Vi bliver konstant konfronteret med forskellige kemiske interaktioner. Forbrændingen af naturgas, rusten af jern, syrningen af mælk er langt fra alle de processer, der studeres i detaljer på et skolekemikursus.
Nogle reaktioner tager brøkdele af sekunder, mens nogle interaktioner tager dage eller uger.
Lad os prøve at identificere reaktionshastighedens afhængighed af temperatur, koncentration og andre faktorer. I den nye uddannelsesnorm er der afsat et minimum af studietid til denne problemstilling. I testene af unified state-eksamen tilbydes der opgaver om reaktionshastighedens afhængighed af temperatur, koncentration og endda beregningsopgaver. Mange gymnasieelever oplever visse vanskeligheder med at finde svar på disse spørgsmål, så vi vil analysere dette emne i detaljer.
Relevansen af det emne, der overvejes
Information om reaktionshastigheden er af stor praktisk og videnskabelig betydning. For eksempel i en specifik produktion af stoffer og produkter fra en givenværdien afhænger direkte af udstyrets ydeevne, vareomkostningerne.
Klassificering af igangværende reaktioner
Der er en direkte sammenhæng mellem aggregeringstilstanden af de oprindelige komponenter og produkter dannet under den kemiske proces: heterogene interaktioner.
Et system forstås norm alt i kemi som et stof eller en kombination af dem.
Et homogent system er et, der består af én fase (samme aggregeringstilstand). Som et eksempel kan vi nævne en blanding af gasser, flere forskellige væsker.
Heterogen er et system, hvor reaktanter er i form af gasser og væsker, faste stoffer og gasser.
Der er ikke kun en afhængighed af reaktionshastigheden af temperaturen, men også af den fase, hvori komponenterne involveret i den analyserede vekselvirkning anvendes.
En homogen sammensætning er karakteriseret ved processens flow gennem hele volumen, hvilket forbedrer kvaliteten væsentligt.
Hvis de initiale stoffer er i forskellige fasetilstande, i dette tilfælde, observeres den maksimale interaktion ved fasegrænsen. For eksempel, når et aktivt metal er opløst i en syre, observeres dannelsen af et produkt (s alt) kun på overfladen af deres kontakt.
Matematisk sammenhæng mellem proceshastighed og forskellige faktorer
Hvordan ser ligningen for hastigheden af en kemisk reaktion i forhold til temperatur ud? For en homogen proces bestemmes hastigheden af mængdenet stof, der interagerer eller dannes under en reaktion i systemets volumen pr. tidsenhed.
For en heterogen proces bestemmes hastigheden ud fra mængden af et stof, der reagerer eller produceres i processen pr. arealenhed i en minimumsperiode.
Faktorer, der påvirker hastigheden af en kemisk reaktion
Karten af de reagerende stoffer er en af årsagerne til de forskellige hastigheder af processer. For eksempel danner alkalimetaller alkalier med vand ved stuetemperatur, og processen er ledsaget af intens udvikling af gasformigt brint. Ædelmetaller (guld, platin, sølv) er ikke i stand til sådanne processer, hverken ved stuetemperatur eller ved opvarmning.
Reaktanternes art er en faktor, der tages i betragtning i den kemiske industri for at øge rentabiliteten af produktionen.
Forholdet mellem koncentrationen af reagenser og hastigheden af en kemisk reaktion er blevet afsløret. Jo højere den er, jo flere partikler vil kollidere, derfor vil processen forløbe hurtigere.
Loven om massers virkning i matematisk form beskriver et direkte proportion alt forhold mellem koncentrationen af udgangsstoffer og processens hastighed.
Det blev formuleret i midten af det nittende århundrede af den russiske kemiker N. N. Beketov. For hver proces bestemmes en reaktionskonstant, som ikke er relateret til temperatur, koncentration eller arten af reaktanterne.
Tilfor at fremskynde en reaktion, der involverer et fast stof, skal du male det til et pulver.
I dette tilfælde øges overfladearealet, hvilket har en positiv effekt på processens hastighed. Til dieselbrændstof anvendes et særligt indsprøjtningssystem, som gør, at forbrændingshastigheden af en blanding af kulbrinter stiger betydeligt, når det kommer i kontakt med luft.
Opvarmning
Hængden af en kemisk reaktions hastighed af temperaturen forklares af molekylær kinetisk teori. Det giver dig mulighed for at beregne antallet af kollisioner mellem reagensernes molekyler under visse forhold. Bevæbnet med sådanne oplysninger, under normale forhold, bør alle processer fortsætte øjeblikkeligt.
