teorijai, ir iespējams paredzēt sākotnējo komponentu mijiedarbības varbūtību, aprēķināt procesa ātrumu. Starp faktoriem, kas ietekmē reakcijas ātrumu, īpaši svarīgas ir temperatūras indeksa izmaiņas, mijiedarbojošo vielu procentuālā koncentrācija, saskares virsmas laukums, katalizatora (inhibitora) klātbūtne, kā arī mijiedarbojošo komponentu raksturs..
