Kohdimme jatkuvasti erilaisia kemiallisia vuorovaikutuksia. Maakaasun palaminen, raudan ruostuminen, maidon happamoituminen ovat kaukana kaikista prosesseista, joita koulun kemian kurssilla tutkitaan yksityiskohtaisesti.
Jotkin reaktiot kestävät sekunnin murto-osia, kun taas jotkin vuorovaikutukset kestävät päiviä tai viikkoja.
Yritetään tunnistaa reaktionopeuden riippuvuus lämpötilasta, pitoisuudesta ja muista tekijöistä. Uudessa koulutusstandardissa tähän aiheeseen on varattu vähimmäismäärä opiskeluaikaa. Yhtenäisen v altiokokeen testeissä on tehtäviä reaktionopeuden riippuvuudesta lämpötilasta, pitoisuudesta ja jopa laskentatehtäviä tarjotaan. Monilla lukiolaisilla on tiettyjä vaikeuksia löytää vastauksia näihin kysymyksiin, joten analysoimme tätä aihetta yksityiskohtaisesti.
Harkitsevan asian relevanssi
Reaktionopeutta koskevalla tiedolla on suurta käytännön ja tieteellistä merkitystä. Esimerkiksi aineiden ja tuotteiden tietyssä tuotannossa tietystä tietystäarvo riippuu suoraan laitteen suorituskyvystä, tavaran hinnasta.
Jatkuvien reaktioiden luokittelu
Alkukomponenttien ja kemiallisen prosessin aikana muodostuneiden tuotteiden aggregaatiotilan välillä on suora yhteys: heterogeeniset vuorovaikutukset.
Kemiassa järjestelmä ymmärretään yleensä aineeksi tai niiden yhdistelmäksi.
Homogeeninen järjestelmä on sellainen, joka koostuu yhdestä vaiheesta (sama aggregaatiotila). Esimerkkinä voidaan mainita kaasuseos, useita erilaisia nesteitä.
Heterogeeninen on järjestelmä, jossa reagoivat aineet ovat kaasujen ja nesteiden, kiinteiden aineiden ja kaasujen muodossa.
Reaktionopeus ei ole riippuvainen vain lämpötilasta, vaan myös vaiheesta, jossa analysoitavaan vuorovaikutukseen osallistuvia komponentteja käytetään.
Homogeeniselle koostumukselle on ominaista prosessin virtaus koko tilavuuden läpi, mikä parantaa merkittävästi sen laatua.
Jos lähtöaineet ovat eri faasitiloissa, tässä tapauksessa suurin vuorovaikutus havaitaan vaiheen rajalla. Esimerkiksi kun aktiivinen metalli liuotetaan happoon, tuotteen (suolan) muodostuminen havaitaan vain niiden kosketuksen pinnalla.
Prosessin nopeuden ja eri tekijöiden välinen matemaattinen suhde
Miltä kemiallisen reaktion nopeuden ja lämpötilan yhtälö näyttää? Homogeenisessa prosessissa nopeus määräytyy määrän mukaanaine, joka on vuorovaikutuksessa tai muodostuu reaktion aikana järjestelmän tilavuudessa aikayksikköä kohti.
Heterogeeniselle prosessille nopeus määräytyy prosessissa reagoivan tai tuotetun aineen määrän perusteella pinta-alayksikköä kohden vähimmäisajan.
Kemiallisen reaktion nopeuteen vaikuttavat tekijät
Reagoivien aineiden luonne on yksi syy prosessien erilaisiin nopeuksiin. Esimerkiksi alkalimetallit muodostavat emäksiä veden kanssa huoneenlämpötilassa, ja prosessiin liittyy voimakasta kaasumaisen vedyn kehittymistä. Jalometallit (kulta, platina, hopea) eivät pysty tällaisiin prosesseihin huoneenlämmössä tai kuumennettaessa.
Reagenssien luonne on tekijä, joka otetaan huomioon kemianteollisuudessa tuotannon kannattavuuden lisäämiseksi.
Reagenssien pitoisuuden ja kemiallisen reaktion nopeuden välinen suhde on paljastettu. Mitä korkeampi se on, sitä enemmän hiukkasia törmäävät, joten prosessi etenee nopeammin.
Massien vaikutuslaki matemaattisessa muodossa kuvaa suoraan verrannollista suhdetta lähtöaineiden pitoisuuden ja prosessin nopeuden välillä.
Venäläinen kemisti N. N. Beketov sen muotoili 1800-luvun puolivälissä. Jokaiselle prosessille määritetään reaktiovakio, joka ei liity lämpötilaan, pitoisuuteen tai reagoivien aineiden luonteeseen.
Tonopeuttaaksesi kiinteää ainetta sisältävää reaktiota, sinun on jauhettava se jauheeksi.
Tässä tapauksessa pinta-ala kasvaa, mikä vaikuttaa positiivisesti prosessin nopeuteen. Dieselpolttoaineessa käytetään erityistä ruiskutusjärjestelmää, jonka ansiosta hiilivetyseoksen palamisnopeus kasvaa merkittävästi, kun se joutuu kosketuksiin ilman kanssa.
Lämmitys
Kemiallisen reaktion nopeuden riippuvuus lämpötilasta selittyy molekyylikineettisellä teorialla. Sen avulla voit laskea reagenssien molekyylien välisten törmäysten lukumäärän tietyissä olosuhteissa. Tällaisten tietojen kanssa normaaleissa olosuhteissa kaikkien prosessien pitäisi edetä välittömästi.
