Przeczytaj

bg‑gray1

Kinetyka chemiczna

Dział chemii, który bada szybkość i ustala mechanizmy reakcji chemicznych oraz zajmuje się wpływem różnych czynników (np. stężenia reagentów, temperatury, ciśnienia, katalizatorów, promieniowania) na ich przebieg, znany jest jako kinetyka chemicznakinetyka chemicznakinetyka chemiczna. Wiedza na ten temat jest przydatna szczególnie przy badaniu lub projektowaniu procesów chemicznych oraz kierowaniu nimi w skali przemysłowej. Poznanie mechanizmu reakcji pozwala przewidzieć teoretycznie korzystne warunki dla szybkiego przebiegu reakcji. Kinetyka chemiczna opisuje za pomocą równań matematycznych procesy zachodzące w mieszaninie reakcyjnej. Równanie, które opisuje szybkość reakcji, wyznacza się doświadczalnie, dlatego możliwe jest dokładne przewidywanie zależności szybkości reakcji od różnych czynników (jak temperatura czy stężenie substratów).

Ciekawostka

Ludwig Ferdinand Wilhelmy – znany niemiecki fizyk oraz chemik, jeden z twórców kinetyki chemicznej. Urodził się w Stargardzie (Polska) w $1812$ roku, studiował w Heidelbergu, kończąc doktorat w $1846$ roku. W swojej pracy naukowej badał właśnie szybkość reakcji chemicznych. Jego praca, w dziedzinie kinetyki chemicznej, dotyczyła katalizowanej kwasem przemiany roztworu sacharozy w mieszaninę fruktozy i glukozy, którą śledził za pomocą polarymetru. W $1850$ roku udało mu się ukończyć badania. Wyprowadził także równanie różniczkowe do opisania reakcji, zintegrowane i wykorzystane do interpretowania jego doświadczeń. Wilhelmy stwierdził, że szybkość reakcji była proporcjonalna do stężenia sacharozy i obecnego kwasu. Zbadał również wpływ temperatury na szybkość reakcji chemicznej.

bg‑gray1

Podział reakcji chemicznych ze względu na szybkość ich zachodzenia

Reakcje chemiczne mogą zachodzić z różną szybkością. Ze względu na ten aspekt, możemy je podzielić na dwa rodzaje:

reakcje zachodzące z niewielką szybkością, gdzie jako przykład można podać wietrzenie skał wapiennych (które może trwać nawet tysiące lat) czy korozję metali;
reakcje zachodzące szybko, gdzie przykładem mogą być reakcje spalania (np. spalanie benzyny w silnikach samochodowych czy spalanie gazu ziemnego w kuchenkach domowych).

R1H1SDcJarAs5

Zdjęcie przedstawia stary model samochodu, którego karoseria pokryta jest rdzą. — Korozja metali (łac. *corrosio* „zżeranie”) to proces stopniowego niszczenia struktury metalu, w wyniku jego chemicznych reakcji ze składnikami otoczenia lub procesów elektrochemicznych. W wielu przypadkach, kierunek przemian i ich szybkość zależą również od czynników fizycznych (np. naprężenia w elementach obciążonej konstrukcji, zewnętrzne pole elektryczne, promieniowanie) lub mikrobiologicznych. Rdzewienie żelaza jest powolnym procesem.
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

R3s71itsWR0qt

Zdjęcie przedstawia fragment skały z wyżłobionym otworem. W większym otworze znajdują się dwie kolejne dziury. Przez otwory widać las. — Przykładem wietrzenia chemicznego jest roztwarzanie skał wapiennych, czego efektem jest powstawanie m.in. jaskiń i ich szaty naciekowej (np. stalagmitów i stalaktytów). Na ilustracji jaskinia Maurycego w Sokolich Górach (Wyżyna Krakowsko‑Częstochowska). Szybkość tej reakcji jest niewielka.
Źródło: fot. K. Pietras, licencja: CC BY-SA 3.0.

RQ6oyGcHnDyXn

Zdjęcie przestawia pożar trawiący stosy drewnianych palet. — Spalanie to egzotermiczna reakcja chemiczna, która przebiega pomiędzy paliwem lub materiałem palnym a utleniaczem. Dzięki niej wydziela się ciepło i światło. Reakcja spalania drewna to reakcja szybka.
Źródło: dostępny w internecie: pixabay.com, domena publiczna.

Ważne!

Przy temacie szybkości warto również zwrócić uwagę na rozróżnienie pojęć szybkości oraz prędkości. Słowa te w języku polskim używane są często zamiennie, jednak w naukach przyrodniczych mają osobne znaczenia. Szybkość to termin określający tempo zmian, np. szybkość parowania, szybkość fermentacji. Prędkość jest częściej używana do opisu ruchu za pomocą wektorów (np. prędkość obrotowa, prędkość radialna).

W chemii do określania tempa zachodzącej reakcji używa się pojęcia szybkości. Zwraca się uwagę na to, jak szybko zużywają się substraty lub powstają produkty. Szybkość reakcji chemicznejszybkość reakcji chemicznejSzybkość reakcji chemicznej jest więc wyrażana przez zmianę stężenia podzieloną przez czas, w którym ta zmiana zachodzi.

$v = \frac{z m i a n a s t ę ż e n i a p r o d u k t u}{p r z e d z i a ł c z a s u}$

$v = - \frac{z m i a n a s t ę ż e n i a s u b s t r a t u}{p r z e d z i a ł c z a s u}$

$v$ – szybkość reakcji chemicznej

Ilość substratu podczas reakcji maleje w jednostce czasu (ubytek stężenia substratu), dlatego przed zmianą stężenia substratu jest znak minus. Dodatni znak przed równaniem oznacza przyrost stężenia produktu.

