Me puutume pidev alt kokku erinevate keemiliste vastasmõjudega. Maagaasi põlemine, raua roostetamine, piima hapnemine pole kaugeltki kõik protsessid, mida kooli keemiakursusel üksikasjalikult uuritakse.
Mõned reaktsioonid võtavad aega sekundite murdosa, mõnel aga päevi või nädalaid.
Proovime kindlaks teha reaktsioonikiiruse sõltuvuse temperatuurist, kontsentratsioonist ja muudest teguritest. Uues haridusstandardis on selle teema jaoks ette nähtud minimaalne õppeaeg. Ühtse riigieksami testides on ülesanded reaktsioonikiiruse sõltuvuse kohta temperatuurist, kontsentratsioonist, pakutakse isegi arvutusülesandeid. Paljudel keskkooliõpilastel on neile küsimustele vastuste leidmisel teatud raskusi, seetõttu analüüsime seda teemat üksikasjalikult.
Vaatatava probleemi asjakohasus
Teave reaktsioonikiiruse kohta on väga praktilise ja teadusliku tähtsusega. Näiteks konkreetsest konkreetsest ainete ja toodete tootmiselväärtus sõltub otseselt seadmete jõudlusest, kauba maksumusest.
Käimasolevate reaktsioonide klassifikatsioon
Keemilise protsessi käigus tekkinud algkomponentide agregatsiooni oleku ja saaduste vahel on otsene seos: heterogeensed vastasmõjud.
Süsteemi mõistetakse keemias tavaliselt aine või nende kombinatsioonina.
Homogeenne süsteem on süsteem, mis koosneb ühest faasist (sama agregatsiooni olek). Näitena võib tuua gaaside segu, mitme erineva vedeliku.
Heterogeenne on süsteem, milles reagendid on gaaside ja vedelike, tahkete ainete ja gaaside kujul.
Reaktsiooni kiirus ei sõltu ainult temperatuurist, vaid ka faasist, milles analüüsitavas interaktsioonis osalevaid komponente kasutatakse.
Homogeenset koostist iseloomustab protsessi kulgemine kogu mahu ulatuses, mis parandab oluliselt selle kvaliteeti.
Kui lähteained on erinevates faasiolekutes, täheldatakse sel juhul maksimaalset vastasmõju faasipiiril. Näiteks aktiivse metalli lahustamisel happes täheldatakse toote (soola) moodustumist ainult nende kokkupuutepinnal.
Protsessi kiiruse ja erinevate tegurite vaheline matemaatiline seos
Kuidas näeb välja keemilise reaktsiooni kiiruse ja temperatuuri võrrand? Homogeense protsessi korral määratakse määr koguse järgiaine, mis interakteerub või tekib reaktsiooni käigus süsteemi mahus ajaühikus.
Heterogeense protsessi puhul määratakse kiirus protsessis reageeriva või toodetud aine koguse põhjal pinnaühiku kohta minimaalse aja jooksul.
Keemilise reaktsiooni kiirust mõjutavad tegurid
Reageerivate ainete iseloom on protsesside erineva kiiruse üks põhjusi. Näiteks moodustavad leelismetallid veega toatemperatuuril leeliseid ja protsessiga kaasneb gaasilise vesiniku intensiivne eraldumine. Väärismetallid (kuld, plaatina, hõbe) ei ole sellisteks protsessideks võimelised ei toatemperatuuril ega kuumutamisel.
Reagentide olemus on tegur, mida keemiatööstuses tootmise tasuvuse tõstmisel arvesse võetakse.
Reaktiivide kontsentratsiooni ja keemilise reaktsiooni kiiruse vaheline seos on selgunud. Mida kõrgem see on, seda rohkem osakesi põrkub, mistõttu protsess kulgeb kiiremini.
Masside toimeseadus matemaatilisel kujul kirjeldab otseselt proportsionaalset seost lähteainete kontsentratsiooni ja protsessi kiiruse vahel.
Selle sõnastas 19. sajandi keskel vene keemik N. N. Beketov. Iga protsessi jaoks määratakse reaktsioonikonstant, mis ei ole seotud temperatuuri, kontsentratsiooni ega reagentide olemusega.
Kunitahke ainega seotud reaktsiooni kiirendamiseks peate selle pulbriks jahvatama.
Sellisel juhul pindala suureneb, millel on positiivne mõju protsessi kiirusele. Diislikütuse puhul kasutatakse spetsiaalset sissepritsesüsteemi, mille tõttu õhuga kokkupuutel süsivesinike segu põlemiskiirus suureneb oluliselt.
Küte
Keemilise reaktsiooni kiiruse sõltuvust temperatuurist selgitab molekulaarkineetiline teooria. See võimaldab teil teatud tingimustel arvutada reaktiivide molekulide kokkupõrgete arvu. Sellise teabega varustatuna peaksid tavatingimustes kõik protsessid viivitamatult jätkuma.
