Συγκέντρωση και θερμοκρασία

ΕΙΣΑΓΩΓΗ: 

ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΟ ΡΥΘΜΟ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ:

Η μελέτη των χημικών διεργασιών είναι ατελής, εκτός εάν ληφθούν υπόψη οι ταχύτητες με τις οποίες συμβαίνουν αυτές οι αντιδράσεις. Γνωρίζουμε ότι ορισμένες αντιδράσεις, όπως αυτές που περιλαμβάνουν ιόντα σε διάλυμα, συμβαίνουν πολύ γρήγορα, ενώ άλλες συμβαίνουν τόσο αργά που ο ρυθμός είναι μη ανιχνεύσιμος. Η πρακτική σημασία αυτών των ζητημάτων ποσοστών δεν μπορεί να υπερεκτιμηθεί. Για παράδειγμα, ένα μέταλλο που εκτίθεται στα στοιχεία μπορεί να διαβρωθεί ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεων με το οξυγόνο και το νερό. Η θερμοκρασία, η συγκέντρωση και η κατάλυση είναι τρία από τα πιο κρίσιμα στοιχεία που καθορίζουν τον ρυθμό μιας αντίδρασης. Επιπλέον, η ποιότητα της επιφάνειας των στερεών είναι πολύ σημαντική.

Για να εξηγηθούν τα ποσοστά αντίδρασης, χρησιμοποιούνται δύο κύριες ιδέες. Η Θεωρία του Ενεργοποιημένου Συμπλέγματος (Μεταβατική Κατάσταση) και η Θεωρία Σύγκρουσης είναι δύο από αυτές. Ωστόσο, θα μάθετε επίσης για τη Θεωρία του Ενεργοποιημένου Συγκροτήματος (Κατάσταση Μετάβασης) σε όλο το τμήμα διάλεξης του μαθήματος.

ΘΕΩΡΙΑ ΣΥΓΚΡΟΥΣΗΣ

Εξετάστε την απλή αντίδραση:A + B     ————->   Προϊόντα

Επειδή τα Α και Β είναι άτομα, ιόντα ή μόρια, πρέπει να «συγκρουστούν» για να αντιδράσουν το ένα με το άλλο. Επειδή τα μόρια βρίσκονται σε συνεχή και γρήγορη κίνηση, τα μόρια του Α και του Β θα συγκρούονται σε τακτά χρονικά διαστήματα.

Ωστόσο, κάθε σύγκρουση Α-Β δεν έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή προϊόντων. Προτού λάβει χώρα μια αντίδραση, τα αντιδρώντα πρέπει να συγκρουστούν με ένα συγκεκριμένο επίπεδο ενέργειας, το οποίο αναφέρεται ως «ενέργεια ενεργοποίησης» ή «ενέργεια ενεργοποίησης». Αυτή η ενέργεια προέρχεται από την κινητική ενέργεια των Α και Β, επομένως μόνο οι συγκρούσεις με επαρκή δύναμη θα είναι επιτυχείς στην πυροδότηση μιας αντίδρασης. Ο αριθμός των συγκρούσεων μεταξύ Α και Β ανά φορά διπλασιάζεται όταν διπλασιάζεται η συγκέντρωση είτε του Α είτε του Β. Όταν η θερμοκρασία ανεβαίνει, η κινητική ενέργεια τόσο του Α όσο και του Β αυξάνεται, με αποτέλεσμα περισσότερες συγκρούσεις κάθε δευτερόλεπτο, με μεγαλύτερο ποσοστό αυτών να οδηγεί σε χημική αντίδραση. Ως αποτέλεσμα, ο ρυθμός συνήθως αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.

Η εξίσωση Arrhenius μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της ενέργειας ενεργοποίησης:k =Ae-Ea/RT

Η εξίσωση Arrhenius ξαναγράφεται ως ln k =− Ea/RT + ln A.

Όπου, k είναι η σταθερά ρυθμού

A είναι ο παράγοντας συχνότητας.

Το Ea σημαίνει ενέργεια ενεργοποίησης.