Men hvis vi betragter et specifikt eksempel på reaktionshastighedens afhængighed af temperaturen, viser det sig, at det for interaktion er nødvendigt først at bryde de kemiske bindinger mellem atomer for at danne nye stoffer fra dem. Dette kræver en betydelig mængde energi. Hvad er reaktionshastighedens afhængighed af temperaturen? Aktiveringsenergien bestemmer muligheden for brud på molekyler, den karakteriserer processernes virkelighed. Dens enheder er kJ/mol.
Hvis energien er utilstrækkelig, vil kollisionen være ineffektiv, så den er ikke ledsaget af dannelsen af et nyt molekyle.
Grafisk repræsentation
Afhængigheden af en kemisk reaktions hastighed af temperaturen kan repræsenteres grafisk. Ved opvarmning øges antallet af kollisioner mellem partikler, hvilket bidrager til accelerationen af interaktionen.
Hvordan ser en graf for reaktionshastighed i forhold til temperatur ud? Molekylernes energi er afbildet vandret, og antallet af partikler med en høj energireserve er angivet lodret. En graf er en kurve, der kan bruges til at bedømme hastigheden af en bestemt interaktion.
Jo større energiforskellen er fra gennemsnittet, jo længere er punktet på kurven fra maksimum, og en mindre procentdel af molekyler har en sådan energireserve.
Vigtige aspekter
Er det muligt at skrive en ligning for reaktionshastighedskonstantens afhængighed af temperaturen? Dens stigning afspejles i stigningen i processens hastighed. En sådan afhængighed er karakteriseret ved en vis værdi, kaldet temperaturkoefficienten for proceshastigheden.
For enhver interaktion er afhængigheden af reaktionshastighedskonstanten af temperaturen blevet afsløret. Hvis den øges med 10 grader, øges proceshastigheden med 2-4 gange.
Afhængighed af hastigheden af homogene reaktioner på temperaturen kan repræsenteres i matematisk form.
For de fleste interaktioner ved stuetemperatur er koefficienten i området fra 2 til 4. For eksempel, med en temperaturkoefficient på 2,9, fremskynder en temperaturstigning på 100 grader processen med næsten 50.000 gange.
Afhængighed af reaktionshastighed på temperatur kan let forklares med forskellige værdier af aktiveringsenergi. Det har en minimumsværdi under ioniske processer, som kun bestemmes af interaktionen mellem kationer og anioner. Talrige eksperimenter vidner om den øjeblikkelige forekomst af sådanne reaktioner.
Når aktiveringsenergien er høj, vil kun et lille antal kollisioner mellem partikler føre til implementeringen af interaktionen. Med en gennemsnitlig aktiveringsenergi vil reaktanterne interagere med en gennemsnitlig hastighed.
Tildelinger vedrørende reaktionshastighedens afhængighed af koncentration og temperatur overvejes kun på det overordnede uddannelsesniveau, hvilket ofte forårsager alvorlige vanskeligheder for børn.
Måling af en process hastighed
De processer, der kræver en betydelig aktiveringsenergi, involverer et indledende brud eller svækkelse af bindinger mellem atomer i de oprindelige stoffer. I dette tilfælde går de over i en bestemt mellemtilstand, kaldet det aktiverede kompleks. Det er en ustabil tilstand, ret hurtigt henfalder til reaktionsprodukter, processen ledsages af frigivelse af yderligere energi.
I sin enkleste form er et aktiveret kompleks en konfiguration af atomer med svækkede gamle bindinger.
Inhibitorer og katalysatorer
Lad os analysere afhængigheden af den enzymatiske reaktionshastighed af mediumtemperaturen. Sådanne stoffer fungerer som acceleratorerproces.
De er ikke selv deltagere i interaktionen, deres antal efter afslutningen af processen forbliver uændret. Hvis katalysatorer øger reaktionshastigheden, bremser inhibitorer tværtimod denne proces.
Essensen af dette er dannelsen af mellemliggende forbindelser, som et resultat af hvilke en ændring i processens hastighed observeres.
Konklusion
Forskellige kemiske interaktioner forekommer hvert minut i verden. Hvordan fastslår man reaktionshastighedens afhængighed af temperaturen? Arrhenius-ligningen er en matematisk forklaring på forholdet mellem hastighedskonstanten og temperaturen. Det giver en idé om de værdier af aktiveringsenergi, hvor ødelæggelse eller svækkelse af bindinger mellem atomer i molekyler, fordeling af partikler til nye kemikalier er mulig.
Takket være den molekylær-kinetiske teori er det muligt at forudsige sandsynligheden for interaktioner mellem de indledende komponenter for at beregne hastigheden af processen. Blandt de faktorer, der påvirker reaktionshastigheden, af særlig betydning er ændringen i temperaturindekset, den procentvise koncentration af interagerende stoffer, kontaktoverfladearealet, tilstedeværelsen af en katalysator (inhibitor) samt arten af de interagerende komponenter.