Aga kui vaadelda konkreetset näidet reaktsioonikiiruse sõltuvusest temperatuurist, siis selgub, et interaktsiooniks on vaja esm alt lõhkuda aatomitevahelised keemilised sidemed, et moodustada neist uusi aineid. See nõuab märkimisväärsel hulgal energiat. Milline on reaktsioonikiiruse sõltuvus temperatuurist? Aktiveerimisenergia määrab molekulide purunemise võimaluse, iseloomustab protsesside reaalsust. Selle ühikud on kJ/mol.
Kui energiast ei piisa, on kokkupõrge ebaefektiivne, mistõttu sellega ei kaasne uue molekuli teket.
Graafiline esitus
Keemilise reaktsiooni kiiruse sõltuvust temperatuurist saab esitada graafiliselt. Kuumutamisel suureneb osakeste kokkupõrgete arv, mis aitab kaasa interaktsiooni kiirenemisele.
Milline näeb välja reaktsioonikiiruse ja temperatuuri graafik? Molekulide energia joonistatakse horisontaalselt ja kõrge energiavaruga osakeste arv on näidatud vertikaalselt. Graafik on kõver, mida saab kasutada konkreetse interaktsiooni kiiruse hindamiseks.
Mida suurem on energia erinevus keskmisest, seda kaugemal on kõvera punkt maksimumist ja väiksemal protsendil molekulidest on selline energiavaru.
Olulised aspektid
Kas reaktsioonikiiruse konstandi temperatuurist sõltuvuse võrrandit on võimalik kirjutada? Selle suurenemine väljendub protsessi kiiruse suurenemises. Sellist sõltuvust iseloomustab teatud väärtus, mida nimetatakse protsessi kiiruse temperatuurikoefitsiendiks.
Iga interaktsiooni puhul on ilmnenud reaktsioonikiiruse konstandi sõltuvus temperatuurist. Kui seda suurendada 10 kraadi võrra, suureneb protsessi kiirus 2-4 korda.
Homogeensete reaktsioonide kiiruse sõltuvust temperatuurist saab esitada matemaatilisel kujul.
Enamiku toatemperatuuril toimuvate interaktsioonide puhul on koefitsient vahemikus 2 kuni 4. Näiteks temperatuurikoefitsiendiga 2,9 kiirendab temperatuuri tõus 100 kraadi võrra protsessi peaaegu 50 000 korda.
Reaktsioonikiiruse sõltuvust temperatuurist saab kergesti seletada aktiveerimisenergia erineva väärtusega. Sellel on minimaalne väärtus ioonprotsesside ajal, mille määrab ainult katioonide ja anioonide koostoime. Arvukad katsed annavad tunnistust selliste reaktsioonide hetkelisest ilmnemisest.
Kui aktiveerimisenergia on kõrge, viib interaktsiooni realiseerumiseni vaid väike arv osakeste kokkupõrkeid. Keskmise aktiveerimisenergia korral interakteeruvad reagendid keskmise kiirusega.
Reaktsioonikiiruse sõltuvust kontsentratsioonist ja temperatuurist käsitlevaid ülesandeid käsitletakse ainult vanemas haridusastmes, mis põhjustab sageli lastele tõsiseid raskusi.
Protsessi kiiruse mõõtmine
Need protsessid, mis nõuavad märkimisväärset aktiveerimisenergiat, hõlmavad algsete ainete aatomite vaheliste sidemete esialgset katkemist või nõrgenemist. Sel juhul lähevad nad teatud vaheolekusse, mida nimetatakse aktiveeritud kompleksiks. See on ebastabiilne olek, laguneb üsna kiiresti reaktsiooniproduktideks, protsessiga kaasneb lisaenergia vabanemine.
Oma lihtsaimal kujul on aktiveeritud kompleks nõrgestatud vanade sidemetega aatomite konfiguratsioon.
Inhibiitorid ja katalüsaatorid
Analüüsime ensümaatilise reaktsiooni kiiruse sõltuvust keskkonna temperatuurist. Sellised ained toimivad kiirendajatenaprotsess.
Nad ise ei ole suhtluses osalejad, nende arv pärast protsessi lõppu jääb muutumatuks. Kui katalüsaatorid suurendavad reaktsiooni kiirust, siis inhibiitorid, vastupidi, aeglustavad seda protsessi.
Selle olemus on vaheühendite teke, mille tulemusena täheldatakse protsessi kiiruse muutumist.
Järeldus
Maailmas toimub iga minut erinevaid keemilisi koostoimeid. Kuidas teha kindlaks reaktsioonikiiruse sõltuvus temperatuurist? Arrheniuse võrrand on kiiruskonstandi ja temperatuuri vahelise seose matemaatiline seletus. See annab aimu nendest aktiveerimisenergia väärtustest, mille juures on võimalik molekulides aatomite vaheliste sidemete hävimine või nõrgenemine, osakeste jaotumine uuteks kemikaalideks.
Tänu molekulaar-kineetilisele teooriale on võimalik ennustada algkomponentide interaktsioonide tõenäosust, arvutada protsessi kiirust. Reaktsioonikiirust mõjutavate tegurite hulgas on eriti oluline temperatuuriindeksi muutus, interakteeruvate ainete protsentuaalne kontsentratsioon, kontaktpind, katalüsaatori (inhibiitori) olemasolu, aga ka interakteeruvate komponentide olemus..