R =σταθερά αερίου, εκφρασμένη ως 8,3145 J/mol K

T =απόλυτη θερμοκρασία, K =Kelvin

Όταν η κλίση ln k σχεδιάζεται σε σχέση με την κλίση 1/T, η κλίση =-Ea/R και η τομή της κλίσης είναι  ln A.

ΚΑΤΑΛΥΣΗ

Ο καταλύτης είναι ένας χημικός παράγοντας που αλλάζει τον ρυθμό μιας χημικής διεργασίας. Αυτό οφείλεται στη μείωση της ποσότητας ενέργειας ενεργοποίησης που απαιτείται για την αντίδραση. Όταν απαιτείται λιγότερη ενέργεια ενεργοποίησης, ένα μεγαλύτερο ποσοστό συγκρούσεων θα έχει την απαιτούμενη ενέργεια και ο ρυθμός θα αυξηθεί. Ο τρόπος με τον οποίο ο καταλύτης μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο του καταλύτη. Ένας αναστολέας είναι ένας καταλύτης που επιβραδύνει τον ρυθμό μιας διαδικασίας.

ΡΟΛΟΓΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ

Η επίδραση της θερμοκρασίας και της συγκέντρωσης στον ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης θα διερευνηθεί σε αυτό το πείραμα. Η επιλεγμένη αντίδραση, που μερικές φορές αναφέρεται ως "αντίδραση του ρολογιού", είναι στην πραγματικότητα ένα σύνολο διαδοχικών αντιδράσεων που αντιπροσωπεύονται από το

Το ιώδιο που δημιουργείται στην αντίδραση (1) καταναλώνεται αμέσως στην αντίδραση (2), επομένως δεν μπορεί να συσσωρευτεί σημαντική ποσότητα ιωδίου έως ότου χρησιμοποιηθεί όλο το Na2S2O3. Όταν συμβεί αυτό, η περιεκτικότητα σε ιώδιο αυξάνεται στο σημείο όπου ένας δείκτης αμύλου γίνεται μπλε. Η ανάπτυξη της μπλε απόχρωσης δείχνει ότι όλο το Na2S2O3 έχει καταναλωθεί.

ΝΟΜΟΣ ΤΙΜΩΝ

Ο νόμος του ρυθμού της προηγούμενης αντίδρασης θα καθοριστεί σε αυτό το πείραμα.

Πειραματικά, θα προσδιοριστούν οι αριθμητικές τιμές των x, y και z. Τα x, y και z είναι επίσης η σειρά της αντίδρασης σε σχέση με τα A, B και C. Η συνολική σειρά της αντίδρασης δίνεται από το άθροισμα των επιμέρους τάξεων του αντιδρώντος. Μετά τον υπολογισμό των x, y και z, μπορεί να υπολογιστεί η σταθερά ρυθμού k.

Εξίσωση Arrhenius

Η εξίσωση Arrhenius για την εξάρτηση από τη θερμοκρασία του ρυθμού μιας χημικής αντίδρασης φαίνεται παρακάτω.

Όπου,k υποδηλώνει τη σταθερά ταχύτητας της αντίδρασης.

Το A σημαίνει Arrhenius. Ενεργοποίηση =Σταθερό Ea Η ενέργεια της αντίδρασης (σε Joules mol1)

Το R σημαίνει Universal Gas. Σταθερά

Το T δηλώνει απόλυτη θερμοκρασία (σε Kelvin)

Γνωρίζαμε ότι όταν η θερμοκρασία αυξήθηκε, οι ρυθμοί αντίδρασης αυξήθηκαν, αλλά δεν ξέραμε πώς να προβλέψουμε τη σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και ρυθμών αντίδρασης στατιστικά. Καταφέραμε να λύσουμε αυτό το πρόβλημα λόγω της Εξίσωσης Arrhenius. Είναι μια εμπειρική σχέση που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της διακύμανσης της σταθεράς ρυθμού με τη θερμοκρασία, η οποία προσφέρει πληροφορίες σχετικά με τις ταχύτητες των χημικών διεργασιών σε διάφορες θερμοκρασίες.