Mutta jos tarkastelemme erityistä esimerkkiä reaktionopeuden riippuvuudesta lämpötilasta, käy ilmi, että vuorovaikutusta varten on ensin katkaistava kemialliset sidokset atomien välillä, jotta niistä muodostuisi uusia aineita. Tämä vaatii huomattavan määrän energiaa. Mikä on reaktionopeuden riippuvuus lämpötilasta? Aktivointienergia määrittää molekyylien repeämisen mahdollisuuden, se luonnehtii prosessien todellisuutta. Sen yksiköt ovat kJ/mol.
Jos energia on riittämätön, törmäys on tehoton, joten siihen ei liity uuden molekyylin muodostumista.
Graafinen esitys
Kemiallisen reaktion nopeuden riippuvuus lämpötilasta voidaan esittää graafisesti. Kuumennettaessa hiukkasten välisten törmäysten määrä lisääntyy, mikä edistää vuorovaikutuksen kiihtymistä.
Miltä reaktionopeus vs. lämpötila -kaavio näyttää? Molekyylien energia piirretään vaakasuunnassa ja korkean energiavarannon omaavien hiukkasten lukumäärä on esitetty pystysuunnassa. Kaavio on käyrä, jonka avulla voidaan arvioida tietyn vuorovaikutuksen nopeutta.
Mitä suurempi energiaero on keskiarvosta, sitä kauempana käyrän piste on maksimista, ja pienemmällä prosenttiosuudella molekyyleistä on tällainen energiavarasto.
Tärkeitä näkökohtia
Voidaanko kirjoittaa yhtälö reaktionopeusvakion riippuvuudelle lämpötilasta? Sen kasvu näkyy prosessin nopeuden lisääntymisenä. Tällaista riippuvuutta luonnehtii tietty arvo, jota kutsutaan prosessinopeuden lämpötilakertoimeksi.
Kaikille vuorovaikutuksille reaktionopeusvakion riippuvuus lämpötilasta on paljastettu. Jos sitä lisätään 10 astetta, prosessin nopeus kasvaa 2-4 kertaa.
Homogeenisten reaktioiden nopeuden riippuvuus lämpötilasta voidaan esittää matemaattisessa muodossa.
Useimmissa vuorovaikutuksissa huoneenlämpötilassa kerroin on välillä 2-4. Esimerkiksi lämpötilakertoimella 2,9 lämpötilan nousu 100 astetta nopeuttaa prosessia lähes 50 000 kertaa.
Reaktionopeuden riippuvuus lämpötilasta voidaan helposti selittää eri aktivointienergian arvoilla. Sillä on vähimmäisarvo ioniprosessien aikana, jotka määräytyvät vain kationien ja anionien vuorovaikutuksen perusteella. Lukuisat kokeet todistavat tällaisten reaktioiden välittömän ilmaantumisen.
Kun aktivointienergia on korkea, vain pieni määrä hiukkasten välisiä törmäyksiä johtaa vuorovaikutuksen toteutumiseen. Keskimääräisellä aktivointienergialla reagoivat aineet ovat vuorovaikutuksessa keskimääräisellä nopeudella.
Tehtävät, jotka koskevat reaktionopeuden riippuvuutta keskittymisestä ja lämpötilasta, otetaan huomioon vain yläkoulutusasteella, mikä usein aiheuttaa vakavia vaikeuksia lapsille.
Prosessin nopeuden mittaaminen
Näihin prosesseihin, jotka vaativat merkittävää aktivointienergiaa, liittyy alkuvaiheen atomien välisten sidosten katkeaminen tai heikkeneminen alkuperäisissä aineissa. Tässä tapauksessa ne siirtyvät tiettyyn välitilaan, jota kutsutaan aktivoiduksi kompleksiksi. Se on epävakaa tila, hajoaa melko nopeasti reaktiotuotteiksi, prosessiin liittyy lisäenergian vapautumista.
Yksinkertaisimmassa muodossaan aktivoitu kompleksi on atomien kokoonpano, joissa on heikentyneet vanhat sidokset.
Inhibiittorit ja katalyytit
Analysoidaan entsymaattisen reaktionopeuden riippuvuutta väliaineen lämpötilasta. Tällaiset aineet toimivat kiihdyttiminäprosessi.
He eivät itse osallistu vuorovaikutukseen, heidän lukumääränsä prosessin päätyttyä pysyy ennallaan. Jos katalyytit lisäävät reaktionopeutta, estäjät päinvastoin hidastavat tätä prosessia.
Tämän ydin on väliyhdisteiden muodostuminen, jonka seurauksena prosessin nopeudessa havaitaan muutos.
Johtopäätös
Maailmassa tapahtuu joka minuutti erilaisia kemiallisia vuorovaikutuksia. Kuinka määrittää reaktionopeuden riippuvuus lämpötilasta? Arrhenius-yhtälö on matemaattinen selitys nopeusvakion ja lämpötilan väliselle suhteelle. Se antaa käsityksen niistä aktivointienergian arvoista, joilla molekyylien atomien välisten sidosten tuhoutuminen tai heikkeneminen, hiukkasten jakautuminen uusiksi kemikaaleiksi on mahdollista.
Molekyylikineettisen teorian ansiosta on mahdollista ennustaa alkukomponenttien välisten vuorovaikutusten todennäköisyys, laskea prosessin nopeus. Näistä reaktionopeuteen vaikuttavista tekijöistä erityisen tärkeitä ovat lämpötilaindeksin muutos, vuorovaikutuksessa olevien aineiden prosentuaalinen pitoisuus, kosketuspinta-ala, katalyytin (inhibiittorin) läsnäolo sekä vuorovaikutuksessa olevien komponenttien luonne..
