Ens enfrontem constantment a diverses interaccions químiques. La combustió del gas natural, l'oxidació del ferro, l'aciditat de la llet estan lluny de tots els processos que s'estudien amb detall en un curs de química escolar.
Algunes reaccions triguen fraccions de segons, mentre que algunes interaccions triguen dies o setmanes.
Intentem identificar la dependència de la velocitat de reacció de la temperatura, la concentració i altres factors. En el nou estàndard educatiu, s'assigna una quantitat mínima de temps d'estudi per a aquest tema. A les proves de l'examen d'estat unificat, hi ha tasques sobre la dependència de la velocitat de reacció de la temperatura, la concentració i fins i tot s'ofereixen tasques de càlcul. Molts estudiants de secundària tenen certes dificultats per trobar respostes a aquestes preguntes, així que analitzarem aquest tema amb detall.
Rellevància del problema en qüestió
La informació sobre la velocitat de reacció és de gran importància pràctica i científica. Per exemple, en una producció específica de substàncies i productes a partir d'un determinatel valor depèn directament del rendiment de l'equip, el cost de les mercaderies.
Classificació de les reaccions en curs
Hi ha una relació directa entre l'estat d'agregació dels components inicials i els productes formats durant el procés químic: interaccions heterogènies.
En química normalment s'entén un sistema com una substància o una combinació d'aquestes.
Un sistema homogeni és aquell que consta d'una fase (el mateix estat d'agregació). Com a exemple, podem esmentar una barreja de gasos, diversos líquids diferents.
Heterogeni és un sistema en què els reactius es troben en forma de gasos i líquids, sòlids i gasos.
No només hi ha una dependència de la velocitat de reacció de la temperatura, sinó també de la fase en què s'utilitzen els components implicats en la interacció analitzada.
Una composició homogènia es caracteritza pel flux del procés al llarg del volum, que millora notablement la seva qualitat.
Si les substàncies inicials es troben en diferents estats de fase, en aquest cas, la màxima interacció s'observa al límit de fase. Per exemple, quan un metall actiu es dissol en un àcid, la formació d'un producte (sal) només s'observa a la superfície del seu contacte.
Relació matemàtica entre la velocitat del procés i diversos factors
Com és l'equació de la velocitat d'una reacció química en funció de la temperatura? Per a un procés homogeni, la taxa ve determinada per la quantitatuna substància que interacciona o es forma durant una reacció en el volum del sistema per unitat de temps.
Per a un procés heterogeni, la velocitat es determina mitjançant la quantitat d'una substància que reacciona o es produeix en el procés per unitat d'àrea durant un període mínim de temps.
Factors que afecten la velocitat d'una reacció química
La naturalesa de les substàncies que reaccionen és una de les raons de les diferents velocitats dels processos. Per exemple, els metalls alcalins formen àlcalis amb l'aigua a temperatura ambient, i el procés va acompanyat d'una intensa evolució d'hidrogen gasós. Els metalls nobles (or, platí, plata) no són capaços de realitzar aquests processos ni a temperatura ambient ni quan s'escalfen.
La naturalesa dels reactius és un factor que es té en compte a la indústria química per tal d'augmentar la rendibilitat de la producció.
S'ha revelat la relació entre la concentració de reactius i la velocitat d'una reacció química. Com més alt sigui, més partícules xocaran, per tant, el procés continuarà més ràpid.
La llei d'acció de les masses en forma matemàtica descriu una relació directament proporcional entre la concentració de substàncies inicials i la velocitat del procés.
Va ser formulat a mitjans del segle XIX pel químic rus N. N. Beketov. Per a cada procés, es determina una constant de reacció, que no està relacionada amb la temperatura, la concentració o la naturalesa dels reactius.
Aper accelerar una reacció que implica un sòlid, cal triturar-lo fins a obtenir una pols.
En aquest cas, la superfície augmenta, la qual cosa té un efecte positiu en la velocitat del procés. Per al gasoil, s'utilitza un sistema d'injecció especial, pel qual, quan entra en contacte amb l'aire, la velocitat de combustió d'una mescla d'hidrocarburs augmenta significativament.
Calefacció
La dependència de la velocitat d'una reacció química de la temperatura s'explica per la teoria cinètica molecular. Permet calcular el nombre de col·lisions entre les molècules dels reactius en determinades condicions. Armat amb aquesta informació, en condicions normals, tots els processos haurien de continuar a l'instant.
