Szybko�� reakcji

Start

Pogranicza

Szybko�ci� reakcji nazywamy zmiany lub przemiany substancji w inne substancje w jednostce czasu. Mo�na j� por�wna� do pr�dko�ci samochodu, kt�ry w okre�lonym czasie przebywa odpowiedni� d�ugo�� drogi. Szybko�� reakcji zwykle mierzona jest za pomoc� zmiany st�enia substratu na rzecz produktu do czasu w jakim ona nast�pi�a. Zazwyczaj przed zmian� st�enia substratu zapisywany jest minus ze wzgl�du na to, i� st�enie substratu maleje podczas reakcji i jest ujemne, a sumuj�c te dwa znaki ujemne otrzymujemy znak dodatni, gdy� szybko�� mo�e by� opisywana tylko ze znakiem dodatnim; zapis:
V(szybko�� reakcji)= - zmiana st�enia substratu / czas, w kt�rym zmaina nast�pi�a
St�enie czy to substratu czy to produktu zwykle zapisujemy w nawiasach kwadratowych, np. [N2] nazywamy st�eniem cz�steczki azotu.
I odwrotnie rzecz ujmuj�c szybko�� reakcji produktu zazwyczaj zapisywana jest ze znakiem dodatnim gdy� jego st�enie ro�nie w czasie reakcji i nie potrzebujemy dodawa� ju� ujemnego znaku przed zmian� st�enia produktu; zapis:
V = zmiana st�enia produktu / czas, w kt�rym nast�pi�a zmiana
Szybko�� reakcji nie jest sta�a w zwi�zkach cz�sto mo�na zaobserwoawa�, �e reakcja przebiega szybko na pocz�tku, ale zwalnia (zazwyczaj niewidocznie) w kr�tkich okresach czasu. Zwi�zane jest to ze zu�ywaniem si� substrat�w. Udowodnione zosta�o, �e st�enie substratu zmienia si� szybciej na pocz�tku reakcji ni� po jej koniec. Dlatego te� nigdy nie mo�na poda� jednej szybko�ci reakcji dla ca�ego okresu zu�ywania si� substratu. I tu nale�y wprowadzi� poj�cie chwilowej szybko�ci reakcji. Jest to szybko�� z jak� zu�ywaj� si� substraty w kr�tkim przedziale czasu okre�lona na ca�kowitej drodze zu�ywania si� substratu. Mo�na okre�li� pr�dko�� redni� reakcji przez wyci�gni�cie �redniej arytmetycznej ze wszystkich szybko�ci chwilowych reakcji.

Reakcje przebiegaj� szybciej w wy�szej temperaturze. Zgodnie z prawem Van't Hoffa, kt�ry bada� ruchy cz�steczek w r�nych warunkach, wynika �e szybko�� reakcji ro�nie od 2 do 4 razy wraz ze wzrostem temperatury o 10 stopni C. Temperatura jest bardzo wa�nym czynnikiem, kt�ry dzi�ki swojemu wzrostowi powoduje, i� cz�steczki mog� porusza� si� szybciej, a co za tym idzie ich zderzenia s� tak efektywne, �e mog� one tworzy� produkty. Wa�nym czynnikiem jest tutaj tak�e energia aktywacji, jest to energia cz�steczki (potencjalna, kinetyczna) potrzebna do tego, aby zderzenia by�y efektywne. Wynika z tego, �e je�eli energia kinetyczna jest mniejsza od energii aktywacji to produkt zderzenia 2-�ch substrat�w nie powinien powsta�, dlatego aby m�g� on powsta� potrzebna jest energia cz�steczki przynajmniej r�wna energii aktywacji.Im wy�sza energia aktywacji, tym temperatura silniej wp�ywan na sta�� szybko�ci reakcji. Szwedzki chemik Arrhenius poda� r�wnanie opisuj�ce sta�� szybko�ci reakcji (dla gaz�w i cieczy) temperatury; zapis:

ln k = ln A - (Ea/RT)

gdzie Ea- energia aktywacji
Szybko�� reakcji zale�na jest tak�e od substancji wprowadzonej przed lub podczas reakcji w celu jej przyspieszenia. Substancja tak zwykle jest nazywana katalizatorem. Do r�nych reakcji stosowane s� r�ne katalizatory s� to zazwyczaj pierwiaski lub zwi�zki dzi�ki, kt�rym szybko�� reakcji ro�nie mimio tego, �e cz�steczki maj� energi� ni�sz� ni� energia aktywacji.

Katalizatory dzielimy na homogeniczne i heterogeniczne. Katalizatory homogeniczne s� w tym samym stanie skupienia co substancje uczestnicz�ce w reakcji, czyli je�eli mamy substancje gazowe to katalizator jest r�wnie� gazowy. Katalizatory heterogeniczne s� w innym stanie skupienia ni� reagenty.