Jednostką szybkości jest $\frac{mol}{{dm}^{3} \cdot s}$ .

R168Ai4dmfQxZ

Wykres zależności czasu (oś X) od stężenia w molach na decymetr sześcienny (oś Y). Na wykresie są dwie krzywe. Jedna przedstawia stężenie produktów, druga stężenie substratów. Krzywa stężenie substratów rozpoczyna się na osi Y, po czym opada łukiem w dół na linię czasu. Krzywa jest wklęsła. Krzywa stężenia produktów biegnie od wartości zero łagodnie w górę, a potem równolegle do osi czasu. Krzywe przecinają się w początkowej fazie. Potem biegną równolegle, oddalone od siebie. — Zmiana stężenia substratów i produktów w czasie
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zazwyczaj szybkość reakcji zmienia się w czasie. W większości przypadków, szybkość reakcji jest największa na początku reakcji, później stopniowo maleje. Dzieje się tak, ponieważ zmiany (ubytki) stężenia substratów są największe na początku reakcji (porównaj zmiany stężenia reagentów na początku i końcu reakcji chemicznej uwidocznione na powyższym wykresie). Coraz niższe stężenia substratów w miarę czasu trwania reakcji sprawiają, że szybkość reakcji maleje.

Dzieląc ilość substratu, który uczestniczy w przemianie, przez całkowity czas przebiegu reakcji, otrzymuje się średnią szybkość reakcjiśrednią szybkość reakcji.

Ry8Yhq83Jepmz

Wykres zależności czasu (oś X) do szybkości reakcji w molach na decymetr sześcienny mnożone przez s do potęgi -1 (oś Y). Krzywa bierze początek dosyć wysoko na osi Y, po czym opada wklęsłym łukiem w dół do wartości blisko końca osi czasu. Linią przerywaną zaznaczono szybkość średnią. Linię tę poprowadzono równolegle do osi X poniżej połowy krzywej. — Wykres przedstawiający zależność szybkości reakcji od czasu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Średnia szybkość reakcji chemicznej to zmiana stężenia reagentów w określonym przedziale czasu.

Kinetyka chemiczna wprowadza również pojęcie chwilowej szybkości reakcjichwilowa szybkość reakcji chemicznejchwilowej szybkości reakcji. Najdokładniejszy pomiar szybkości w danej chwili można wykonać określając zmianę stężenia substratu lub produktu, w jak najmniejszych odstępach czasu deltat. Idealny przypadek jest wtedy, gdy wartość deltat jest zbliżona do zera (deltat→0) oraz zmiana stężeń reagentów również jest bliska 0 (deltac→0). Możliwe jest wówczas obliczenie szybkości reakcji w danej chwili.

Każdą reakcję chemiczną można spowolnić lub przyspieszyć przez zmianę warunków, w jakiej zachodzi.

Ciekawostka

Pomiar szybkości reakcji

Aby określić szybkość reakcji chemicznej w określonych odstępach czasu, pobiera się próbki reagującego układu i oznacza się w nich stężenie substratu lub produktu. W tym celu można zastosować klasyczne metody chemii analitycznej (miareczkowanie, wytrącanie osadów). Dokładniejszy wynik można otrzymać stosując metody spektroskopowe (pomiar absorpcji światła, współczynnik załamania, skręcalność optyczną).

R1DpSkJJPgtmM

Alkacymetria, czyli miareczkowanie oparte na reakcji zobojętniania. Titrant, reagując z analitem, zmienia pH układu. Zmiany pH można obserwować dzięki zastosowaniu chemicznych wskaźników pH lub mierzyć za pomocą pH‑metrów.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej przedstawiono na poniższej mapie myśli.

R6mWDhT8Nn8h71

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

Słownik

kinetyka chemiczna

dział chemii fizycznej zajmujący się opisem zmian stężeń reagentów w czasie, spowodowanych przebiegiem reakcji chemicznych, badaniem szybkości reakcji chemicznych, ustalaniem ich mechanizmu, a także wpływem różnych czynników (np. stężenia reagentów, temperatury, katalizatorów, promieniowania) na ich przebieg

szybkość reakcji chemicznej

zmiana stężenia reagentów (substratów lub produktów) w jednostce czasu

średnia szybkość reakcji chemicznej

zmiana stężenia reagentów w określonym przedziale czasu

chwilowa szybkość reakcji chemicznej

zmiana stężenia substratu lub produktu w jak najmniejszych odstępach czasu deltat

miareczkowanie

chemiczny sposób postępowania w analizie miareczkowej, polegający na dodawaniu (małymi porcjami) mianowanego roztworu (miano titrantu) do roztworu substancji oznaczanej

titrant

roztwór mianowany stosowany w analizie chemicznej do miareczkowania

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemical Principles: The Quest for Insight, wyd. 5, New York 2009.

Bielański A., Podstawy Chemii Nieorganicznej, Warszawa 2010.

Cotton F.A., Wilkinson G., Gaus P.I.,Chemia Nieorganiczna Podstawy, Warszawa 2002.

Encyklopedia PWN

Witowski D., Chemia. Zbiór zadań wraz z odpowiedziami, Łańcut 2015.

Wprowadzenie

Film samouczek

Kinetyka chemiczna

Podział reakcji chemicznych ze względu na szybkość ich zachodzenia

Słownik

Bibliografia