Η θερμοκρασία, η συγκέντρωση και οι καταλύτες επηρεάζουν τους ρυθμούς ως εξής:

Οι ρυθμοί αντίδρασης τείνουν να αυξάνονται με τη θερμοκρασία : Αυτό το πρότυπο προκύπτει από το γεγονός ότι τα αντιδρώντα πρέπει να συγκρούονται μεταξύ τους για να αντιδράσουν. Η αντίδραση μπορεί να συμβεί εάν τα αντιδρώντα συγκρουστούν με τον κατάλληλο προσανατολισμό και την επαρκή ενέργεια. Ως αποτέλεσμα, όσο περισσότερες είναι οι συγκρούσεις και όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια αυτών των συγκρούσεων, τόσο πιο πραγματική ανταπόκριση εμφανίζεται. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων σε ένα αντιδρών μίγμα αυξάνεται, με αποτέλεσμα τα σωματίδια να ταξιδεύουν πιο γρήγορα και να συγκρούονται πιο συχνά και με περισσότερη ενέργεια.

Η αύξηση της συγκέντρωσης τείνει να αυξάνει τον ρυθμό αντίδρασης: Η αιτία αυτής της τάσης σχετίζεται επίσης με συγκρούσεις. Μια υψηλότερη συγκέντρωση υποδηλώνει ότι περισσότερα αντιδρώντα σωματίδια είναι πιο κοντά μεταξύ τους, με αποτέλεσμα περισσότερες συγκρούσεις και μεγαλύτερη πιθανότητα αντίδρασης. Η αύξηση της συγκέντρωσης των αντιδρώντων μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τη διάλυση περισσότερων από αυτά τα αντιδρώντα στο διάλυμα.

Ορισμένα αντιδρώντα δεν είναι πλήρως διαλυμένα και έτσι εμφανίζονται ως μεγαλύτερα, αδιάλυτα σωματίδια. Τα μικρότερα σωματίδια οδηγούν σε ταχύτερες αποκρίσεις σε ορισμένες περιπτώσεις. Τα μικρότερα σωματίδια αποκαλύπτουν μεγαλύτερη επιφάνεια, εκθέτοντας μεγαλύτερο τμήμα του σωματιδίου στην απόκριση.

Οι καταλύτες αυξάνουν τους ρυθμούς αντίδρασης: Οι καταλύτες δεν αλλοιώνονται χημικά και επομένως δεν επηρεάζουν την ποσότητα του προϊόντος που μπορεί τελικά να δημιουργήσει μια διεργασία (την απόδοση). Εδώ ταιριάζει ένα παράδειγμα από την παιδική ηλικία. Όταν ξεκινάτε να κάνετε ποδήλατο, οι γονείς σας μπορεί να σας δώσουν ώθηση για να ξεκινήσετε. Το πετάλι, ωστόσο, εξαρτάται αποκλειστικά από εσάς μετά από αυτή την αρχική ώθηση. Η υψηλότερη ταχύτητα και ο τελικός προορισμός σας εξακολουθούν να καθορίζονται πλήρως από την ικανότητά σας να κάνετε πετάλι και να ελέγχετε το ποδήλατο, αλλά αυτό το πάτημα (ο καταλύτης) σας βοήθησε να ανεβείτε ταχύτερα.

Οι καταλύτες μπορούν να λειτουργήσουν με διάφορους τρόπους, αλλά όλοι περιλαμβάνουν μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης, τα ενεργητικά αντιδρώντα λόφου πρέπει να αναρριχηθούν για να φτάσουν σε μια μεταβατική κατάσταση, το στάδιο υψηλότερης ενέργειας κατά μήκος μιας χημικής οδού. Οι χαμηλότερες ενέργειες ενεργοποίησης έχουν ως αποτέλεσμα ταχύτερα αντανακλαστικά.

Συμπέρασμα:

Επομένως, μπορούμε να συμπεράνουμε από όλο αυτό το άρθρο ότι όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, η μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων σε ένα αντιδρών μίγμα αυξάνεται, με αποτέλεσμα τα σωματίδια να ταξιδεύουν πιο γρήγορα και να συγκρούονται πιο συχνά και με περισσότερη ενέργεια. Η αύξηση της συγκέντρωσης έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού απόκρισης.