Przeczytaj

bg‑blue

Szybkość reakcji chemicznej

Szybkość reakcji chemicznejszybkość reakcji chemicznejSzybkość reakcji chemicznej opisywana jest przez zmianę stężeniastężeniestężenia substratów lub zmianę stężenia produktów w jednostce czasu.

v = - \frac{zmiana stężenia substratu [\frac{mol}{{dm}^{3}}]}{przedział czasu [s]} [\frac{mol}{{dm}^{3} \cdot s}]

v = \frac{zmiana stężenia produktu [\frac{mol}{{dm}^{3}}]}{przedział czasu [s]} [\frac{mol}{{dm}^{3} \cdot s}]

Ilość substratu podczas reakcji maleje w jednostce czasu, dlatego przed zmianą stężenia substratu jest znak minus.

Ćwiczenie 1

Jak obliczyć szybkość reakcji chemicznej opisanej równaniem $A + B \to C$ , jeśli wiadomo, że w chwili rozpoczęcia reakcji stężenie substratu B w mieszaninie reakcyjnej wynosiło $5 \frac{mol}{{dm}^{3}}$ , a po 30 sekundach trwania reakcji jego stężenie wynosiło $3, 2 \frac{mol}{{dm}^{3}}$ ?

R13VesypfPxpY

Aby obliczyć szybkość reakcji, należy wykorzystać jeden z powyższych wzorów na szybkość reakcji chemicznej. Ponieważ w tym przykładzie dane mamy stężenia substratu w mieszaninie reakcyjnej, wykorzystujemy wzór:

v = - \frac{zmiana stężenia substratu [\frac{mol}{{dm}^{3}}]}{przedział czasu [s]}

Podstawiając do niego dane wartości.

v = - \frac{3,2 \frac{mol}{{dm}^{3}} - 5 \frac{mol}{{dm}^{3}}}{30 s} = 0,06 \frac{mol}{{dm}^{3} \cdot s}

Szybkość reakcji chemicznej wynosi $0,06 \frac{mol}{{dm}^{3} \cdot s}$ .

Szybkość reakcji chemicznych zależy od:

rodzaju oraz chemicznego charakteru reagujących substancji;
stężenia substratów;
temperatury;
ciśnienia (w przypadku substancji gazowych);
rodzaju rozpuszczalnika;
pHpHpH;
obecności katalizatorakatalizatorkatalizatora.

Wpływ stężenia reagentów na szybkość reakcji chemicznej może zostać wyznaczony eksperymentalnie poprzez zmianę stężenia jednego z reagentów w tych samych warunkach (ciśnienia i temperatury).

Stężenie reagentówreagentreagentów jest możliwe do oznaczenia, np. poprzez pomiar zmian ciśnienia (reakcje w fazie gazowej) lub pośrednio, np. dokonując pomiaru parametrów fizykochemicznych, takich jak:

pojawienie lub zanikanie barwy;
pojawienie lub zanikanie osadu lub zmętnienia;
pH;
przewodnictwoprzewodnictwo cieplneprzewodnictwo;
gęstośćgęstośćgęstość.

Polecenie 1

Jak szybko przebiegnie reakcja metalu z kwasem solnym w zależności od stężenia użytego kwasu?

Należy przygotować trzy probówki oraz drut żelazny.

Do każdej z probówek dodać 5 ${cm}^{3}$ kwasu solnego:

I probówka: 0,5 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ ;
II probówka: 2 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ ;
III probówka: 5 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ .

Dodaj taką samą ilość drutu żelaznego. Po kilku minutach porównaj procesy zachodzące w probówkach oraz zanotuj obserwacje i wnioski.

R3dVbG3T30xxP

Ilustracja przedstawiająca trzy probówki. W pierwszej znajduje się 5 centymetrów sześciennych wodnego roztworu kwasu solnego o stężeniu pół mola na decymetr sześcienny i temperaturze równej 20 stopni Celsjusza. W drugiej probówce znajduje się 5 centymetrów sześciennych wodnego roztworu kwasu solnego o stężeniu dwa mole na decymetr sześcienny i temperaturze równej 20 stopni Celsjusza. W trzeciej probówce znajduje się 5 centymetrów sześciennych wodnego roztworu kwasu solnego o stężeniu pięć moli na decymetr sześcienny i temperaturze równej 20 stopni Celsjusza. W każdej probówce umieszczono drut żelazny. — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

R1Bj1KIqnyLsb

Obserwacje: W probówce, która zawiera kwas solny o stężeniu 5 $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ , reakcja przebiega najszybciej.

Wnioski: Wzrost stężenia kwasu powoduje wzrost szybkości reakcji.

Wpływ stężenia substratów na szybkość reakcji chemicznej wyjaśnia teoria zderzeń aktywnych. Zwiększenie stężenia substratów na ogół zwiększa szybkość reakcji, ponieważ więcej reagujących cząsteczek lub jonów jest obecnych w celu wytworzenia produktów reakcji. Ze wzrostem stężenia rośnie liczba zderzeń, w tym również zderzeń efektywnychzderzenie efektywnezderzeń efektywnych. Im większe stężenie substratu, tym większe prawdopodobieństwo zderzenia. Zostało to zobrazowane na poniższym rysunku.

