Θεωρία Σύγκρουσης:Ορισμός, Εξήγηση και Συχνές Ερωτήσεις
Θεωρία σύγκρουσης
Εικάζετε πάντα πώς γίνονται οι χημικές αντιδράσεις; Ποιες είναι οι προϋποθέσεις για να εμφανιστεί μια απάντηση; Είναι βέβαιο ότι θα υπάρξει ανταπόκριση ακόμη και αν συντρέχουν οι περιστάσεις; Λοιπόν, η θεωρία σύγκρουσης είναι η λύση σε όλα αυτά τα ζητήματα. Επομένως, ας κατανοήσουμε πρώτα τη θεωρία σύγκρουσης και στη συνέχεια ας μελετήσουμε περισσότερα σχετικά με τις συνθήκες που περιγράφονται στη θεωρία σύγκρουσης.
Στον σημερινό κόσμο των ραγδαίων αλλαγών, η θεωρία της σύγκρουσης των χημικών διεργασιών και της σχετικής κινητικής έχει προχωρήσει σημαντικά. Οι χημικές αντιδράσεις υπάρχουν σε όλα, από δοχεία πόσιμου νερού μέχρι χαλυβουργεία, τα πιο γρήγορα αυτοκίνητα και τεχνητά δημιουργημένα βιολογικά εμφυτεύματα.
Οι William Lewis και Max Trautz, 1916-1918, επινόησαν τον «ορισμό της θεωρίας σύγκρουσης για τις χημικές αντιδράσεις» για να κατανοήσουν καλύτερα αυτές τις χημικές αντιδράσεις. Ας εξετάσουμε λοιπόν τη θεωρία της σύγκρουσης σε βάθος.
Τι είναι η Θεωρία Σύγκρουσης;
Η θεωρία σύγκρουσης καθορίζει τις ταχύτητες των χημικών αντιδράσεων, ιδιαίτερα εκείνων που περιλαμβάνουν αέρια. Η θεωρία της σύγκρουσης υποθέτει ότι για να λάβει χώρα μια χημική αντίδραση, τα άτομα ή τα μόρια των χημικά αντιδρώντων ενώσεων και στοιχείων πρέπει να συναντηθούν ή να καταρρεύσουν μεταξύ τους.
Αλλά δεν οδηγεί κάθε επαφή σε χημική προσαρμογή. Μόνο όταν τα συστατικά ενωθούν για να έχουν ένα ελάχιστο επίπεδο εσωτερικής ενέργειας ισοδύναμο με την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης, μια σύγκρουση θα έχει ως αποτέλεσμα χημική αλλαγή.
Δεύτερον, τα συγκρουόμενα άτομα ή μόρια πρέπει να συνδέονται μεταξύ τους ώστε να υπάρχει χώρος για την ουσιαστική αναδιάταξη ατόμου και ηλεκτρονίων. Έτσι, η υπόθεση της σύγκρουσης δηλώνει ότι ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης είναι ανάλογος με τη συχνότητα των συγκρούσεων μεταξύ των σωματιδίων.
Δεδομένου ότι η μοριακή ή ατομική σύγκρουση ενώσεων και στοιχείων μπορεί να προσδιοριστεί με κάποια βεβαιότητα μόνο για τα αέρια (υπό τη θεωρία σύγκρουσης), η θεωρία σύγκρουσης ισχύει μόνο για αντιδράσεις αέριας φάσης.
Η θεωρία σύγκρουσης περιγράφει πώς λαμβάνουν χώρα οι χημικές αντιδράσεις και γιατί συμβαίνουν διάφορες αντιδράσεις με διαφορετικές ταχύτητες. Η θεωρία εξηγεί ότι:
- Τα μόρια ή τα άτομα των ενώσεων που αντιδρούν πρέπει να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους για να ξεκινήσει μια χημική αντίδραση.
- Για να πραγματοποιηθεί με επιτυχία μια χημική αντίδραση, τα μόρια ή τα άτομα των ενώσεων που αλληλεπιδρούν πρέπει να έχουν αρκετή ενέργεια για να δημιουργήσουν διασπάσεις στους δεσμούς των μορίων.