Tak, Arrhenius pierwszy poda� zale�no�� sta�ej szybko�ci reakcji od temperatury. Nie jest to jednak r�wnanie dok�adnie, gdy� Arrhenius za�o�y� niezmienno�� pewnych parametr�w wzgl�dem temperatury. W r�wnaniu tym wyraz A nazywany wsp�czynnikiem przedekspotencjalnym lub przedwyk�adniczym okre�la warunek geometryczny zaj�cia zderzenia efektywnego, tj zderzenia zako�czonego reakcj�, aby bowiem reakcja zasz�a, cz�steczki musz� by� odpowiednio ustawione. A wyraz� si� zale�no�cia:

A=Z*P

Z - ilo�� zderze�
P - prawdopodobie�stwo, �e dane zderzenie jest efektywne

natomiast drugi wyraz okre�la warunek energetyczny zaj�cia reakcji. Aby zderzenie by�o efektywne, cz�steczki musz� posoada� pewn� minimaln� energi�, ta minimalna energia okreslana jest energi� aktywacji. Drugi cz�on okresla bowiem udzia� cz�steczek o odpowiedniej energii, by zderzenie mog�o si� zako�czy� reakcj�:

Na/N0

Na - liczba cz�steczek o odpowiedniej energii
N0 - liczba wszystkich cz�steczek

Wszystko staje si� jasne, gdy spojrzymy na wykres rozk�adu Boltzmanna energii cz�steczek:

i jak wida� powy�szy stosunek jest r�wny polu pod krzyw� od Ea do ko�ca dp pola pod ca�� krzyw�. Zgodnie z rozk�adem Boltzmanna stosunek ten wynosi:

Na/N0=exp{-Ea/RT}

zapis:

exp{C} oznacza, �e liczb� e podnosimy do pot�gi C, w naszym przypadku do -Ea/RT. e jest to liczba Eulera, jest niewymierna jak pi, jest to te� granica pewnego ci�gu zbie�nago, o kt�rym nie b�d� si� rozpisywa�. Liczba ta jest r�wnie� podstaw� logarytmu naturalnego ln. Jak widzimy, ze wzrostem temperarury udzia� tych cz�steczek ro�nie, mino �e T jest w mianowniku, to jednak wyk�adnik jest ujemny i udzia� ro�nie ze wzrostem T. R�wnanie Arrheniusa ma zatem posta�:

k=A*exp{-Ea/RT}

w postaci logarytmicznej:

lnk=lnA+(-Ea/RT)

w postaci r�niczkowej:

d(lnk)/dT=Ea/(RT^2)

i wreszcie w postaci ca�kowej:

ln(k1/k2)=(Ea/R)*[(T2-T1)/(T1T2)]

Jak ju� wspomnia�em, Arhenius za�o�y� sta�o�� pewnych czynnik�w wobec temperatury. W rzeczywisto�c Ea i A zale�� nieco od temperatury, st�d r�wnanie Arrheniusa nie opisuje dok�adnie sta�ej szybko�ci k (dla ma�ych r�nic temp. jest dla nas zwykle wystarczaj�co dok�adne). Posta�o zatam nowe r�wnanie opisuj�ce k, jest to r�wnanie Eyringa, r�wnia to ma posta�:

k=KTexp[G*/RT]

przy czym:

K=k/h

gdzie:

k=1,38062*10^23 J/K - sta�a Boltzmanna

h=6,62620*10^(-34) J*s - sta�a Plancka

jak widzimy wsp�czynnik przedwyk�adnicz KT zale�y od temperatury.

Natomiast G* jest to entalpia swobodna aktywacji, na wykresie energii reakcji G od czasu t odpowiada ona energii aktywacji. G jest funkcj� temperatury. Dla ma�ych zmian T praktycznie jest sta�a, czyli zbli�amy si� do za�o�e� Arrheniusa. R�wnanie Eyringa opisuje szta�� szybko�ci dok�adnie.

Dla reakcji danej r�wnaniem:

aA+bB==>cC+dD

r�wnanie kinetyczne mo�emy zapisa� w postaci:

v=k([A]^e)([B]^f)

gdzie:

e,f - rz�dy cz�stkowe reakcji, tj e - rz�d reakcji wzgl�dem substratu A, analogicznie f

e+f=n - rz�d reakcji (ca�kowity)

Cz�steczkowo�� reakcji okre�la ilo�� cz�steczek w elementarnym akcie reakcji. Zwykle wynosi 1 lub 2, rzadko 3, reakcje o cz�steczkowo�ci 4 i wy�szej nie s� znane. Wynika to z faktu, �e zderzenie efektywne trzech cz�steczek naraz jest bardzo ma�o prawdopodobne, ju� w reakcjach dwucz�steczkowych mo�e wynosi� 10^(-8).

Katalizatorami nazywamy czynniki przyspieszaj�ce rwakcj� chemiczn�, ale si� w niej nie zu�ywaj�ce, tzn. ulegaj�ce odtworzenie podczas reakcji. B��dem jest stwierdzenie, �e katalizator nie bierze udzia�y w reakcji! Tak ucz� tylko w gimnazjach (wiadomo: szko�a �czy, wyhow�je). Niestety nawet studenci p�ac� za to, �e nauczyli si� jakiej� regu�ki z gimnazjum. Katalizator przyspiesza reakcj� chemiczn� poniewa� obni�a energi� ektywacji reakcji, a je�li spojrzymy na r�wnanie arrheniusa, na minus przez Ea, to zobaczymy, �e ze wzrostem Ea sta�a szybko�ci maleje. Schemat reakcji katalitycznej:
(1) A+K==>AK
(2) AK+B==>C+K

sumarycznie:
A+B==>C

reakcje (1) i (2) maj� ni�sze enrgie aktywacji ni� sumaryczna, wi�c zachodz� od niej szybciej. Je�li katalizator obni�a Ea reakcji sumarycznej o 40 kJ/mol to szybko�� reakcji ro�nie 10 000 razy!

Katalizator przyspiesza reakcj� a tym samym osi�gni�cie stanu r�wnowagi. Nie umo�liwia on osi�gni�cia wi�kszego stapnia przereagowania ni� wynika to ze sta�ej r�wnowagi reakcji, pozwala jedynie go osi�gn�� (lub si� do niego zbli�y�).

Wątki

Template provided by Designs by Darren Opracowanie Marketing w Internecie dla Pogranicza