RfTe1NfKW8aq21

Ilustracja przedstawiająca dwa naczynia. W pierwszym znajdują się luźno rozmieszczone większe zielone kulki i mniejsze czerwone. Małe stężenie równa się duże średnie odległości między drobinami, z czego wynikają rzadkie zderzenia i mała szybkość reakcji. W drugim naczyniu znajdują się rozmieszczone bardzo blisko siebie większe zielone kulki i mniejsze czerwone. Duże stężenie równa się małe średnie odległości między drobinami, z czego wynikają częste zderzenia i większa szybkość reakcji. — Modelowe przedstawienie wpływu stężenia na szybkość reakcji w fazie gazowej. W przykładzie nr 1 stężenie jest mniejsze niż w przykładzie nr 2. Kulki na rysunku symbolizują dowolne indywidua chemiczne, których kształt może być inny niż kulisty.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Szybkość reakcji ogólnie zmienia się bezpośrednio ze zmianami stężenia substratów. Gdy stężenie wszystkich substratów wzrasta, więcej cząsteczek lub jonów reaguje, tworząc nowy produkt, a szybkość reakcji wzrasta. Gdy stężenie substratu zmniejsza się, występuje mniej cząsteczek lub jonów, to szybkość reakcji się zmniejsza.

Zależność szybkości reakcji chemicznej od stężenia substratów jest cechą indywidualną danej reakcji. Sposobem na jej ustalenie jest przeprowadzenie eksperymentu. Wyniki pomiarów zazwyczaj przedstawiane są w postaci równania kinetycznego, z którego wynika, że szybkość większości jednoetapowych reakcji chemicznych jest wprost proporcjonalna do stężenia substratów.

Równanie reakcji, w której szybkość reakcji zależna jest w sposób liniowy od stężenia jednego z substratów, można przedstawić za pomocą równania kinetycznego reakcji I rzędu:

v = k \cdot C_{A}

$v$ - szybkość reakcji chemicznej, $\frac{mol}{{dm}^{3} \cdot s}$ ;
$k$ - stała szybkości reakcji chemicznej;
$C_{A}$ - stężenie substratu A, $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ .

Równanie kinetyczne, w którym szybkość reakcji jest uzależniona w sposób wprost proporcjonalny do stężenia dwóch substratów, może przyjmować postać:

v = k \cdot C_{A} \cdot C_{B}

$v$ - szybkość reakcji chemicznej, $\frac{mol}{{dm}^{3} \cdot s}$ ;
$k$ - stała szybkości reakcji chemicznej;
$C_{A / B}$ - stężenie substratu A/B, $\frac{mol}{{dm}^{3}}$ .

Jednostka stałej szybkości reakcji zależy od rzędowości reakcji, z jaką mamy do czynienia. Rzędowość określamy jako sumę wykładników potęgowych, do których podniesione są stężenia substratów w równaniu kinetycznym. W naszych powyższych przypadkach mamy do czynienia kolejno z reakcją I i II rzędu. Wartość stałej szybkości reakcji zależy od temperatury układu reagującego, nie zależy natomiast od stężenia substratów i produktów.

Ćwiczenie 2

Oblicz, jak zmieni się szybkość reakcji chemicznej, która przebiega wg równania kinetycznego $v_{1} = k \cdot C_{A} \cdot C_{B}$ , jeżeli wartości stężeń $C_{A} i C_{B}$ zostaną zwiększone trzykrotnie.

R18OWs0QUgEBj

Równanie kinetyczne przed zwiększeniem stężenia substratów: $v_{1} = k \cdot C_{A} \cdot C_{B}$ . Równanie kinetyczne po trzykrotnym zwiększeniu wartości stężenia substratów $v_{2} = k \cdot 3 \cdot C_{A} \cdot 3 \cdot C_{B}$

$v_{2} = 9 \cdot k \cdot C_{A} \cdot C_{B}$

$\frac{v_{2}}{v_{1}} = \frac{9 \cdot k \cdot C_{A} \cdot C_{B}}{k \cdot C_{A} \cdot C_{B}} \frac{v_{2}}{v_{1}} = 9$

Ćwiczenie 3

Pewną reakcję chemiczną, przebiegającą w fazie gazowej, można opisać następującym równaniem kinetycznym: $v = k \cdot C_{A} \cdot C_{B}^{2}$ (gdzie $C_{A}$ i $C_{B}$ to stężenia molowe substratów A i B).

Oblicz, jak zmieni się szybkość tej reakcji, jeśli przy niezmienionej liczbie moli reagentów, do jej przeprowadzenia zastosujemy naczynie o trzykrotnie mniejszej pojemności.

R19q4iJoWFdiH

Zastanów się w jaki sposób zmiana objętości naczynia reakcyjnego wpływa na stężenie reagentów w fazie gazowej. Skorzystaj ze wzoru: $C = \frac{n}{V}$ .