Però si considerem un exemple concret de la dependència de la velocitat de reacció de la temperatura, resulta que per a la interacció cal trencar primer els enllaços químics entre els àtoms per formar-ne noves substàncies. Això requereix una quantitat important d'energia. Quina és la dependència de la velocitat de reacció de la temperatura? L'energia d'activació determina la possibilitat de ruptura de molècules, caracteritza la realitat dels processos. Les seves unitats són kJ/mol.
Si l'energia és insuficient, la col·lisió serà ineficaç, de manera que no s'acompanya de la formació d'una nova molècula.
Representació gràfica
La dependència de la velocitat d'una reacció química de la temperatura es pot representar gràficament. Quan s'escalfa, augmenta el nombre de col·lisions entre partícules, la qual cosa contribueix a l'acceleració de la interacció.
Com és un gràfic de velocitat de reacció en funció de la temperatura? L'energia de les molècules es representa horitzontalment i el nombre de partícules amb una gran reserva d'energia s'indica verticalment. Un gràfic és una corba que es pot utilitzar per jutjar la velocitat d'una interacció concreta.
Com més gran és la diferència d'energia respecte a la mitjana, més lluny està el punt de la corba del màxim, i un percentatge menor de molècules tenen aquesta reserva d'energia.
Aspectes importants
És possible escriure una equació per a la dependència de la constant de velocitat de reacció de la temperatura? El seu augment es reflecteix en l'augment de la velocitat del procés. Aquesta dependència es caracteritza per un valor determinat, anomenat coeficient de temperatura de la velocitat del procés.
Per a qualsevol interacció, s'ha revelat la dependència de la constant de velocitat de reacció de la temperatura. Si augmenta 10 graus, la velocitat del procés augmenta de 2 a 4 vegades.
La dependència de la velocitat de reaccions homogènies de la temperatura es pot representar en forma matemàtica.
Per a la majoria d'interaccions a temperatura ambient, el coeficient està entre 2 i 4. Per exemple, amb un coeficient de temperatura de 2,9, un augment de temperatura de 100 graus accelera el procés gairebé 50.000 vegades.
La dependència de la velocitat de reacció de la temperatura es pot explicar fàcilment per un valor diferent de l'energia d'activació. Té un valor mínim durant els processos iònics, que només estan determinats per la interacció de cations i anions. Nombrosos experiments testifiquen l'aparició instantània d'aquestes reaccions.
Quan l'energia d'activació és alta, només un petit nombre de col·lisions entre partícules conduirà a la implementació de la interacció. Amb una energia d'activació mitjana, els reactius interactuaran a una velocitat mitjana.
Les tasques sobre la dependència de la velocitat de reacció de la concentració i la temperatura només es consideren al nivell d'educació superior, sovint causant greus dificultats als nens.
Mesurar la velocitat d'un procés
Aquells processos que requereixen una energia d'activació important impliquen una ruptura inicial o un debilitament dels enllaços entre àtoms de les substàncies originals. En aquest cas, passen a un determinat estat intermedi, anomenat complex activat. És un estat inestable, decau ràpidament en productes de reacció, el procés s'acompanya de l'alliberament d'energia addicional.
En la seva forma més simple, un complex activat és una configuració d'àtoms amb enllaços antics debilitats.
Inhibidors i catalitzadors
Analitzem la dependència de la velocitat de reacció enzimàtica de la temperatura del mitjà. Aquestes substàncies actuen com a acceleradorsprocés.
Ells mateixos no són participants de la interacció, el seu número després de la finalització del procés es manté sense canvis. Si els catalitzadors augmenten la velocitat de reacció, els inhibidors, per contra, alenteixen aquest procés.
L'essència d'això és la formació de compostos intermedis, com a conseqüència dels quals s'observa un canvi en la velocitat del procés.
Conclusió
Cada minut al món es produeixen diverses interaccions químiques. Com establir la dependència de la velocitat de reacció de la temperatura? L'equació d'Arrhenius és una explicació matemàtica de la relació entre la constant de velocitat i la temperatura. Dóna una idea d'aquells valors d'energia d'activació en què és possible la destrucció o el debilitament dels enllaços entre àtoms de les molècules, la distribució de partícules en nous productes químics.
Gràcies a la teoria molecular-cinètica, és possible predir la probabilitat d'interaccions entre els components inicials, per calcular la velocitat del procés. Entre els factors que afecten la velocitat de reacció, són de particular importància el canvi en l'índex de temperatura, la concentració percentual de substàncies que interactuen, la superfície de contacte, la presència d'un catalitzador (inhibidor), així com la naturalesa dels components que interactuen..
