Chemia to nauka nie tylko o tym, co reaguje, ale także jak szybko zachodzą przemiany. Niektóre reakcje przebiegają niemal natychmiast – jak spalanie gazu w kuchence – inne zaś mogą trwać bardzo długo, jak rdzewienie żelaza czy powstawanie skał.

Szybkość reakcji chemicznej jest jednym z kluczowych zagadnień chemii, ponieważ pozwala zrozumieć, dlaczego jedne procesy zachodzą szybciej od innych oraz jak można je kontrolować. Wiedza ta ma ogromne znaczenie w życiu codziennym i przemyśle – od produkcji leków, przez konserwację żywności, aż po ochronę środowiska.

Na szybkość reakcji wpływa wiele czynników, takich jak temperatura, stężenie reagentów, obecność katalizatora czy stopień rozdrobnienia substancji. Zrozumienie tych zależności pozwala nie tylko przewidywać przebieg reakcji, ale także świadomie nimi sterować.

Szybkość reakcji chemicznej

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

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

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 ${\mathrm{cm}}^3$ kwasu solnego:

• I probówka: 0,5 $\frac{\mathrm{mol}}{{\mathrm{dm}}^3}$;

• II probówka: 2 $\frac{\mathrm{mol}}{{\mathrm{dm}}^3}$;

• III probówka: 5 $\frac{\mathrm{mol}}{{\mathrm{dm}}^3}$.

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.

R1Bj1KIqnyLsb

Obserwacje: (Uzupełnij) Wnioski: (Uzupełnij).

Pokaż odpowiedź

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

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:

• $v$ - szybkość reakcji chemicznej, $\frac{\mathrm{mol}}{{\mathrm{dm}}^3\cdot \mathrm{s}}$;

• $k$ - stała szybkości reakcji chemicznej;

• $C_A$ - stężenie substratu A, $\frac{\mathrm{mol}}{{\mathrm{dm}}^3}$.

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

• $v$ - szybkość reakcji chemicznej, $\frac{\mathrm{mol}}{{\mathrm{dm}}^3\cdot \mathrm{s}}$;

• $k$ - stała szybkości reakcji chemicznej;

• $C_{A/B}$ - stężenie substratu A/B, $\frac{\mathrm{mol}}{{\mathrm{dm}}^3}$.

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.

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.

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 ${\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$, które pochodzą z dysocjacji elektrolitycznej kwasu.

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.