- Η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί τα μόρια να ταξιδεύουν πιο γρήγορα και να συγκρούονται πιο βίαια, αυξάνοντας σημαντικά τις πιθανότητες κατακερματισμού και αναδιάταξης των δεσμών.
- Ουδέτερες μοριακές αντιδράσεις δεν μπορούν να συμβούν έως ότου αποκτήσουν την ενέργεια ενεργοποίησης που απαιτείται για να τεντώσουν, να κάμψουν ή να παραμορφώσουν έναν ή περισσότερους δεσμούς.
| Αρκετά περίεργα Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι η συνολική ποσότητα ενέργειας που πρέπει να αντισταθεί σε μια χημική αντίδραση. Είναι η ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την έναρξη μιας χημικής αντίδρασης. |
Τι είναι η Θεωρία Σύγκρουσης:Εξήγηση
Όπως εξηγήθηκε προηγουμένως, ο ορισμός της θεωρίας σύγκρουσης εξηγεί ποιοτικά πώς συμβαίνουν οι χημικές αντιδράσεις και γιατί συμβαίνουν διάφορες χημικές αντιδράσεις με διαφορετικούς ρυθμούς. Δείτε το ακόλουθο απλό διμοριακό βήμα:
Θεωρήστε ότι υπάρχουν δύο μόρια, το Α και το Β. Πρέπει να πλησιάσουν αρκετά ώστε να διαλυθούν οι υπάρχοντες δεσμοί τους και να αναπτυχθούν καινούργια που απαιτούνται για τη δημιουργία νέων προϊόντων για να καταλήξουν σε αντίδραση.
Σε ένα αέριο, ο ρυθμός σύγκρουσης μεταξύ Α και Β είναι ανάλογος με τις συγκεντρώσεις τους. Όταν η συγκέντρωση του Α διπλασιάζεται, η συχνότητα των συγκρούσεων Α και Β διπλασιάζεται. Η αύξηση της συγκέντρωσης του Β έχει το ίδιο αποτέλεσμα.
Δεν αρκεί να συγκρουστούν τα μόρια. Πρέπει να προσανατολίζονται με ακριβή τρόπο για να πραγματοποιηθεί η διαδικασία. Τα μόρια πρέπει να συγκρούονται από την κατάλληλη πλευρά. Η επαφή δεν θα οδηγήσει σε χημική αντίδραση εάν δεν συμβεί.
Για να λάβει χώρα μια χημική αντίδραση, οι ενέργειες σύγκρουσης των μορίων πρέπει να είναι μεγαλύτερες ή ίσες με την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης. Η χημική αντίδραση δεν θα λάβει χώρα εάν δεν υπάρχει αυτή η ένταση. Η ενέργεια που απαιτείται για να διασπάσουν τα μόρια τους υπάρχοντες δεσμούς τους και να δημιουργήσουν νέους δεσμούς παίζει σημαντικό ρόλο στη δημιουργία νέων προϊόντων.
Αυτή η ενέργεια είναι γνωστή ως η κινητική ενέργεια των μορίων για τη διεξαγωγή μιας χημικής αντίδρασης. Η χημική αντίδραση δεν θα προχωρήσει εάν αυτή η κινητική ενέργεια δεν είναι ίση ή μεγαλύτερη από την ενέργεια ενεργοποίησης.
Εξάρτηση από τη θερμοκρασία της θεωρίας σύγκρουσης
Η επαρκής θερμική ενέργεια συσχετίζεται με την κατεύθυνση της κινητικότητας των ατόμων και των μορίων στις ενώσεις ή τα στοιχεία.
Μια υψηλότερη θερμική θερμοκρασία αναγκάζει τα μόρια ή τα άτομα να κινούνται πιο γρήγορα και να συγκρούονται πιο βίαια, αυξάνοντας την πιθανότητα σπασίματος των δεσμών. Η θερμική ενέργεια χρησιμοποιείται συχνά για να δώσει την ενέργεια ενεργοποίησης.
