Ми постійно стикаємося з різними хімічними взаємодіями. Згоряння природного газу, іржавіння заліза, скисання молока - далеко не всі процеси, які детально вивчаються в шкільному курсі хімії. Для протікання одних реакцій потрібні частки секунд, а для деяких взаємодій потрібні дні і тижні. Спробуємо виявити залежність швидкості реакції від температури, концентрації, інших факторів. У новому освітньому стандарті на дане питання відводиться мінімальна кількість навчального часу. У тестах єдиного державного іспиту є завдання на залежність швидкості реакції від температури, концентрації і навіть пропонуються розрахункові задачі. Багато старшокласники відчувають певні труднощі з пошуком відповідей на ці питання, тому докладно проаналізуємо дану тему.

Актуальність розглянутого питання

Інформація про швидкості реакції має важливе практичне і наукове значення. Наприклад, в конкретному виробництві речовин і продуктів від даної величини безпосередньо залежить продуктивність апаратури, вартість товарів.

Класифікація протікають реакцій

Існує пряма залежність між агрегатним станом вихідних компонентів і продуктів, що утворюються в ході хімічного процесу: гетерогенні взаємодії. Під системою прийнято розуміти в хімії речовину або їх сукупність. Гомогенної вважають таку систему, яка складається з однієї фази (однакового агрегатного стану). В якості прикладу можна згадати суміш газів, кілька різних рідин. Гетерогенної є система, в якій реагують речовини знаходяться у вигляді газів і рідин, твердих тіл і газів. Не існує тільки залежність швидкості реакції від температури, але і від того, в якій фазі використовуються компоненти, що вступають у аналізується взаємодія. Для однорідного складу характерно протікання процесу по всьому об'єму, що істотно підвищує його якість. Якщо початкові речовини знаходяться в різних фазових станах, в такому випадку максимальна взаємодія спостерігається на межі розділу фаз. Наприклад, при розчиненні активного металу в кислоти, освіта продукту (солі) спостерігається тільки на поверхні їхнього зіткнення.

Математична залежність між швидкістю процесу і різними факторами

Як виглядає рівняння залежності швидкості хімічної реакції від температури? Для гомогенного процесу швидкість визначається кількістю речовини, яка вступає у взаємодію або утворюється в ході реакції в об'ємі системи за одиницю часу. Для гетерогенного процесу швидкість визначається через кількість речовини, що реагує або одержуваного в процесі на одиниці площі за мінімальний проміжок часу.

Фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції

Природа реагуючих речовин – одна з причин різної швидкості протікання процесів. Наприклад, лужні метали при кімнатній температурі утворюють з водою луги, причому процес супроводжується інтенсивним виділенням газоподібного водню. Благородні метали (золото, платина, срібло) не здатні до подібних процесів ні при кімнатній температурі, ні при нагріванні.
Природа реагуючих речовин – той фактор, який враховують у хімічній промисловості, щоб підвищити рентабельність виробництва. Виявлено залежність між концентрацією реагентів і швидкістю протікання хімічної реакції. Чим вона вище, тим більше частинок буде стикатися, отже, процес буде протікати швидше. Закон діючих мас в математичному вигляді описує прямо пропорційну залежність між концентрацією вихідних речовин і швидкістю протікання процесу. Він був сформульований у середині дев'ятнадцятого століття російським хіміком Н. Н. Бекетовим. Для кожного процесу визначається константа реакції, яка не пов'язана ні з температурою, ні з концентрацією, ні з природою реагуючих речовин. Для того щоб прискорити реакцію, в якій бере участь тверда речовина, потрібно подрібнити до порошкоподібного стану. При цьому відбувається зростання площі поверхні, що позитивно позначається на швидкості протікання процесу. Для дизельного палива застосовують спеціальну систему вприскування, завдяки чому при зіткненні її з повітрям швидкість процесу згоряння суміші вуглеводнів істотно зростає.

