Wprowadzenie do chemii
cel nauki
- wyjaśnij, jak stężenie, powierzchnia, ciśnienie, temperatura i dodatek katalizatorów wpływają na szybkość reakcji
kluczowe punkty
- gdy stężenie reagentów jest podniesione, reakcja przebiega szybciej. Wynika to ze wzrostu liczby cząsteczek, które mają minimalną wymaganą energię. W przypadku gazów zwiększenie ciśnienia ma taki sam efekt jak zwiększenie stężenia.
- gdy reagują ciała stałe i ciecze, zwiększenie powierzchni ciała stałego zwiększy szybkość reakcji. Zmniejszenie wielkości cząstek powoduje wzrost całkowitej powierzchni ciała stałego.
- podniesienie temperatury reakcji o 10 °C może podwoić lub potroić szybkość reakcji. Wynika to ze wzrostu liczby cząstek, które mają minimalną wymaganą energię. Szybkość reakcji zmniejsza się wraz ze spadkiem temperatury.
- katalizatory mogą obniżyć energię aktywacji i zwiększyć szybkość reakcji bez zużywania się w reakcji.
- Różnice w wewnętrznej strukturze reagentów mogą prowadzić do różnic w szybkości reakcji. Cząsteczki połączone silniejszymi wiązaniami będą miały niższy wskaźnik reakcji niż cząsteczki połączone słabszymi wiązaniami, ze względu na zwiększoną ilość energii potrzebną do zerwania silniejszych wiązań.
Warunki
- substancja katalizująca, która zwiększa szybkość reakcji chemicznej bez zużywania się w procesie.
- energia aktywacji minimalna ilość energii, jaką muszą posiadać cząsteczki, aby reakcja mogła wystąpić po zderzeniu.
stężenia reagentów
zwiększenie stężenia reagentów powoduje, że reakcja zachodzi szybciej. Aby doszło do reakcji chemicznej, musi istnieć pewna liczba cząsteczek o energiach równych lub większych od energii aktywacji. Wraz ze wzrostem stężenia liczba cząsteczek o minimalnej wymaganej energii wzrośnie, a zatem szybkość reakcji wzrośnie. Na przykład, jeśli jedna na milion cząstek ma wystarczającą energię aktywacji, to ze 100 milionów cząstek tylko 100 zareaguje. Jednakże, jeśli mamy 200 milionów tych cząstek w tej samej objętości, to 200 z nich reaguje. Podwajając stężenie, szybkość reakcji również podwoiła się.
Pole powierzchni
w reakcji między ciałem stałym a cieczą pole powierzchni ciała stałego ostatecznie wpływa na szybkość reakcji. Dzieje się tak, ponieważ ciecz i ciało stałe mogą wpadać na siebie tylko na styku ciecz-ciało stałe, który znajduje się na powierzchni ciała stałego. Cząsteczki stałe uwięzione w ciele stałym nie mogą reagować. Dlatego zwiększenie powierzchni ciała stałego naraża na działanie cieczy więcej cząsteczek ciała stałego, co pozwala na szybszą reakcję.
na przykład rozważ cegłę o wymiarach 6 x 6 x 2 cale. Powierzchnia odsłoniętych powierzchni cegły wynosi 4(6 \ razy 2)+2 (6\razy 6)=120\; cm^2. Kiedy cegła jest rozłożona na dziewięć mniejszych kostek, każda kostka ma pole powierzchni 6 (2 \ razy 2) = 24 \ cm^2, więc całkowita powierzchnia dziewięciu kostek wynosi 9 \ razy 24 = 216 \ cm^2.
To pokazuje, że całkowita odsłonięta powierzchnia wzrośnie, gdy większe ciało zostanie podzielone na mniejsze części. Dlatego, ponieważ reakcja zachodzi na powierzchni substancji, zwiększenie powierzchni powinno zwiększyć ilość substancji, która jest dostępna do reakcji, a tym samym zwiększy szybkość reakcji.
ciśnienie
Zwiększenie Ciśnienia dla reakcji z udziałem gazów zwiększy szybkość reakcji. Gdy zwiększasz ciśnienie gazu, zmniejszasz jego objętość (PV=nRT; P I V są odwrotnie powiązane), podczas gdy liczba cząstek (n) pozostaje niezmieniona. Dlatego rosnące ciśnienie zwiększa stężenie gazu (n / V) i zapewnia częstsze zderzanie się cząsteczek gazu. Należy pamiętać, że ta logika działa tylko dla gazów, które są wysoce ściśliwe; zmiana ciśnienia dla reakcji, która obejmuje tylko ciała stałe lub ciecze, nie ma wpływu na szybkość reakcji.
Temperatura
eksperymentalnie zaobserwowano, że wzrost temperatury o 10 °C Zwykle podwaja lub potraja szybkość reakcji między cząsteczkami. Minimalna energia potrzebna do reakcji, znana jako energia aktywacji, pozostaje taka sama wraz ze wzrostem temperatury. Jednak średni wzrost energii kinetycznej cząstek spowodowany przez pochłonięte ciepło oznacza, że większa część reagujących cząsteczek ma teraz minimalną energię niezbędną do zderzenia i reakcji. Wzrost temperatury powoduje wzrost poziomu energii cząsteczek zaangażowanych w reakcję, więc szybkość reakcji wzrasta. Podobnie szybkość reakcji zmniejszy się wraz ze spadkiem temperatury.
obecność lub brak katalizatora
katalizatory są substancjami, które zwiększają szybkość reakcji poprzez obniżenie energii aktywacji potrzebnej do wystąpienia reakcji. Katalizator nie ulega zniszczeniu ani zmianie podczas reakcji, więc można go ponownie wykorzystać. Na przykład w zwykłych warunkach H2 I O2 nie łączą się. Jednak łączą się w obecności niewielkiej ilości platyny, która działa jako katalizator, a reakcja zachodzi szybko.
charakter reagentów
substancje różnią się znacznie w tempie, w jakim ulegają zmianom chemicznym. Różnice w reaktywności między reakcjami można przypisać różnym strukturom zaangażowanych materiałów; na przykład, czy substancje znajdują się w roztworze, czy w materiałach stałych. Inny czynnik ma do czynienia z względną moc wiązania w cząsteczkach reagentów. Na przykład, reakcja między cząsteczkami z atomami, które są związane przez silne wiązania kowalencyjne będzie odbywać się wolniej niż reakcja między cząsteczkami z atomami, które są związane przez słabe wiązania kowalencyjne. Wynika to z faktu, że potrzeba więcej energii, aby przerwać wiązania silnie związanych cząsteczek.