Wir sind ständig mit verschiedenen chemischen Wechselwirkungen konfrontiert. Die Verbrennung von Erdgas, das Rosten von Eisen, das Säuern von Milch sind bei weitem nicht alle Prozesse, die in einem Schulchemiekurs eingehend studiert werden.
Manche Reaktionen dauern Sekundenbruchteile, während manche Interaktionen Tage oder Wochen dauern.
Versuchen wir, die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von Temperatur, Konzentration und anderen Faktoren zu identifizieren. Im neuen Bildungsstandard ist für dieses Thema eine Mindeststudienzeit vorgesehen. In den Prüfungen des Einheitlichen Staatsexamens werden Aufgaben zur Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von Temperatur, Konzentration und sogar Rechenaufgaben angeboten. Viele Gymnasiasten haben gewisse Schwierigkeiten, Antworten auf diese Fragen zu finden, daher werden wir dieses Thema im Detail analysieren.
Relevanz des betrachteten Themas
Informationen über die Reaktionsgeschwindigkeit sind von großer praktischer und wissenschaftlicher Bedeutung. Zum Beispiel bei einer bestimmten Herstellung von Stoffen und Produkten aus einem gegebenender Wert hängt direkt von der Leistung der Ausrüstung, den Warenkosten ab.
Klassifizierung laufender Reaktionen
Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen dem Aggregatzustand der Ausgangskomponenten und den Produkten, die während des chemischen Prozesses entstehen: heterogene Wechselwirkungen.
Unter einem System versteht man in der Chemie meist eine Substanz oder eine Kombination aus ihnen.
Ein homogenes System ist eines, das aus einer Phase (dem gleichen Aggregatzustand) besteht. Als Beispiel können wir ein Gasgemisch, mehrere verschiedene Flüssigkeiten nennen.
Heterogen ist ein System, in dem Reaktanten in Form von Gasen und Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen vorliegen.
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist nicht nur von der Temperatur abhängig, sondern auch von der Phase, in der die an der analysierten Wechselwirkung beteiligten Komponenten eingesetzt werden.
Eine homogene Zusammensetzung zeichnet sich durch den Fluss des Prozesses im gesamten Volumen aus, was seine Qualität erheblich verbessert.
Befinden sich die Ausgangsstoffe in unterschiedlichen Phasenzuständen, so wird in diesem Fall die maximale Wechselwirkung an der Phasengrenze beobachtet. Wenn beispielsweise ein aktives Metall in einer Säure gelöst wird, wird die Bildung eines Produkts (Salz) nur an der Oberfläche ihres Kontakts beobachtet.
Mathematischer Zusammenhang zwischen Prozessgeschwindigkeit und verschiedenen Faktoren
Wie sieht die Gleichung für die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion in Abhängigkeit von der Temperatur aus? Bei einem homogenen Prozess wird die Rate durch die Menge bestimmtein Stoff, der mit dem Volumen des Systems pro Zeiteinheit wechselwirkt oder während einer Reaktion entsteht.
Bei einem heterogenen Prozess wird die Geschwindigkeit durch die Menge eines Stoffes bestimmt, der pro Flächeneinheit für einen Mindestzeitraum im Prozess reagiert oder entsteht.
Faktoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen
Die Natur der reagierenden Stoffe ist einer der Gründe für die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Prozesse. Beispielsweise bilden Alkalimetalle mit Wasser bei Raumtemperatur Alkalien, und der Vorgang wird von einer intensiven Entwicklung von gasförmigem Wasserstoff begleitet. Edelmetalle (Gold, Platin, Silber) sind weder bei Raumtemperatur noch bei Erwärmung zu solchen Prozessen fähig.
Die Art der Ausgangsstoffe ist ein Faktor, der in der chemischen Industrie berücksichtigt wird, um die Rentabilität der Produktion zu steigern.
Die Beziehung zwischen der Konzentration von Reagenzien und der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wurde aufgedeckt. Je höher es ist, desto mehr Partikel kollidieren, daher wird der Prozess schneller ablaufen.
Das Massenwirkungsgesetz in mathematischer Form beschreibt einen direkt proportionalen Zusammenhang zwischen der Konzentration von Ausgangsstoffen und der Geschwindigkeit des Prozesses.
Es wurde Mitte des 19. Jahrhunderts von dem russischen Chemiker N. N. Beketov formuliert. Für jeden Prozess wird eine Reaktionskonstante bestimmt, die unabhängig von Temperatur, Konzentration oder Art der Reaktanden ist.
AnUm eine Reaktion mit einem Feststoff zu beschleunigen, müssen Sie ihn zu einem Pulver zermahlen.
In diesem Fall vergrößert sich die Oberfläche, was sich positiv auf die Geschwindigkeit des Prozesses auswirkt. Für Dieselkraftstoff wird ein spezielles Einspritzsystem verwendet, wodurch die Verbrennungsgeschwindigkeit eines Kohlenwasserstoffgemisches bei Kontakt mit Luft erheblich zunimmt.
Heizung
Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Temperatur wird durch die molekularkinetische Theorie erklärt. Damit können Sie die Anzahl der Kollisionen zwischen den Molekülen der Reagenzien unter bestimmten Bedingungen berechnen. Ausgestattet mit solchen Informationen sollten unter normalen Bedingungen alle Prozesse sofort ablaufen.
