Dodaj do listy

Kinetyka chemiczna

Kilka słów wstępu na temat kinetyki chemicznej.

Przeprowadzane doświadczenia laboratoryjne i obserwacja zachodzących reakcji chemicznych nasunęła chemikom wiele pytań. Zaczęto się zastanawiać od czego zależy, że jedne reakcje przebiegają niezwykle szybko, a na efekty innych trzeba czekać dużo dłużej. Zadawano sobie również pytania, co można uczynić, by przyspieszyć niektóre z nich. Rozważania te przyczyniły się powstania nowej gałęzi chemii, określanej jako kinetyka chemiczna.

Zgodnie z definicją, kinetyką chemiczną nazywa się dział chemii zajmujący się szybkością reakcji chemicznej oraz badaniem mechanizmów reakcji.

Podział reakcji chemicznych.

Jak wiadomo reakcje chemiczne potrafią zachodzić z różnymi prędkościami. Jedne szybko inne wolno. Przykładem reakcji, która wykazuje się dużą szybkością jest reakcja kwasu solnego z zasadą sodową:

HCl + NaOH → NaCl + H2O

Proces ten następuje tak szybko, z wykorzystaniem całości substratów, iż trudno określić poszczególne etapy tej reakcji.

Odmienna sytuacja jest z tzw. reakcjami wolnymi. W ich przypadku trudno zaobserwować jakiekolwiek zmiany. Często postęp reakcji widoczny jest dopiero po wielu latach. Z sytuacja taka mamy do czynienia, jeżeli zmieszamy wodór z tlenem. Bez obecności katalizatorów oraz w temperaturze pokojowej, nawet po wielu latach nie doczekamy się produktu, czyli wody. Proces ten zachodzi z tak minimalna wydajnością, iż nie można uchwycić momentu, kiedy on nastąpi.

Z powyższych przykładów wynika, że reakcje można podzielić na te, które zachodzą szybko oraz na te, które przebiegają niezwykle wolno. W praktyce jednak spotyka się wiele procesów, zachodzących z różnymi szybkościami pośrednimi. Ich określenie ma duże znaczenie praktyczne. Dzięki ich znajomościom możliwe jest konstruowanie aparatury oraz efektywne przeprowadzanie skomplikowanych procesów technologicznych w chemii nieorganicznej, jak również wykonywanie syntez organicznych. Na podstawie znajomości szybkości wiemy, czy dany proces jest ekonomicznie opłacalny.

Szybkość reakcji chemicznej.

Nadszedł najwyższy czas by podać oficjalna definicję szybkości reakcji chemicznej. Zgodnie z nią, szybkością reakcji chemicznej nazywa się ubytek masy substratu, który następuje w jednostce czasu, z jednoczesnym odniesieniem do objętości przestrzeni, w której prowadzono dana reakcję. Inaczej można tą wielkość zdefiniować jako przyrost masy produktu, zachodzący w jednostce czasu. Zależność ta przedstawia się następującym wzorem:

, gdzie: cA – stężenie substratu; cB – stężenie produktu

Równanie to należy rozumieć jako zmianę stężenie substancji wraz z upływem czasu.

Okazuje się jednak, iż szybkość reakcji nie jest stała dla danego procesu. Zmienia się wraz z postępem reakcji. W efekcie, im mniej pozostaje w mieszaninie reakcyjnej substratu, tym wolniej zachodzi cała reakcja. Z tego w względu we wzorze na szybkość reakcji zawarte są pochodne. Pozwalają one na obliczenie szybkości procesu w danej chwili.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej:

Z doświadczenia wiadomo, iż można przyspieszyć przebieg niektórych reakcji, stosując odpowiednie zabiegi. Poniżej przedstawiono listę czynników, mających wpływ na szybkość reakcji chemicznych:

- Stężenie reagentów.

Im większe stężenie reagentów, tym reakcja zachodzi z większą szybkością.

- Rodzaj Rodzaj jednostka systematyczna - jedna z kategorii w systemie klasyfikacji roślin i zwierząt, wyższa od gatunku, a niższa od rodziny, np. rodzaj szczur obejmuje gatunki: szczur śniady, szczur wędrowny; rodzaj... Czytaj dalej Słownik biologiczny reagentów.

 Niektóre substancje łatwiej ulegają reakcjom od innych, które są trwalsze.

- Temperatura.

Szybkość reakcji chemicznych wzrasta wraz za wzrostem temperatury. Dowodem na to twierdzenie jest reguła Van’t Hoffa. Mówi ona, że szybkość reakcji chemicznej wzrasta dwu- do 4- krotnie po ogrzaniu układu o 10 stopni. Regułę tą można zapisać wzorem:

, gdzie:

VT1- szybkość reakcji w temperaturze początkowej

VT2 - szybkość reakcji w temperaturze po ogrzaniu

γ – współczynnik temperaturowy, jego wartość waha się w granicach 2 – 4 .

- Ciśnienie.

Ciśnienie ma wpływ na szybkość reakcji przeprowadzanych w fazie gazowej.

- Obecność katalizatorów.

Katalizatorem nazywa się substancję, która wpływa na szybkość reakcji chemicznej. Wyróżnia się dwa rodzaje katalizatorów: katalizatory dodatnie i katalizatory ujemne, inaczej określane mianem inhibitorów. Te pierwsze przyspieszają reakcje, zaś drugie przyczyniają się do zmniejszania szybkości reakcji lub nawet do całkowitego zatrzymania jej przebiegu. Zadaniem katalizatorów dodatnich jest obniżenie energii aktywacji danej reakcji, dzięki czemu łatwiej ona zachodzi. W istocie, zmienia on mechanizm danej reakcji.

- Inne substancje.

Zbadano, iż niektóre substancje mogą oddziaływać na szybkość reakcji chemicznych.

- Rozdrobnienie reagentów.

Im większe rozdrobnienie substancji biorących udział  w reakcji, tym szybciej ona zachodzi.

Rodzaje reakcji chemicznych:

Istotnym czynnikiem wpływającym na szybkość reakcji jest kontakt substratów. Z tego względu wyróżnia się dwa typy reakcji chemicznych:

- reakcje homofazowe – to reakcje w których reagenty znajdują się w tym samym stanie skupienia. Dzięki temu reakcja może zachodzić w całej objętości reakcyjnej.

- reakcje heterofazowe – to reakcje w których reagenty znajdują się w różnym stanie skupienia. Przez to reakcja może zachodzić jedynie na powierzchni stykającej dwie fazy ( na tzw. kontakcie).

Mechanizmy reakcji:

Kinetyka chemiczna oprócz opisu szybkości reakcji chemicznych zajmuje się również określaniem mechanizmów reakcji. Zapis równania chemicznego obrazuje bowiem jedynie możliwe do otrzymania produkty z danych substratów. Tymczasem, na drodze do uzyskania określonego produktu, mogą powstawać inne substancje, których nie uwzględnia równanie chemiczne.

Kinetyka chemiczne definiuje mechanizm reakcji jako ciąg aktów elementarnych prowadzących od substratów do produktów. Każdej reakcji można przypisać kilka teoretycznych mechanizmów.  Poznanie mechanizmów reakcji pomaga przy wyszukiwaniu odpowiednich katalizatorów, a także przedstawia możliwości otrzymania innych produktów, przy zmianie warunków prowadzenia procesów. Jednym słowem dostarcza chemikom wielu cennych informacji.