Czy rozdrobnienie substratów ma wpływ na szybkość reakcji chemicznej?

Chemicy, chcąc otrzymać produkt do dalszego użytku, muszą taką reakcję chemiczną zaplanować. Aby proces był korzystny, musi zachodzić w odpowiednim tempie. Gdyby wytwarzanie płynu czyszczącego czy płynu hamulcowego trwało ponad rok, nie byłoby to w ogóle opłacalne. Podobnie byłoby w sytuacji, gdyby produkcja zachodziła zbyt szybko – mogłoby to grozić wybuchem. Dlatego m.in. laboranci wolą kontrolować szybkość reakcji chemicznychszybkość reakcji chemicznejszybkość reakcji chemicznych. W niektórych przypadkach można przyspieszyć reakcje, które są zbyt wolne, lub spowolnić, kiedy są one zbyt szybkie. Chcąc uzyskać kontrolę nad szybkością reakcji chemicznej, należy znać czynniki na nią wpływające.

Do takich czynników, wpływających na szybkość reakcji chemicznych, zaliczamy:

temperaturę;
stężenie reagentów;
ciśnienie (dla reakcji, w których występuje faza gazowa);
rozdrobnienie substratówsubstratsubstratów;
katalizatory.

R1Q1crbZwbgbK1

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciekawostka

Silniki samochodowe wykorzystują efekty powierzchniowe do zwiększenia szybkości reakcji. Do każdego cylindra wtryskiwana jest benzyna, która pali się podczas zapłonu przez iskrę ze świecy zapłonowej. Wtryskuje się ją w postaci mikroskopijnych kropelek, ponieważ ma wtedy znacznie większą powierzchnię i może spalać się o wiele szybciej, niż gdyby była podawana do cylindra jako strumień cieczy. Ten przykład pokazuje, że rozdrobnienie substratów wpływa na szybkość reakcji chemicznej, co jest wykorzystywane nie tylko w chemii, ale również w życiu codziennym.

RsV90OT2qYqbo

Na zdjęciu znajduje się silnik samochodowy, który wbudowany jest pod maską samochodu. — Autorem koncepcji silnika spalinowego był Philippe Lebon, a pierwszy silnik, który można było zastosować, stworzył Étienne Lenoir w $1860$ r.
Źródło: paulbr75, dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

bg‑cyan

Rozdrobnienie substratów a szybkość reakcji chemicznej

Duży wpływ na szybkość reakcji ma stopień rozdrobnienia substratów. Wynika to faktu, że reakcja chemiczna może zachodzić tylko w miejscu, w którym reagujące substancje stykają się ze sobą, np. na powierzchni metalu zanurzonego w roztworze. Im powierzchnia styku jest większa, tym szybkość reakcji chemicznej wzrasta. Dlatego rozdrobnienie substratu wpływa na zwiększenie jego powierzchni, z kolei zwiększenie powierzchni, gdzie może zachodzić reakcja, powoduje zwiększenie szybkości reakcji.

RRSwXqU5HvH2g

Ilustracja przedstawia dwa szklane naczynia stojące obok siebie oznaczone numerem 1 i 2. W obydwu naczyniach w cieczy w postaci jasnobrązowych kulek znajdują się atomy magnezu oraz w postaci niebieskich kulek są kationy wodoru. W naczyniu numer 1 na dnie są małe czarne kulki, przylegają do siebie - to aniony chlorkowe. W naczyniu numer 2 aniony chlorkowe występują pomiędzy atomami magnezu i kationami wodoru w postaci złączonych trzech lub dwóch czarnych kulek. — Ilustracja przedstawia sytuację chwilową w momencie wrzucenia odpowiednio wstążki magnezowej (krystalizator $1$ .) i pyłu magnezowego (krystalizator $2$ .). W krystalizatorze $2$ . "dostęp" kationów wodoru do atomów magnezu jest większy zatem szybkość zachodzenia reakcji w krystalizatorze $2$ . będzie większa.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Na przykład, jeśli dodamy kawałek metalu do zlewki z kwasem, kwas początkowo będzie oddziaływać na zewnętrzną część metalu. Wewnętrzna część zacznie reagować dopiero, gdy zewnętrzna się roztworzy. Z drugiej strony, jednakowa ilość proszku metalicznego reaguje szybciej w kwasie, ponieważ jego postać posiada większą powierzchnię aktywną. Tym samym wzrasta możliwość zderzeń aktywnychteoria zderzeńzderzeń aktywnych. Kwas roztwarza więc proszek metaliczny równomiernie.

Polecenie 1

Oblicz powierzchnię sześcianu o boku $1 cm$ . Teraz wyobraź sobie, że tę kostkę przekrojono na pół. Oblicz, jakie jest teraz pole powierzchni obu figur. Następnie, tak powstałe figury, znowu przekrojono na pół. Jakie jest teraz pole powierzchni wszystkich figur? Jak zmienia się pole powierzchni figur przy rozdrabnianiu substancji?