Aber wenn wir ein konkretes Beispiel für die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur betrachten, stellt sich heraus, dass es für die Wechselwirkung notwendig ist, zunächst die chemischen Bindungen zwischen Atomen aufzubrechen, um daraus neue Substanzen zu bilden. Dies erfordert eine erhebliche Menge an Energie. Wie ist die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit? Die Aktivierungsenergie bestimmt die Möglichkeit des Bruchs von Molekülen, sie charakterisiert die Realität von Prozessen. Seine Einheiten sind kJ/mol.
Wenn die Energie nicht ausreicht, bleibt die Kollision wirkungslos, sie wird also nicht von der Bildung eines neuen Moleküls begleitet.
Grafische Darstellung
Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der Temperatur lässt sich grafisch darstellen. Beim Erhitzen nimmt die Anzahl der Kollisionen zwischen Partikeln zu, was zur Beschleunigung der Wechselwirkung beiträgt.
Wie sieht ein Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Diagramm aus? Horizontal ist die Energie der Moleküle aufgetragen, vertikal die Anzahl der Teilchen mit hoher Energiereserve. Ein Graph ist eine Kurve, die verwendet werden kann, um die Geschwindigkeit einer bestimmten Interaktion zu beurteilen.
Je größer die Energiedifferenz zum Durchschnitt ist, desto weiter ist der Punkt der Kurve vom Maximum entfernt und ein kleinerer Prozentsatz der Moleküle hat eine solche Energiereserve.
Wichtige Aspekte
Ist es möglich, eine Gleichung für die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante von der Temperatur aufzustellen? Seine Zunahme spiegelt sich in der Zunahme der Geschwindigkeit des Prozesses wider. Eine solche Abhängigkeit ist durch einen bestimmten Wert gekennzeichnet, den sogenannten Temperaturkoeffizienten der Prozessrate.
Für jede Wechselwirkung wurde die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante von der Temperatur aufgedeckt. Wenn es um 10 Grad erhöht wird, erhöht sich die Prozessgeschwindigkeit um das 2-4-fache.
Abhängigkeit der Geschwindigkeit homogener Reaktionen von der Temperatur lässt sich mathematisch darstellen.
Für die meisten Wechselwirkungen bei Raumtemperatur liegt der Koeffizient im Bereich von 2 bis 4. Beispielsweise beschleunigt bei einem Temperaturkoeffizienten von 2,9 eine Temperaturerhöhung von 100 Grad den Vorgang um fast das 50.000-fache.
Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur kann leicht durch unterschiedliche Werte der Aktivierungsenergie erklärt werden. Es hat einen minimalen Wert bei ionischen Prozessen, die nur durch die Wechselwirkung von Kationen und Anionen bestimmt werden. Zahlreiche Experimente bezeugen das sofortige Auftreten solcher Reaktionen.
Wenn die Aktivierungsenergie hoch ist, führt nur eine kleine Anzahl von Kollisionen zwischen Teilchen zur Umsetzung der Wechselwirkung. Bei einer durchschnittlichen Aktivierungsenergie interagieren die Reaktanten mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit.
Aufgaben zur Konzentrations- und Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit werden erst auf der höheren Bildungsstufe berücksichtigt und bereiten Kindern oft ernsthafte Schwierigkeiten.
Messen der Geschwindigkeit eines Prozesses
Diese Prozesse, die eine erhebliche Aktivierungsenergie erfordern, beinh alten einen anfänglichen Bruch oder eine Schwächung von Bindungen zwischen Atomen in den ursprünglichen Substanzen. Dabei gehen sie in einen bestimmten Zwischenzustand über, den sogenannten aktivierten Komplex. Es ist ein instabiler Zustand, zerfällt ziemlich schnell in Reaktionsprodukte, der Prozess wird von der Freisetzung zusätzlicher Energie begleitet.
In seiner einfachsten Form ist ein aktivierter Komplex eine Anordnung von Atomen mit geschwächten alten Bindungen.
Inhibitoren und Katalysatoren
Lassen Sie uns die Abhängigkeit der enzymatischen Reaktionsgeschwindigkeit von der Mediumstemperatur analysieren. Solche Substanzen wirken als Beschleunigerverarbeiten.
Sie selbst sind keine Teilnehmer an der Interaktion, ihre Anzahl nach Abschluss des Prozesses bleibt unverändert. Wenn Katalysatoren die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, dann verlangsamen Inhibitoren diesen Prozess.
Die Essenz davon ist die Bildung von Zwischenverbindungen, wodurch eine Änderung der Geschwindigkeit des Prozesses beobachtet wird.
Schlussfolgerung
Verschiedene chemische Wechselwirkungen treten jede Minute auf der Welt auf. Wie lässt sich die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur feststellen? Die Arrhenius-Gleichung ist eine mathematische Erklärung der Beziehung zwischen der Geschwindigkeitskonstante und der Temperatur. Es gibt eine Vorstellung von jenen Werten der Aktivierungsenergie, bei denen die Zerstörung oder Schwächung von Bindungen zwischen Atomen in Molekülen, die Verteilung von Partikeln in neue Chemikalien möglich ist.
Dank der molekularkinetischen Theorie ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit von Wechselwirkungen zwischen den Ausgangskomponenten vorherzusagen, um die Geschwindigkeit des Prozesses zu berechnen. Unter den Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, sind von besonderer Bedeutung die Änderung des Temperaturindex, die prozentuale Konzentration der wechselwirkenden Substanzen, die Kontaktoberfläche, das Vorhandensein eines Katalysators (Inhibitors) sowie die Art der wechselwirkenden Komponenten.
