Siamo costantemente confrontati con varie interazioni chimiche. La combustione del gas naturale, l'arrugginimento del ferro, l'inacidimento del latte sono lontani da tutti i processi che vengono studiati in dettaglio in un corso di chimica scolastica.
Alcune reazioni richiedono frazioni di secondi, mentre alcune interazioni richiedono giorni o settimane.
Cerchiamo di identificare la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura, dalla concentrazione e da altri fattori. Nel nuovo standard educativo, per questo problema viene assegnata una quantità minima di tempo di studio. Nei test dell'esame di stato unificato, vengono offerti compiti sulla dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura, concentrazione e persino compiti di calcolo. Molti studenti delle scuole superiori incontrano alcune difficoltà nel trovare risposte a queste domande, quindi analizzeremo questo argomento in dettaglio.
Pertinenza del problema in esame
Le informazioni sulla velocità di reazione sono di grande importanza pratica e scientifica. Ad esempio, in una specifica produzione di sostanze e prodotti da un datoil valore dipende direttamente dalle prestazioni dell'attrezzatura, dal costo delle merci.
Classificazione delle reazioni in corso
Esiste una relazione diretta tra lo stato di aggregazione dei componenti iniziali e dei prodotti formatisi durante il processo chimico: interazioni eterogenee.
Un sistema è generalmente inteso in chimica come una sostanza o una loro combinazione.
Un sistema omogeneo è un sistema costituito da una fase (lo stesso stato di aggregazione). A titolo di esempio, possiamo citare una miscela di gas, diversi liquidi diversi.
Eterogeneo è un sistema in cui i reagenti sono sotto forma di gas e liquidi, solidi e gas.
Non esiste una dipendenza della velocità di reazione solo dalla temperatura, ma anche dalla fase in cui vengono utilizzati i componenti coinvolti nell'interazione analizzata.
Una composizione omogenea è caratterizzata dal flusso del processo in tutto il volume, che ne migliora notevolmente la qualità.
Se le sostanze iniziali si trovano in stati di fase differenti, in questo caso si osserva la massima interazione al confine di fase. Ad esempio, quando un metallo attivo viene disciolto in un acido, la formazione di un prodotto (sale) si osserva solo sulla superficie del loro contatto.
Relazione matematica tra velocità del processo e vari fattori
Come appare l'equazione per la velocità di una reazione chimica rispetto alla temperatura? Per un processo omogeneo, il tasso è determinato dall'importouna sostanza che interagisce o si forma durante una reazione nel volume del sistema per unità di tempo.
Per un processo eterogeneo, il tasso è determinato dalla quantità di una sostanza che reagisce o prodotta nel processo per unità di area per un periodo di tempo minimo.
Fattori che influenzano la velocità di una reazione chimica
La natura delle sostanze reagenti è una delle ragioni delle diverse velocità dei processi. Ad esempio, i metalli alcalini formano alcali con l'acqua a temperatura ambiente e il processo è accompagnato da un'intensa evoluzione di idrogeno gassoso. I metalli nobili (oro, platino, argento) non sono in grado di eseguire tali processi né a temperatura ambiente né se riscaldati.
La natura dei reagenti è un fattore che viene preso in considerazione nell'industria chimica per aumentare la redditività della produzione.
È stata rivelata la relazione tra la concentrazione dei reagenti e la velocità di una reazione chimica. Più è alto, più particelle si scontreranno, quindi il processo procederà più velocemente.
La legge di azione delle masse in forma matematica descrive una relazione direttamente proporzionale tra la concentrazione delle sostanze di partenza e la velocità del processo.
Fu formulato a metà del diciannovesimo secolo dal chimico russo N. N. Beketov. Per ogni processo viene determinata una costante di reazione, che non è correlata alla temperatura, alla concentrazione o alla natura dei reagenti.
Aper accelerare una reazione che coinvolge un solido, è necessario ridurlo in polvere.
In questo caso, la superficie aumenta, il che ha un effetto positivo sulla velocità del processo. Per il carburante diesel viene utilizzato uno speciale sistema di iniezione, grazie al quale, a contatto con l'aria, la velocità di combustione di una miscela di idrocarburi aumenta notevolmente.
Riscaldamento
La dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla temperatura è spiegata dalla teoria cinetica molecolare. Consente di calcolare il numero di collisioni tra le molecole dei reagenti in determinate condizioni. Armati di tali informazioni, in condizioni normali, tutti i processi dovrebbero procedere all'istante.
