Είμαστε συνεχώς αντιμέτωποι με διάφορες χημικές αλληλεπιδράσεις. Η καύση φυσικού αερίου, η σκουριά του σιδήρου, το ξίνισμα του γάλακτος απέχουν πολύ από όλες τις διαδικασίες που μελετώνται λεπτομερώς σε ένα σχολικό μάθημα χημείας.
Ορισμένες αντιδράσεις χρειάζονται κλάσματα δευτερολέπτων, ενώ ορισμένες αλληλεπιδράσεις χρειάζονται ημέρες ή εβδομάδες.
Ας προσπαθήσουμε να προσδιορίσουμε την εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση και άλλους παράγοντες. Στο νέο εκπαιδευτικό πρότυπο διατίθεται ελάχιστος χρόνος μελέτης για αυτό το θέμα. Στις δοκιμές της εξέτασης ενιαίας κατάστασης, προσφέρονται εργασίες σχετικά με την εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση, ακόμη και εργασίες υπολογισμού. Πολλοί μαθητές γυμνασίου αντιμετωπίζουν ορισμένες δυσκολίες στην εύρεση απαντήσεων σε αυτές τις ερωτήσεις, επομένως θα αναλύσουμε αυτό το θέμα λεπτομερώς.
Σχετικότητα του υπό εξέταση ζητήματος
Οι πληροφορίες σχετικά με τον ρυθμό αντίδρασης έχουν μεγάλη πρακτική και επιστημονική σημασία. Για παράδειγμα, σε μια συγκεκριμένη παραγωγή ουσιών και προϊόντων από ένα δεδομένοη αξία εξαρτάται άμεσα από την απόδοση του εξοπλισμού, το κόστος των αγαθών.
Ταξινόμηση των συνεχιζόμενων αντιδράσεων
Υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της κατάστασης συσσωμάτωσης των αρχικών συστατικών και των προϊόντων που σχηματίζονται κατά τη χημική διεργασία: ετερογενείς αλληλεπιδράσεις.
Ένα σύστημα συνήθως νοείται στη χημεία ως ουσία ή συνδυασμός τους.
Ομογενές σύστημα είναι αυτό που αποτελείται από μία φάση (την ίδια κατάσταση συσσωμάτωσης). Ως παράδειγμα, μπορούμε να αναφέρουμε ένα μείγμα αερίων, πολλά διαφορετικά υγρά.
Ετερογενές είναι ένα σύστημα στο οποίο τα αντιδρώντα έχουν τη μορφή αερίων και υγρών, στερεών και αερίων.
Δεν υπάρχει μόνο εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία, αλλά και από τη φάση στην οποία χρησιμοποιούνται τα συστατικά που εμπλέκονται στην αναλυόμενη αλληλεπίδραση.
Μια ομοιογενής σύνθεση χαρακτηρίζεται από τη ροή της διαδικασίας σε όλο τον όγκο, γεγονός που βελτιώνει σημαντικά την ποιότητά της.
Αν οι αρχικές ουσίες βρίσκονται σε διαφορετικές καταστάσεις φάσης, στην περίπτωση αυτή, η μέγιστη αλληλεπίδραση παρατηρείται στο όριο της φάσης. Για παράδειγμα, όταν ένα ενεργό μέταλλο διαλύεται σε ένα οξύ, ο σχηματισμός ενός προϊόντος (άλατος) παρατηρείται μόνο στην επιφάνεια επαφής τους.
Μαθηματική σχέση μεταξύ ταχύτητας διαδικασίας και διαφόρων παραγόντων
Πώς μοιάζει η εξίσωση για τον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης σε σχέση με τη θερμοκρασία; Για μια ομοιογενή διαδικασία, ο ρυθμός καθορίζεται από την ποσότηταμια ουσία που αλληλεπιδρά ή σχηματίζεται κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης στον όγκο του συστήματος ανά μονάδα χρόνου.
Για μια ετερογενή διεργασία, ο ρυθμός προσδιορίζεται μέσω της ποσότητας μιας ουσίας που αντιδρά ή παράγεται στη διαδικασία ανά μονάδα επιφάνειας για μια ελάχιστη χρονική περίοδο.
Παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης
Η φύση των ουσιών που αντιδρούν είναι ένας από τους λόγους για τους διαφορετικούς ρυθμούς διεργασιών. Για παράδειγμα, τα αλκαλικά μέταλλα σχηματίζουν αλκάλια με νερό σε θερμοκρασία δωματίου και η διαδικασία συνοδεύεται από έντονη έκλυση αερίου υδρογόνου. Τα ευγενή μέταλλα (χρυσός, πλατίνα, ασήμι) δεν είναι ικανά για τέτοιες διεργασίες ούτε σε θερμοκρασία δωματίου ούτε όταν θερμαίνονται.