Нагрівання

Залежність швидкості хімічної реакції від температури пояснюється молекулярно-кінетичною теорією. Вона дозволяє провести розрахунок кількості зіткнень між молекулами реагентів при певних умовах. Якщо озброїтися такою інформацією, то при звичайних умовах процеси повинні протікати миттєво. Але якщо розглянути конкретний приклад залежності швидкості реакції від температури, виявляється, що для взаємодії необхідно спочатку розірвати хімічні зв'язки між атомами, щоб з них утворилися нові речовини. Це вимагає істотних витрат енергії. Яка залежність швидкості реакції від температури? Енергія активації визначає можливість розриву молекул, саме вона характеризує реальність процесів. Її одиницями вимірювання є кДж/моль. При недостатньому показнику енергії зіткнення буде малоефективним, тому воно не супроводжується утворенням нової молекули.

Графічне представлення

Залежність швидкості хімічної реакції від температури можна представити графічно. При нагріванні число зіткнень між частинками зростає, що сприяє прискоренню взаємодії.
Як виглядає графік залежності швидкості реакції від температури? По горизонталі відкладається енергія молекул, а по вертикалі вказується число частинок, що мають високий енергетичний запас. Графіком є крива, по якій можна судити про швидкість протікання конкретного взаємодії. Чим більше буде відміну енергії від середнього показника, тим далі розташовується від максимуму точка кривої, і менший відсоток молекул має такий запас енергії.

Важливі аспекти

Чи можна записати рівняння залежності константи швидкості реакції від температури? Її підвищення відображається на збільшенні швидкості процесу. Така залежність характеризується певною величиною, званої температурним коефіцієнтом швидкості процесу. Для будь-якої взаємодії виявлено залежність константи швидкості реакції від температури. В разі її підвищення на 10 градусів відбувається збільшення швидкості процесу в 2-4 рази. Залежність швидкості гомогенних реакцій від температури можна представити у математичному вигляді. Для більшості взаємодій при кімнатній температурі коефіцієнт знаходиться в діапазоні від 2 до 4. Наприклад, при значенні температурного коефіцієнта 29 зростання температури на 100 градусів прискорює процес майже в 50000 разів. Залежність швидкості реакції від температури легко можна пояснити різною величиною енергії активації. Мінімальну величину вона має при проведенні іонних процесів, які визначаються тільки взаємодією катіонів та аніонів. Численні експерименти свідчать про миттєве протіканні подібних реакцій. При високому значенні енергії активації лише незначна кількість зіткнень між частинками буде приводити до здійснення взаємодії. При середньому значенні енергії активації, реагенти будуть взаємодіяти з середньою швидкістю. Завдання на залежність швидкості реакції від концентрації і температури розглядаються тільки на старшій ступені навчання, часто викликають у дітей серйозні труднощі.

Вимірювання швидкості протікання процесу

Ті процеси, які потребують суттєвої енергії активації, передбачають початковий розрив або ослаблення зв'язків між атомами у вихідних речовинах. При цьому відбувається їх перехід у якесь проміжне стан, іменоване активованим комплексом. Він є нестійким станом, досить швидко розпадається на продукти реакції, процес супроводжується виділенням додаткової енергії. У найпростішому варіанті активоване комплекс є конфігурацією атомів з ослабленими старими зв'язками.

Інгібітори та каталізатори

Проаналізуємо залежність швидкості ферментативної реакції від температури середовища. Такі речовини здійснюють функцію прискорювачів процесу. Самі вони не є учасниками взаємодії, їх кількість після завершення процесу залишається без змін. Якщо каталізатори сприяють збільшенню швидкості реакції, то інгібітори, навпаки, уповільнюють цей процес. Суть цього полягає в утворенні проміжних сполук, в результаті чого і спостерігається зміна швидкості протікання процесу.

Висновок

У світі щохвилини відбуваються різноманітні хімічні взаємодії. Як встановити залежність швидкості реакції від температури? Рівняння Арреніуса є математичним поясненням зв'язку константи швидкості і температури. Воно дає уявлення про тих значеннях енергії активації, при яких можливе руйнування або ослаблення зв'язків між атомами в молекулах, розподіл часток у нові хімічні речовини. Завдяки молекулярно-кінетичної теорії можна передбачити ймовірність протікання взаємодій між вихідними компонентами, розраховувати швидкість протікання процесу. Серед тих факторів, які впливають на швидкість реакції, особливе значення має зміна температурного показника, процентної концентрації взаємодіючих речовин, площа поверхні зіткнення, присутність каталізатора (інгібітору), а також природа взаємодіючих компонентів.