Zgodnie ze wzorem: $C = \frac{n}{V}$ , przy niezmienionej liczbie moli reagenta (n), po zmniejszeniu objętości układu reakcyjnego (V), stężenie tego reagenta (C) powinno wzrosnąć.

Trzykrotne zmniejszenie objętości naczynia reakcyjnego powoduje trzykrotny wzrost stężenia każdego z umieszczonych w nim reagentów.

Podstawiając do równania kinetycznego:

v_{k} = k \cdot (3 \cdot C_{A}) \cdot {(3 \cdot C_{B})}^{2} = 27 \cdot k \cdot C_{A} \cdot C_{B}^{2}

Zatem:

\frac{v_{k}}{v} = \frac{27 \cdot k \cdot C_{A} \cdot C_{B}^{2}}{k \cdot C_{A} \cdot C_{B}^{2}} = 27

v_{k} = 27 \cdot v

bg‑blue

Jak wpływa moc kwasu na szybkość reakcji chemicznej?

Możliwe jest również porównanie szybkości reakcji chemicznej w zależności od mocy kwasumoc kwasumocy kwasu. Można to zobrazować na przykładzie reakcji kwasu solnego oraz ortofosforowego(V) z magnezem. Do obu reakcji należy użyć takie same objętości oraz jednakowe stężenia molowe kwasów i taką samą ilość magnezu.

Mg + 2 HCl \to {MgCl}_{2} + H_{2} ↑

3 Mg + 2 H_{3} {PO}_{4} \to {Mg}_{3} ({PO}_{4})_{2} + 3 H_{2} ↑

Reakcja magnezu z kwasem ortofosforowym(V) przebiega wolniej niż w przypadku reakcji z kwasem solnym, chociaż do reakcji użyto takich samych objętości oraz jednakowych stężeń molowych obu kwasów. Wynika to z faktu, że szybkość reakcji chemicznej kwasu z metalem jest zależna od stężenia jonów $H_{3} O^{+}$ , które pochodzą z dysocjacji elektrolitycznej kwasu.

Mg + 2 H_{3} O^{+} \to {Mg}^{2 +} + H_{2} ↑ + 2 H_{2} O

Stężenie kationów oksoniowych w mocnym kwasie solnym jest równe jego stężeniu. Jeśli chodzi o kwas ortofosforowy(V), jego moc jest mniejsza od mocy kwasu solnego, więc stężenie kationów oksoniowych jest mniejsze od całkowitego stężenia kwasu. W obu omawianych przypadkach objętość wodoru, która wydziela się podczas reakcji magnezu z kwasami, jest taka sama, co można wywnioskować z jonowego zapisu równań obu reakcji.

Szybkość reakcji chemicznej opisywana jest przez zmianę stężenia substratów lub produktów w jednostce czasu. Aby reakcja biegła szybciej, można zwiększyć stężenia reagentów, zwiększając tym samym liczbę reagujących cząstek. Przedstawia to proste doświadczenie, które zostało zobrazowane powyżej.

Słownik

szybkość reakcji chemicznej

zmiana stężenia reagentów (substratów lub produktów) w jednostce czasu

katalizator

substancja, która zwiększa (lub zmniejsza) szybkość reakcji chemicznej, nie naruszając stanu końcowej równowagi i właściwości termodynamicznych układu, pozostaje w stanie niezmienionym po zakończeniu reakcji

stężenie

miara ilości substancji (pierwiastka, związku chemicznego, jonu bądź innego indywiduum chemicznego) w mieszaninie

reagent

substancja biorąca udział w reakcji chemicznej (substraty i produkty)

enzymy

(gr. en zýmē „w zaczynie”) biokatalizatory, dawniej fermenty, białkowe katalizatory reakcji chemicznych w układach biologicznych

przewodnictwo cieplne

fiz. proces przepływu ciepła w ośrodkach ciągłych (stałych, ciekłych i gazowych), polegający na przekazywaniu energii kinetycznej bezładnego ruchu cząsteczek ośrodka z części układu o wyższej temperaturze do cząsteczek z części układu o temperaturze niższej

gęstość

wielkość fizyczna, charakteryzująca rozkład przestrzenny rozważanej wielkości fizycznej, np. masy, siły, pędu, energii, ładunku elektrycznego

zderzenie efektywne

w kinetyce chemicznej oznacza takie zderzenie drobin substratów, w wyniku którego dochodzi do utworzenia bądź zerwania wiązań chemicznych

wykładnik jonów $H_{3} O^{+}$ ; wielkość stosowana do określania odczynu roztworu

moc kwasu

termin umowny, rozumiany jako zdolność kwasu do ulegania procesowi dysocjacji elektrolitycznej

Bibliografia

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

encyklopedia.pwn.pl

Wprowadzenie

Symulacja interaktywna

Szybkość reakcji chemicznej

Jak wpływa moc kwasu na szybkość reakcji chemicznej?

Słownik

Bibliografia