Η φύση των αντιδρώντων είναι ένας παράγοντας που λαμβάνεται υπόψη στη χημική βιομηχανία προκειμένου να αυξηθεί η κερδοφορία της παραγωγής.
Η σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης των αντιδραστηρίων και της ταχύτητας μιας χημικής αντίδρασης έχει αποκαλυφθεί. Όσο υψηλότερο είναι, τόσο περισσότερα σωματίδια θα συγκρούονται, επομένως, η διαδικασία θα προχωρήσει πιο γρήγορα.
Ο νόμος της δράσης των μαζών σε μαθηματική μορφή περιγράφει μια άμεσα ανάλογη σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης των αρχικών ουσιών και της ταχύτητας της διαδικασίας.
Διατυπώθηκε στα μέσα του δέκατου ένατου αιώνα από τον Ρώσο χημικό N. N. Beketov. Για κάθε διεργασία, προσδιορίζεται μια σταθερά αντίδρασης, η οποία δεν σχετίζεται με τη θερμοκρασία, τη συγκέντρωση ή τη φύση των αντιδρώντων.
Προςγια να επιταχύνετε μια αντίδραση που περιλαμβάνει ένα στερεό, πρέπει να το αλέσετε σε σκόνη.
Σε αυτή την περίπτωση, η επιφάνεια αυξάνεται, γεγονός που έχει θετική επίδραση στην ταχύτητα της διαδικασίας. Για το καύσιμο ντίζελ χρησιμοποιείται ειδικό σύστημα ψεκασμού, λόγω του οποίου, όταν έρχεται σε επαφή με τον αέρα, αυξάνεται σημαντικά ο ρυθμός καύσης ενός μείγματος υδρογονανθράκων.
Θέρμανση
Η εξάρτηση του ρυθμού μιας χημικής αντίδρασης από τη θερμοκρασία εξηγείται από τη μοριακή κινητική θεωρία. Σας επιτρέπει να υπολογίσετε τον αριθμό των συγκρούσεων μεταξύ των μορίων των αντιδραστηρίων υπό ορισμένες συνθήκες. Οπλισμένοι με τέτοιες πληροφορίες, υπό κανονικές συνθήκες, όλες οι διαδικασίες θα πρέπει να προχωρήσουν άμεσα.
Αλλά αν λάβουμε υπόψη ένα συγκεκριμένο παράδειγμα της εξάρτησης του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία, αποδεικνύεται ότι για την αλληλεπίδραση είναι απαραίτητο πρώτα να σπάσουμε τους χημικούς δεσμούς μεταξύ των ατόμων προκειμένου να σχηματιστούν νέες ουσίες από αυτά. Αυτό απαιτεί σημαντική ποσότητα ενέργειας. Ποια είναι η εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία; Η ενέργεια ενεργοποίησης καθορίζει την πιθανότητα ρήξης των μορίων, χαρακτηρίζει την πραγματικότητα των διεργασιών. Οι μονάδες του είναι kJ/mol.
Εάν η ενέργεια είναι ανεπαρκής, η σύγκρουση θα είναι αναποτελεσματική, επομένως δεν συνοδεύεται από το σχηματισμό ενός νέου μορίου.
Γραφική αναπαράσταση
Η εξάρτηση του ρυθμού μιας χημικής αντίδρασης από τη θερμοκρασία μπορεί να αναπαρασταθεί γραφικά. Όταν θερμαίνεται, ο αριθμός των συγκρούσεων μεταξύ των σωματιδίων αυξάνεται, γεγονός που συμβάλλει στην επιτάχυνση της αλληλεπίδρασης.
Πώς μοιάζει ένα γράφημα ταχύτητας αντίδρασης σε σχέση με τη θερμοκρασία; Η ενέργεια των μορίων απεικονίζεται οριζόντια και ο αριθμός των σωματιδίων με υψηλό ενεργειακό απόθεμα υποδεικνύεται κατακόρυφα. Ένα γράφημα είναι μια καμπύλη που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κρίνει την ταχύτητα μιας συγκεκριμένης αλληλεπίδρασης.
Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά ενέργειας από τον μέσο όρο, τόσο πιο μακριά είναι το σημείο της καμπύλης από το μέγιστο, και ένα μικρότερο ποσοστό μορίων έχει τέτοιο ενεργειακό απόθεμα.
Σημαντικές πτυχές
Είναι δυνατόν να γράψουμε μια εξίσωση για την εξάρτηση της σταθεράς του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία; Η αύξησή του αντικατοπτρίζεται στην αύξηση της ταχύτητας της διαδικασίας. Μια τέτοια εξάρτηση χαρακτηρίζεται από μια ορισμένη τιμή, που ονομάζεται συντελεστής θερμοκρασίας του ρυθμού διεργασίας.
Για οποιαδήποτε αλληλεπίδραση, έχει αποκαλυφθεί η εξάρτηση της σταθεράς του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία. Εάν αυξηθεί κατά 10 μοίρες, η ταχύτητα της διαδικασίας αυξάνεται κατά 2-4 φορές.