Καθώς η χημική αντίδραση τελειώνει και σχηματίζεται το νέο προϊόν, η ενέργεια ενεργοποίησης συλλέγεται ως δονητική ενέργεια και εκκενώνεται αμέσως ως θερμότητα. Ως αποτέλεσμα, τα μόρια πρέπει να συγκρούονται με ενέργειες μεγαλύτερες από ή ισοδύναμες με την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης.
Η Θεωρία σύγκρουσης προβλέπει τον ρυθμό αντίδρασης.
Για μια διμοριακή θεμελιώδη χημική αντίδραση, A + B → Νέο προϊόν ,
ο ρυθμός αντίδρασης είναι, Ταχύς =ZAB ε
Όπου το ZAB υποδεικνύει τη συχνότητα σύγκρουσης μεταξύ των δύο αντιδρώντων Α και Β και το e-Ea/RT υποδεικνύει το ποσοστό των μορίων με ενέργειες ίσες ή μεγαλύτερες από την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι ρυθμοί διαφορετικών χημικών αντιδράσεων ποικίλλουν σημαντικά. Κάθε χημική αντίδραση έχει διαφορετικές συχνότητες αντιδραστηρίων και ενέργειες ενεργοποίησης.
Μια αποτελεσματική σύγκρουση πληροί όλες τις απαιτήσεις της θεωρίας της σύγκρουσης και οδηγεί στο σχηματισμό ενός νέου προϊόντος. Επομένως, ο κατάλληλος μοριακός προσανατολισμός και η ενέργεια ενεργοποίησης είναι δύο κρίσιμες απαιτήσεις στη θεωρία σύγκρουσης.
| Δοκιμάστε τον εαυτό σας Ε. Αναφέρετε τις απαραίτητες προϋποθέσεις για να προχωρήσει μια χημική αντίδραση στη θεωρία της σύγκρουσης. Απ: Ακολουθούν οι απαραίτητες προϋποθέσεις για να προχωρήσει μια χημική αντίδραση:
Ως αποτέλεσμα, εάν πληρούνται όλα τα κριτήρια, θα συμβεί η σύγκρουση. |
Εξίσωση Arrhenius
Η εξίσωση Arrhenius είναι μια μαθηματική πρόταση που ποσοτικοποιεί την επίδραση της θερμοκρασίας στην επιτάχυνση μιας χημικής αντίδρασης και χρησιμεύει ως βάση για όλες τις συμπερασματικές εκφράσεις που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των σταθερών ρυθμού αντίδρασης. Η σταθερά του ρυθμού αντίδρασης είναι k, ο ρυθμός με τον οποίο τα μόρια και τα άτομα έρχονται σε επαφή με τρόπο που προκαλεί μια αντίδραση είναι Α, η ενέργεια ενεργοποίησης για τη χημική αντίδραση είναι Ε, η γενική σταθερά αερίου είναι R (8,314 joules/kelvin/mole) , και η πραγματική θερμοκρασία είναι T. Η εξίσωση εκφράζεται συχνά ως εκθετικός τύπος,
k =Aexp(-E/RT),
δείχνει ότι μια μικρή αύξηση της θερμοκρασίας της χημικής αντίδρασης θα αυξήσει σημαντικά το μέγεθος της σταθεράς ταχύτητας αντίδρασης.
J.J. Ο Hood ανέπτυξε την εξίσωση Arrhenius αφού μελέτησε τη διακύμανση των σταθερών ρυθμού διαφόρων διεργασιών με τη θερμοκρασία. Αυτή η εξίσωση πήρε το όνομά της από τον Σουηδό χημικό Svante Arrhenius, ο οποίος έδειξε ότι ισχύει σχεδόν για όλους τους τύπους αντιδράσεων. Σε αντίθεση με την εξίσωση για τη σταθερά θερμοδυναμικής ισορροπίας, πρόσφερε επίσης μια θεωρητική βάση για την εξίσωση. Αργότερα, οι θεωρίες μεταβατικής κατάστασης και σύγκρουσης των χημικών αντιδράσεων απέδειξαν ότι οι αριθμητικές σταθερές Α και Ε ήταν ποσότητες που αντανακλούσαν τις υποκείμενες χημικές διεργασίες.
