Szybkość reakcji chemicznej i czynniki wpływające
Chemia
Zestaw wyjaśnia, czym jest szybkość reakcji chemicznej i jak można ją obserwować oraz opisywać. Poznasz wpływ stężenia, temperatury, powierzchni kontaktu, ciśnienia i katalizatora, a także znaczenie energii aktywacji.
1.Szybkość reakcji chemicznej
Zmiana stężenia substratu lub produktu w jednostce czasu. W czasie reakcji stężenie substratów maleje, a produktów zwykle rośnie.
2.Zmiana stężenia w czasie
Szybkość reakcji można zapisać jako , gdzie oznacza zmianę stężenia, a czas jej zajścia.
3.Jednostka szybkości reakcji
W układzie SI często stosuje się . Oznacza ona zmianę liczby moli substancji w objętości jednego decymetra sześciennego w ciągu sekundy.
4.Zderzenia efektywne
Zderzenia cząsteczek lub jonów, które prowadzą do reakcji chemicznej. Muszą zachodzić z wystarczającą energią i przy odpowiednim wzajemnym ułożeniu reagujących cząstek.
5.Energia aktywacji
Minimalna energia potrzebna reagującym cząstkom, aby ich zderzenie mogło doprowadzić do reakcji chemicznej.
6.Wpływ stężenia na szybkość reakcji
Zwiększenie stężenia reagentów w roztworze zwykle zwiększa szybkość reakcji, ponieważ w tej samej objętości znajduje się więcej cząstek i częściej dochodzi do ich zderzeń.
7.Wpływ temperatury na szybkość reakcji
Podwyższenie temperatury zwykle przyspiesza reakcję. Cząstki poruszają się szybciej, zderzają się częściej i większa ich część ma energię co najmniej równą energii aktywacji.
8.Powierzchnia kontaktu substratów
Rozdrobnienie ciała stałego zwiększa jego powierzchnię kontaktu z drugim reagentem. Większa powierzchnia oznacza więcej miejsc, w których mogą zachodzić zderzenia i reakcja.
9.Wpływ ciśnienia na reakcję gazów
Zwiększenie ciśnienia gazowych substratów zwiększa liczbę cząstek w danej objętości, dlatego zwykle zwiększa częstość zderzeń i szybkość reakcji.
10.Katalizator
Substancja, która zwiększa szybkość reakcji, umożliwiając jej alternatywny przebieg o mniejszej energii aktywacji. Katalizator nie zużywa się trwale w reakcji.
11.Inhibitor
Substancja, która zmniejsza szybkość reakcji chemicznej. Jej działanie może polegać na utrudnianiu kontaktu reagentów albo hamowaniu działania katalizatora.
12.Reakcja egzoenergetyczna
Reakcja, podczas której energia jest przekazywana do otoczenia. Jej rozpoczęcie może jednak wymagać dostarczenia energii aktywacji.
13.Reakcja endoenergetyczna
Reakcja, podczas której układ pobiera energię z otoczenia. Nie należy utożsamiać jej z szybkością reakcji.
14.Obserwacja szybkości reakcji
Szybkość można śledzić między innymi przez pomiar objętości wydzielającego się gazu, zmianę masy układu, zmianę barwy, powstawanie osadu lub zmianę stężenia reagentów.
Notatka
Czym jest szybkość reakcji?
Reakcja chemiczna polega na przekształcaniu substratów w produkty. Może przebiegać bardzo szybko, jak spalanie, albo powoli, jak rdzewienie żelaza. Aby porównywać tempo procesów, stosuje się pojęcie szybkości reakcji chemicznej.
Szybkość reakcji opisuje zmianę stężenia wybranej substancji w określonym czasie. W miarę trwania reakcji stężenie substratów zwykle maleje, a stężenie produktów rośnie. Zapis ogólny ma postać . W praktyce szybkość może być wyrażana na przykład w .
Zapamiętaj
Szybkość reakcji nie musi być stała: często jest największa na początku, gdy stężenia substratów są duże, a następnie maleje.
Teoria zderzeń i energia aktywacji
Reagujące cząstki muszą się ze sobą zderzać. Jednak nie każde zderzenie prowadzi do powstania produktów. Reakcję wywołują tylko zderzenia efektywne. Cząstki muszą mieć odpowiednie wzajemne ułożenie oraz wystarczającą energię.