Ma se consideriamo un esempio specifico della dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura, risulta che per l'interazione è necessario prima rompere i legami chimici tra gli atomi per formare da essi nuove sostanze. Ciò richiede una notevole quantità di energia. Qual è la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura? L'energia di attivazione determina la possibilità di rottura delle molecole, caratterizza la re altà dei processi. Le sue unità sono kJ/mol.
Se l'energia è insufficiente, la collisione sarà inefficace, quindi non sarà accompagnata dalla formazione di una nuova molecola.
Rappresentazione grafica
La dipendenza della velocità di una reazione chimica dalla temperatura può essere rappresentata graficamente. Quando riscaldato, il numero di collisioni tra le particelle aumenta, il che contribuisce all'accelerazione dell'interazione.
Che aspetto ha un grafico della velocità di reazione rispetto alla temperatura? L'energia delle molecole viene tracciata orizzontalmente e il numero di particelle con un'elevata riserva di energia viene indicato verticalmente. Un grafico è una curva che può essere utilizzata per giudicare la velocità di una particolare interazione.
Maggiore è la differenza di energia dalla media, più il punto della curva è lontano dal massimo e una percentuale minore di molecole ha una tale riserva di energia.
Aspetti importanti
È possibile scrivere un'equazione per la dipendenza della costante di velocità di reazione dalla temperatura? Il suo aumento si riflette nell'aumento della velocità del processo. Tale dipendenza è caratterizzata da un certo valore, chiamato coefficiente di temperatura della velocità di processo.
Per qualsiasi interazione, è stata rivelata la dipendenza della velocità di reazione costante dalla temperatura. Se viene aumentata di 10 gradi, la velocità di processo aumenta di 2-4 volte.
La dipendenza della velocità delle reazioni omogenee dalla temperatura può essere rappresentata in forma matematica.
Per la maggior parte delle interazioni a temperatura ambiente, il coefficiente è compreso tra 2 e 4. Ad esempio, con un coefficiente di temperatura di 2,9, un aumento della temperatura di 100 gradi accelera il processo di quasi 50.000 volte.
La dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura può essere facilmente spiegata dal diverso valore dell'energia di attivazione. Ha un valore minimo durante i processi ionici, che sono determinati solo dall'interazione di cationi e anioni. Numerosi esperimenti testimoniano il verificarsi istantaneo di tali reazioni.
Quando l'energia di attivazione è alta, solo un piccolo numero di collisioni tra le particelle porterà all'implementazione dell'interazione. Con un'energia di attivazione media, i reagenti interagiranno a una velocità media.
Gli incarichi sulla dipendenza della velocità di reazione dalla concentrazione e dalla temperatura sono presi in considerazione solo a livello di istruzione superiore, causando spesso gravi difficoltà ai bambini.
Misurare la velocità di un processo
Quei processi che richiedono una significativa energia di attivazione comportano una rottura iniziale o un indebolimento dei legami tra gli atomi nelle sostanze originarie. In questo caso, passano in un certo stato intermedio, chiamato complesso attivato. È uno stato instabile, decade piuttosto rapidamente in prodotti di reazione, il processo è accompagnato dal rilascio di energia aggiuntiva.
Nella sua forma più semplice, un complesso attivato è una configurazione di atomi con vecchi legami indeboliti.
Inibitori e catalizzatori
Analizziamo la dipendenza della velocità di reazione enzimatica dalla temperatura del mezzo. Tali sostanze agiscono come acceleratoriprocesso.
Loro stessi non partecipano all'interazione, il loro numero dopo il completamento del processo rimane invariato. Se i catalizzatori aumentano la velocità di reazione, gli inibitori, al contrario, rallentano questo processo.
L'essenza di questo è la formazione di composti intermedi, a seguito dei quali si osserva un cambiamento nella velocità del processo.
Conclusione
Varie interazioni chimiche si verificano ogni minuto nel mondo. Come stabilire la dipendenza della velocità di reazione dalla temperatura? L'equazione di Arrhenius è una spiegazione matematica della relazione tra la costante di velocità e la temperatura. Dà un'idea di quei valori di energia di attivazione a cui è possibile la distruzione o l'indebolimento dei legami tra atomi nelle molecole, la distribuzione di particelle in nuove sostanze chimiche.
Grazie alla teoria cinetica molecolare, è possibile prevedere la probabilità di interazione tra le componenti iniziali, per calcolare la velocità del processo. Tra quei fattori che influenzano la velocità di reazione, di particolare importanza è la variazione dell'indice di temperatura, la concentrazione percentuale di sostanze interagenti, la superficie di contatto, la presenza di un catalizzatore (inibitore), nonché la natura dei componenti interagenti.