Συμπέρασμα
Έτσι, αφού διαβάσουν το προηγούμενο άρθρο, οι μαθητές θα πρέπει να κατανοήσουν τι είναι η θεωρία σύγκρουσης. Είναι η θεωρία που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση των ταχυτήτων των χημικών αντιδράσεων, ιδιαίτερα εκείνων που περιλαμβάνουν αέρια.
Σύμφωνα με τον ορισμό της υπόθεσης της σύγκρουσης, για να συμβεί μια χημική αντίδραση, τα συστατικά (άτομα ή μόρια) των αντιδρώντων στοιχείων ή ενώσεων πρέπει να έρθουν σε επαφή μεταξύ τους.
Ωστόσο, ο ορισμός της θεωρίας σύγκρουσης δεν χρειάζεται να οδηγήσει σε χημική αλλαγή. Μια σύγκρουση θα προκαλέσει χημική αλλαγή μόνο εάν τα συστατικά ενωθούν για να έχουν μια ελάχιστη ποσότητα εσωτερικής ενέργειας ίση με την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης.
Συχνές ερωτήσεις
1. Τι ακριβώς είναι μια χημική αντίδραση;
Απ. Μια χημική αντίδραση είναι μια διαδικασία ή μια τεχνική που μετατρέπει μία ή περισσότερες ενώσεις ή στοιχεία, (ονομάζονται επίσης ως χημικά αντιδρώντα), σε μία ή περισσότερες διαφορετικές νέες ενώσεις ή στοιχεία, γνωστά ως τελικά προϊόντα. Παραδείγματα αυτών των ουσιών είναι χημικές ενώσεις και στοιχεία. Μια χημική αντίδραση αναδιαρθρώνει τα συστατικά άτομα των μορίων των αντιδρώντων για την παραγωγή διαφόρων προϊόντων.
Οι χημικές αντιδράσεις είναι απαραίτητες για την καινοτομία, την κοινωνία και τη ζωή. Η προέλευση της Γης βασίζεται σε αυτές τις χημικές αντιδράσεις, το περιβάλλον και τους ωκεανούς, και διάφορες άλλες πολύπλοκες αντιδράσεις που λειτουργούν σε όλα τα βιολογικά συστήματα εξαρτώνται από αυτές τις χημικές αντιδράσεις.
2Εξηγήστε το νόμο της μαζικής δράσης.
Απ. Σύμφωνα με το νόμο της δράσης μάζας, μια χημική αντίδραση είναι πάντα ανάλογη με τις μάζες των δραστικών συστατικών προϊόντων, με κάθε μάζα να αυξάνεται σε ισχύ ίση με τον εκθέτη που εμφανίζεται στη χημική εξίσωση. Ο νόμος επινοήθηκε από τον Νορβηγό επιστήμονα Peter Waage και τον Cato M. Guldberg μεταξύ 1864 και 1879, αν και τώρα είναι αποκλειστικά ιστορικής σημασίας. Αυτός ο νόμος ήταν ευεργετικός για τον προσδιορισμό της σωστής εξίσωσης ισορροπίας για μια χημική αντίδραση, αλλά είναι πλέον γνωστό ότι ο ρυθμός τον εκφράζει αποκλειστικά για στοιχειώδεις αντιδράσεις.
3. Πώς λειτουργεί η θεωρία σύγκρουσης;
Απ. Για να λειτουργήσει αποτελεσματικά η θεωρία σύγκρουσης, τα μόρια των αντιδρώντων υποτίθεται ότι είναι άκαμπτες σφαίρες και οι χημικές αντιδράσεις θεωρείται ότι προχωρούν μόνο όταν όλες αυτές οι άκαμπτες μοριακές σφαίρες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Πρέπει όμως να σημειωθεί ότι όλες οι συγκρούσεις δεν οδηγούν απαραίτητα στον σχηματισμό νέων προϊόντων. Ο κατάλληλος προσανατολισμός και ενέργεια ενεργοποίησης των μορίων που αλληλεπιδρούν καθορίζουν την προϋπόθεση για μια σύγκρουση που θα συμβάλει στην εμφάνιση προϊόντων.
