Постоянно се сблъскваме с различни химически взаимодействия. Изгарянето на природен газ, ръждясването на желязото, вкисването на млякото далеч не са всички процеси, които се изучават подробно в училищния курс по химия.
Някои реакции отнемат части от секунди, докато някои взаимодействия отнемат дни или седмици.
Нека се опитаме да установим зависимостта на скоростта на реакцията от температурата, концентрацията и други фактори. В новия образователен стандарт за този въпрос е предвидено минимално време за обучение. В тестовете на единния държавен изпит има задачи за зависимостта на скоростта на реакцията от температурата, концентрацията и дори се предлагат изчислителни задачи. Много гимназисти изпитват известни трудности при намирането на отговори на тези въпроси, така че ще анализираме тази тема подробно.
Уместност на разглеждания проблем
Информацията за скоростта на реакцията е от голямо практическо и научно значение. Например при конкретно производство на вещества и продукти от даденастойността директно зависи от производителността на оборудването, цената на стоките.
Класификация на текущите реакции
Има пряка връзка между състоянието на агрегиране на първоначалните компоненти и продуктите, образувани по време на химичния процес: хетерогенни взаимодействия.
Системата обикновено се разбира в химията като вещество или комбинация от тях.
Хомогенна система е тази, която се състои от една фаза (еднакво агрегатно състояние). Като пример можем да споменем смес от газове, няколко различни течности.
Хетерогенната е система, в която реагентите са под формата на газове и течности, твърди вещества и газове.
Има зависимост не само скоростта на реакцията от температурата, но и от фазата, в която се използват компонентите, участващи в анализираното взаимодействие.
Хомогенната композиция се характеризира с протичане на процеса в целия обем, което значително подобрява качеството му.
Ако изходните вещества са в различни фазови състояния, в този случай максималното взаимодействие се наблюдава на фазовата граница. Например, когато активен метал се разтвори в киселина, образуването на продукт (сол) се наблюдава само на повърхността на техния контакт.
Математическа връзка между скоростта на процеса и различни фактори
Как изглежда уравнението за скоростта на химическа реакция спрямо температурата? За хомогенен процес скоростта се определя от количествотовещество, което взаимодейства или се образува по време на реакция в обема на системата за единица време.
За хетерогенен процес скоростта се определя чрез количеството вещество, което реагира или произведе в процеса на единица площ за минимален период от време.
Фактори, влияещи върху скоростта на химическа реакция
Естеството на реагиращите вещества е една от причините за различните скорости на процесите. Например, алкалните метали образуват алкали с вода при стайна температура и процесът е придружен от интензивно отделяне на газообразен водород. Благородните метали (злато, платина, сребро) не са способни на такива процеси нито при стайна температура, нито при нагряване.
Естеството на реагентите е фактор, който се взема предвид в химическата промишленост, за да се увеличи рентабилността на производството.
Разкрита е връзката между концентрацията на реагентите и скоростта на химическата реакция. Колкото по-високо е, толкова повече частици ще се сблъскат, следователно процесът ще продължи по-бързо.
Законът за действие на масите в математическа форма описва право пропорционална връзка между концентрацията на изходните вещества и скоростта на процеса.
Той е формулиран в средата на деветнадесети век от руския химик Н. Н. Бекетов. За всеки процес се определя реакционна константа, която не е свързана с температурата, концентрацията или естеството на реагентите.
Доза да ускорите реакцията, включваща твърдо вещество, трябва да го смилате на прах.
В този случай площта на повърхността се увеличава, което има положителен ефект върху скоростта на процеса. За дизеловото гориво се използва специална система за впръскване, поради която, когато влезе в контакт с въздух, скоростта на изгаряне на смес от въглеводороди се увеличава значително.
Отопление
Зависимостта на скоростта на химическата реакция от температурата се обяснява с молекулярно-кинетична теория. Тя ви позволява да изчислите броя на сблъсъците между молекулите на реагентите при определени условия. Въоръжени с такава информация, при нормални условия, всички процеси трябва да продължат незабавно.