Η εξάρτηση του ρυθμού ομοιογενών αντιδράσεων από τη θερμοκρασία μπορεί να αναπαρασταθεί με μαθηματική μορφή.
Για τις περισσότερες αλληλεπιδράσεις σε θερμοκρασία δωματίου, ο συντελεστής κυμαίνεται από 2 έως 4. Για παράδειγμα, με συντελεστή θερμοκρασίας 2,9, μια αύξηση θερμοκρασίας κατά 100 βαθμούς επιταχύνει τη διαδικασία κατά σχεδόν 50.000 φορές.
Η εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία μπορεί εύκολα να εξηγηθεί από τη διαφορετική τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης. Έχει μια ελάχιστη τιμή κατά τις ιοντικές διεργασίες, οι οποίες καθορίζονται μόνο από την αλληλεπίδραση κατιόντων και ανιόντων. Πολυάριθμα πειράματα μαρτυρούν τη στιγμιαία εμφάνιση τέτοιων αντιδράσεων.
Όταν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι υψηλή, μόνο ένας μικρός αριθμός συγκρούσεων μεταξύ σωματιδίων θα οδηγήσει στην υλοποίηση της αλληλεπίδρασης. Με μια μέση ενέργεια ενεργοποίησης, τα αντιδρώντα θα αλληλεπιδρούν με μέση ταχύτητα.
Οι εργασίες σχετικά με την εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τη συγκέντρωση και τη θερμοκρασία λαμβάνονται υπόψη μόνο στο ανώτερο επίπεδο εκπαίδευσης, προκαλώντας συχνά σοβαρές δυσκολίες στα παιδιά.
Μέτρηση της ταχύτητας μιας διαδικασίας
Εκείνες οι διεργασίες που απαιτούν σημαντική ενέργεια ενεργοποίησης περιλαμβάνουν μια αρχική διακοπή ή εξασθένηση των δεσμών μεταξύ των ατόμων στις αρχικές ουσίες. Σε αυτή την περίπτωση, περνούν σε μια ορισμένη ενδιάμεση κατάσταση, που ονομάζεται ενεργοποιημένο σύμπλεγμα. Είναι μια ασταθής κατάσταση, μάλλον γρήγορα διασπάται σε προϊόντα αντίδρασης, η διαδικασία συνοδεύεται από την απελευθέρωση πρόσθετης ενέργειας.
Στην απλούστερη μορφή του, ένα ενεργοποιημένο σύμπλοκο είναι μια διαμόρφωση ατόμων με εξασθενημένους παλιούς δεσμούς.
Αναστολείς και καταλύτες
Ας αναλύσουμε την εξάρτηση του ρυθμού ενζυματικής αντίδρασης από τη θερμοκρασία του μέσου. Τέτοιες ουσίες λειτουργούν ως επιταχυντέςδιαδικασία.
Οι ίδιοι δεν συμμετέχουν στην αλληλεπίδραση, ο αριθμός τους μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας παραμένει αμετάβλητος. Εάν οι καταλύτες αυξάνουν τον ρυθμό αντίδρασης, τότε οι αναστολείς, αντίθετα, επιβραδύνουν αυτή τη διαδικασία.
Η ουσία αυτού είναι ο σχηματισμός ενδιάμεσων ενώσεων, με αποτέλεσμα να παρατηρείται αλλαγή στην ταχύτητα της διαδικασίας.
Συμπέρασμα
Διάφορες χημικές αλληλεπιδράσεις συμβαίνουν κάθε λεπτό στον κόσμο. Πώς να καθορίσετε την εξάρτηση του ρυθμού αντίδρασης από τη θερμοκρασία; Η εξίσωση Arrhenius είναι μια μαθηματική εξήγηση της σχέσης μεταξύ της σταθεράς ρυθμού και της θερμοκρασίας. Δίνει μια ιδέα για εκείνες τις τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης στις οποίες είναι δυνατή η καταστροφή ή η αποδυνάμωση των δεσμών μεταξύ των ατόμων σε μόρια, η κατανομή των σωματιδίων σε νέες χημικές ουσίες.
Χάρη στη μοριακή-κινητική θεωρία, είναι δυνατό να προβλεφθεί η πιθανότητα αλληλεπιδράσεων μεταξύ των αρχικών συστατικών, για να υπολογιστεί ο ρυθμός της διαδικασίας. Μεταξύ εκείνων των παραγόντων που επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης, ιδιαίτερης σημασίας είναι η μεταβολή του δείκτη θερμοκρασίας, η ποσοστιαία συγκέντρωση ουσιών που αλληλεπιδρούν, η επιφάνεια επαφής, η παρουσία καταλύτη (αναστολέας), καθώς και η φύση των συστατικών που αλληλεπιδρούν..