Ru3F9IGjUuvCl

RUCC8lakzTpaL

Krok $1$ . Obliczamy pole powierzchni sześcianu o boku $1 cm$ .

Wzór na pole sześcianu:

P_{c} = 6 a^{2}

Pole sześcianu o boku $1 cm$ :

P_{c} = 6 {cm}^{2}

Krok $2$ . Ten sześcian przedzielono na pół i otrzymano dwie figury, które łącznie mają większe pole.

Otrzymane figury to dwa równe prostopadłościany z bokami o następujących długościach:

a = 0,5 cm

b = 1 cm

c = 1 cm

Wzór na pole powierzchni prostopadłościanu:

P_{c} = 2 (a b + b c + a c)

Pole powierzchni pierwszego prostopadlościanu:

P_{1} = 2 (0,5 cm \cdot 1 cm + 1 cm \cdot 1 cm + 0,5 cm \cdot 1 cm) = 4 {cm}^{2}

Pole powierzchni drugiego prostopadłościanu:

P_{2} = 2 (0,5 cm \cdot 1 cm + 1 cm \cdot 1 cm + 0,5 cm \cdot 1 cm) = 4 {cm}^{2}

Suma powierzchni postopadłościanów:

P_{1} + P_{2} = 4 {cm}^{2} + 4 {cm}^{2} = 8 {cm}^{2}

Krok $3$ . W kolejnym kroku ponownie przedzielono na pół obie figury, otrzymując w sumie cztery równe prostopadłościany.

Otrzymane figury to cztery równe prostopadłościany z bokami o następujących długościach:

a = 0,5 cm

b = 0,5 cm

c = 1 cm

Wzór na pole powierzchni prostopadłościanu:

P_{c} = 2 (a b + b c + a c)

Pola powierzchni prostopadłościanów:

P_{1} = P_{2} = P_{3} = P_{4} = 2 (0,5 cm \cdot 0,5 cm + 0,5 cm \cdot 1 cm + 0,5 cm \cdot 1 cm) = 2,5 {cm}^{2}

Suma pól powierzchni wszystkich czterech prostopadłościanów:

P_{1} + P_{2} + P_{3} + P_{4} = 2,5 {cm}^{2} + 2,5 {cm}^{2} + 2,5 {cm}^{2} + 2,5 {cm}^{2} = 10 {cm}^{2}

bg‑cyan

Badanie wpływu stopnia rozdrobnienia substratu na szybkość reakcji

Polecenie 2

Doświadczenie

Badanie wpływu rozdrobnienia substratów na szybkość reakcji chemicznej.

Przeprowadzano doświadczenie, w którym zbadano wpływ stopnia rozdrobnienia cynku na szybkość reakcji z kwasem solnym. Do dwóch probówek dodano roztwory kwasu solnego o tym samym stężeniu i tej samej objętości. Do probówki A dodano pył cynkowy, a do probówki B granulki cynku. Jak myślisz, w której probówce reakcja zajdzie szybciej?

R1GqxfsO4XvnS1

Na ilustracji znajdują się dwie probówki z przezroczystą cieczą. To 5 centymetrów sześciennych 0,5 mol/decymetr sześcienny roztworu HCl, temperatura 20 stopni Celsjusza. Do probówki numer 1 dodano substancję w postaci proszku - pył cynkowy, do drugiej dodano granulki cynku. — Schematyczne przedstawienie przeprowadzonego doświadczenia
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W poniższym arkuszu uzupełnij obserwacje, wnioski oraz ich wyjaśnienie.

R1ctx832J5z79

bg‑cyan

Powierzchnia kontaktu reagujących substratów kluczem do zwiększenia szybkości reakcji chemicznej

Rozdrobnienie substratów ma wpływ na szybkość reakcji. Im bardziej rozdrobnione ciało stałe, większa powierzchnia styku, tym więcej indywiduów zderza sięzderzenie efektywnezderza się ze sobą i wzrasta szybkość reakcji chemicznej. Aby więc przyspieszyć reakcję chemiczną, należy zwiększyć powierzchnię kontaktu reagujących substratów, czyli je rozdrobnić. Czasami, jak w przypadku mąki, jest to niekorzystne zjawisko. W zakładach, gdzie używa się dużych ilości mąki pszennej, zabronione jest używanie otwartego ognia, a maszyny, które pracują w tych pomieszczeniach, muszą mieć dokładnie nasmarowane wszystkie elementy, gdzie następuje tarcie. W przeciwnym wypadku może dojść do wytworzenia iskry, a rozpylona w powietrzu mąka może spowodować wybuch. Podobnie zachowuje się żelazo w postaci nanoproszku – w połączeniu z powietrzem może dojść do wybuchu, co również jest spowodowane rozdrobnieniem i dużą powierzchnią tych substancji.