Minimalna energia potrzebna do zajścia reakcji to energia aktywacji. Można ją traktować jako barierę energetyczną, którą reagujące cząstki muszą pokonać. Im więcej zderzeń spełnia ten warunek, tym większa jest szybkość reakcji.
Reakcja egzoenergetyczna przekazuje energię do otoczenia, a reakcja endoenergetyczna ją pobiera. Nie należy mylić efektu energetycznego z szybkością: reakcja przekazująca energię może zachodzić wolno, jeśli ma wysoką energię aktywacji.
Stężenie, ciśnienie i powierzchnia kontaktu
Wzrost stężenia reagentów w roztworze zwykle przyspiesza reakcję. W tej samej objętości znajduje się wtedy więcej cząstek, a więc rośnie liczba ich zderzeń. Z tego samego powodu rozcieńczenie roztworu najczęściej zmniejsza szybkość procesu.
W reakcjach, których substratami są gazy, podobny skutek daje wzrost ciśnienia. Sprężenie gazu powoduje zwiększenie liczby cząstek w danej objętości, co zwiększa częstość zderzeń.
Znaczenie ma również powierzchnia kontaktu substratów. Gdy ciało stałe zostanie rozdrobnione, większa jego część styka się z drugim reagentem. Reakcja proszku z roztworem przebiega więc na ogół szybciej niż reakcja dużej bryły o tej samej masie.
Przykład
Sproszkowany węglan wapnia reaguje z kwasem szybciej niż kawałki węglanu wapnia, ponieważ ma większą powierzchnię kontaktu z roztworem.
Temperatura i katalizator
Podwyższenie temperatury zwykle zwiększa szybkość reakcji. Cząstki poruszają się szybciej, częściej się zderzają, a większa część zderzeń ma energię równą co najmniej energii aktywacji. Obniżenie temperatury zwykle spowalnia proces, co wykorzystuje się między innymi podczas przechowywania żywności.
Katalizator to substancja przyspieszająca reakcję. Umożliwia jej przebieg inną drogą, wymagającą niższej energii aktywacji. Nie jest przy tym zużywany trwale, dlatego może działać wielokrotnie. Katalizator nie zmienia składu produktów wynikających z reakcji substratów; zmienia przede wszystkim tempo osiągania tych produktów.
Substancją działającą przeciwnie jest inhibitor, który zmniejsza szybkość reakcji. Hamowanie niektórych procesów chemicznych ma znaczenie na przykład w ochronie materiałów przed niepożądanymi przemianami.
Jak bada się szybkość reakcji?
Doświadczalnie śledzi się taką właściwość układu, która zmienia się w trakcie procesu. Wybór metody zależy od rodzaju reakcji i produktów. Jeśli powstaje gaz, można mierzyć jego objętość w kolejnych chwilach lub obserwować zmianę masy układu. Gdy pojawia się osad, można obserwować zmętnienie roztworu.
W reakcjach przebiegających ze zmianą barwy bada się intensywność barwy albo czas jej zaniku. Możliwy jest też pomiar stężenia substratu lub produktu. Porównując doświadczenia, trzeba zmieniać tylko jeden czynnik, na przykład temperaturę, a pozostałe warunki zachować takie same.
Ważne
Aby rzetelnie ocenić wpływ czynnika na szybkość, nie wolno równocześnie zmieniać kilku innych warunków doświadczenia.
Podsumowanie zależności
Szybkość reakcji zależy od liczby i skuteczności zderzeń cząstek. Najczęściej przyspieszają ją: większe stężenie reagentów, wyższa temperatura, większa powierzchnia kontaktu ciała stałego oraz większe ciśnienie w układach gazowych. Zastosowanie katalizatora zwiększa udział zderzeń zdolnych do reakcji dzięki obniżeniu energii aktywacji.
- większe stężenie: więcej zderzeń
- wyższa temperatura: częstsze i bardziej energetyczne zderzenia
- rozdrobnienie ciała stałego: większa powierzchnia reakcji
- większe ciśnienie gazów: więcej cząstek w tej samej objętości
- katalizator: niższa energia aktywacji alternatywnej drogi reakcji
Na zadaniach maturalnych warto zawsze uzasadniać odpowiedź przez odwołanie do zderzeń cząstek, ich energii albo powierzchni kontaktu, a nie jedynie stwierdzać, że reakcja „zachodzi szybciej”.
Quizy w tym zestawie
16 pytań w 2 etapach — odblokujesz je po dodaniu zestawu