Cel nauczania
- Wyjaśnij jak stężenie, powierzchnia, ciśnienie, temperatura i dodatek katalizatorów wpływają na szybkość reakcji
Kluczowe punkty
- Gdy stężenia reagentów są zwiększone, reakcja przebiega szybciej. Wynika to ze zwiększenia liczby cząsteczek, które mają minimalną wymaganą energię. W przypadku gazów, wzrost ciśnienia ma taki sam efekt jak wzrost stężenia.
- Gdy reagują ciała stałe i ciecze, zwiększenie powierzchni ciała stałego zwiększa szybkość reakcji. Zmniejszenie wielkości cząstek powoduje wzrost całkowitej powierzchni ciała stałego.
- Podniesienie temperatury reakcji o 10°C może podwoić lub potroić szybkość reakcji. Wynika to ze wzrostu liczby cząstek, które mają minimalną wymaganą energię. Szybkość reakcji maleje wraz ze spadkiem temperatury.
- Katalizatory mogą obniżyć energię aktywacji i zwiększyć szybkość reakcji, nie będąc przy tym zużywane w reakcji.
- Różnice we właściwej strukturze reagentów mogą prowadzić do różnic w szybkości reakcji. Cząsteczki połączone silniejszymi wiązaniami będą miały niższe szybkości reakcji niż cząsteczki połączone słabszymi wiązaniami, ze względu na zwiększoną ilość energii potrzebnej do zerwania silniejszych wiązań.
Terminy
- katalizatorSubstancja, która zwiększa szybkość reakcji chemicznej, nie będąc zużyta w procesie.
- energia aktywacjiMinimalna ilość energii, którą muszą posiadać cząsteczki, aby reakcja mogła zajść po zderzeniu.
Stężenia reagentów
Podniesienie stężenia reagentów sprawia, że reakcja zachodzi szybciej. Aby reakcja chemiczna mogła zajść, musi istnieć pewna liczba cząsteczek o energii równej lub większej od energii aktywacji. Wraz ze wzrostem stężenia zwiększa się liczba cząsteczek o minimalnej wymaganej energii, a zatem wzrasta szybkość reakcji. Na przykład, jeśli jedna na milion cząsteczek ma wystarczającą energię aktywacji, to ze 100 milionów cząsteczek tylko 100 będzie reagować. Jeśli jednak w tej samej objętości znajdzie się 200 milionów takich cząsteczek, to zareaguje 200 z nich. Podwajając stężenie, szybkość reakcji również się podwoiła.
Powierzchnia
W reakcji między ciałem stałym a cieczą, powierzchnia ciała stałego ostatecznie wpływa na szybkość reakcji. Dzieje się tak dlatego, że ciecz i ciało stałe mogą na siebie wpadać tylko na granicy faz ciecz-ciało stałe, która znajduje się na powierzchni ciała stałego. Cząsteczki ciała stałego uwięzione w jego wnętrzu nie mogą reagować. Dlatego zwiększenie powierzchni ciała stałego będzie narażać więcej cząsteczek stałych do cieczy, co pozwala na szybszą reakcję.
Na przykład, rozważ 6 x 6 x 2 cala cegły. Powierzchnia odsłoniętych powierzchni cegły wynosi 4(6 razy 2)+2(6 razy 6)=120 cm^2. Kiedy jednak cegła zostanie rozebrana na dziewięć mniejszych sześcianów, każdy z nich ma powierzchnię 6(2 razy 2) = 24 cm^2, więc całkowita powierzchnia dziewięciu sześcianów wynosi 9 razy 24 = 216 cm^2.
Wynika z tego, że całkowita odkryta powierzchnia wzrośnie, gdy większe ciało zostanie podzielone na mniejsze kawałki. Dlatego, ponieważ reakcja zachodzi na powierzchni substancji, zwiększenie powierzchni powinno zwiększyć ilość substancji, która jest dostępna do reakcji, a zatem zwiększy się również szybkość reakcji.
Ciśnienie
Zwiększanie ciśnienia w reakcji z udziałem gazów powoduje zwiększenie szybkości reakcji. Zwiększając ciśnienie gazu, zmniejszamy jego objętość (PV=nRT; P i V są odwrotnie proporcjonalne), podczas gdy liczba cząsteczek (n) pozostaje niezmieniona. Dlatego wzrost ciśnienia zwiększa stężenie gazu (n/V) i sprawia, że cząsteczki gazu częściej się zderzają. Należy pamiętać, że ta logika działa tylko w przypadku gazów, które są bardzo ściśliwe; zmiana ciśnienia w reakcji, w której biorą udział tylko ciała stałe lub ciecze, nie ma wpływu na szybkość reakcji.
Temperatura
Doświadczalnie zaobserwowano, że wzrost temperatury o 10°C zwykle podwaja lub potraja szybkość reakcji między cząsteczkami. Minimalna energia potrzebna do zajścia reakcji, znana jako energia aktywacji, pozostaje taka sama wraz ze wzrostem temperatury. Jednakże, średni wzrost energii kinetycznej cząsteczek spowodowany zaabsorbowanym ciepłem oznacza, że większa część cząsteczek reagentów posiada teraz minimalną energię niezbędną do zderzenia i reakcji. Wzrost temperatury powoduje wzrost poziomów energetycznych cząsteczek biorących udział w reakcji, a więc szybkość reakcji wzrasta. Podobnie, szybkość reakcji będzie spadać wraz ze spadkiem temperatury.
Obecność lub nieobecność katalizatora
Katalizatory to substancje, które zwiększają szybkość reakcji poprzez obniżenie energii aktywacji potrzebnej do zajścia reakcji. Katalizator nie ulega zniszczeniu ani zmianie podczas reakcji, więc może być użyty ponownie. Na przykład, w zwykłych warunkach, H2 i O2 nie łączą się. Jednak łączą się w obecności niewielkiej ilości platyny, która działa jak katalizator, a reakcja zachodzi wtedy szybko.
Natura substancji reagujących
Substancje różnią się znacznie pod względem szybkości, z jaką ulegają zmianom chemicznym. Różnice w reaktywności pomiędzy reakcjami mogą być przypisane różnej strukturze materiałów biorących udział w reakcji; na przykład, czy substancje są w roztworze czy w stanie stałym ma znaczenie. Innym czynnikiem jest względna siła wiązań w cząsteczkach reagentów. Na przykład, reakcja pomiędzy cząsteczkami atomów połączonych silnymi wiązaniami kowalencyjnymi będzie przebiegać wolniej niż reakcja pomiędzy cząsteczkami atomów połączonych słabymi wiązaniami kowalencyjnymi. Wynika to z faktu, że potrzeba więcej energii, aby rozerwać wiązania silnie związanych cząsteczek.
http://en.wiktionary.org/wiki/activation_energy
Wiktionary
CC BY-SA 3.0.
http://en.wiktionary.org/wiki/catalyst
Wiktionariusz
CC BY-SA 3.0.
http://en.wiktionary.org/wiki/concentration
Wiktionariusz
CC BY-SA 3.0.
http://oer.avu.org/bitstream/handle/123456789/43/Chemistry%202%20-%20Introductory%20General.pdf?sequence=6
CC BY.