Но ако разгледаме конкретен пример за зависимостта на скоростта на реакцията от температурата, се оказва, че за взаимодействие е необходимо първо да се прекъснат химичните връзки между атомите, за да се образуват нови вещества от тях. Това изисква значително количество енергия. Каква е зависимостта на скоростта на реакцията от температурата? Енергията на активиране определя възможността за разкъсване на молекулите, тя характеризира реалността на процесите. Неговите единици са kJ/mol.
Ако енергията е недостатъчна, сблъсъкът ще бъде неефективен, така че не е придружен от образуването на нова молекула.
Графично представяне
Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата може да бъде представена графично. При нагряване броят на сблъсъците между частиците се увеличава, което допринася за ускоряването на взаимодействието.
Как изглежда графиката за скорост на реакция спрямо температура? Енергията на молекулите е нанесена хоризонтално, а броят на частиците с висок енергиен резерв е посочен вертикално. Графиката е крива, която може да се използва за преценка на скоростта на конкретно взаимодействие.
Колкото по-голяма е енергийната разлика от средната, толкова по-далеч е точката на кривата от максимума и по-малък процент от молекулите имат такъв енергиен резерв.
Важни аспекти
Може ли да се напише уравнение за зависимостта на константата на скоростта на реакцията от температурата? Увеличаването му се отразява в увеличаването на скоростта на процеса. Такава зависимост се характеризира с определена стойност, наречена температурен коефициент на скоростта на процеса.
За всяко взаимодействие е разкрита зависимостта на константата на скоростта на реакцията от температурата. Ако се увеличи с 10 градуса, скоростта на процеса се увеличава с 2-4 пъти.
Зависимостта на скоростта на хомогенните реакции от температурата може да бъде представена в математическа форма.
За повечето взаимодействия при стайна температура коефициентът е в диапазона от 2 до 4. Например, с температурен коефициент 2,9, повишаването на температурата от 100 градуса ускорява процеса почти 50 000 пъти.
Зависимостта на скоростта на реакцията от температурата може лесно да се обясни с различна стойност на енергията на активиране. Той има минимална стойност по време на йонни процеси, които се определят само от взаимодействието на катиони и аниони. Многобройни експерименти свидетелстват за моменталната поява на подобни реакции.
Когато енергията на активиране е висока, само малък брой сблъсъци между частици ще доведат до осъществяване на взаимодействието. При средна енергия на активиране, реагентите ще взаимодействат със средна скорост.
Заданията на зависимостта на скоростта на реакция от концентрацията и температурата се разглеждат само на висшето ниво на образование, често причинявайки сериозни затруднения на децата.
Измерване на скоростта на процес
Онези процеси, които изискват значителна енергия на активиране, включват първоначално прекъсване или отслабване на връзките между атомите в оригиналните вещества. В този случай те преминават в определено междинно състояние, наречено активиран комплекс. Това е нестабилно състояние, доста бързо се разпада в продукти на реакцията, процесът е придружен от освобождаване на допълнителна енергия.
В най-простата си форма активираният комплекс е конфигурация от атоми с отслабени стари връзки.
Инхибитори и катализатори
Нека анализираме зависимостта на скоростта на ензимната реакция от температурата на средата. Такива вещества действат като ускорителипроцес.
Те самите не са участници във взаимодействието, броят им след приключване на процеса остава непроменен. Ако катализаторите увеличат скоростта на реакцията, тогава инхибиторите, напротив, забавят този процес.
Същността на това е образуването на междинни съединения, в резултат на което се наблюдава промяна в скоростта на процеса.
Заключение
Различни химически взаимодействия се случват всяка минута в света. Как да установим зависимостта на скоростта на реакцията от температурата? Уравнението на Арениус е математическо обяснение на връзката между скоростната константа и температурата. Дава представа за онези стойности на енергията на активиране, при които е възможно разрушаването или отслабването на връзките между атомите в молекулите, разпределението на частиците в нови химикали.
Благодарение на молекулярно-кинетичната теория е възможно да се предвиди вероятността от взаимодействия между първоначалните компоненти, да се изчисли скоростта на процеса. Сред тези фактори, които влияят върху скоростта на реакцията, от особено значение е промяната в температурния индекс, процентната концентрация на взаимодействащите вещества, площта на контактната повърхност, наличието на катализатор (инхибитор), както и естеството на взаимодействащите компоненти.
