Ρυθμός Αντίδρασης

Μια αύξηση στη συγκέντρωση του προϊόντος ανά μονάδα χρόνου είναι ανάλογη με τη μείωση της συγκέντρωσης του αντιδρώντος ανά μονάδα χρόνου σε μια χημική αντίδραση. Ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης αναφέρεται επίσης ως ταχύτητα αντίδρασης. Ο ρυθμός με τον οποίο λαμβάνει χώρα η αντίδραση ποικίλλει πολύ από το ένα άτομο στο άλλο.

Για παράδειγμα, η οξειδωτική σκουριά του σιδήρου κάτω από την ατμόσφαιρα της Γης είναι μια αργή διαδικασία που μπορεί να διαρκέσει αρκετά χρόνια, ενώ η καύση της κυτταρίνης σε μια φωτιά συμβαίνει σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Στις περισσότερες αντιδράσεις, ο ρυθμός της αντίδρασης μειώνεται καθώς προχωρά η αντίδραση. Ο ρυθμός μιας αντίδρασης μπορεί να υπολογιστεί παρακολουθώντας τις αλλαγές στη συγκέντρωση σε μια χρονική περίοδο.

Ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης εκφράζεται συχνά ως η συγκέντρωση (ποσότητα ανά μονάδα όγκου) μιας ουσίας που παράγεται σε μια μονάδα χρόνου ή η συγκέντρωση (ποσότητα ανά μονάδα όγκου) ενός αντιδραστηρίου που καταναλώνεται σε μια μονάδα χρόνου. Επίσης, η ποσότητα των αντιδραστηρίων που καταναλώνονται ή των προϊόντων που παράγονται σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα μπορεί να εκφραστεί ως ο αριθμός των αντιδραστηρίων ή των προϊόντων που παράγονται.

Αυτό το άρθρο θα εξετάσει τον ρυθμό αντίδρασης, τον ρυθμό χημικής αντίδρασης, τον τρόπο ορισμού του ρυθμού αντίδρασης και τον τύπο για την ταχύτητα αντίδρασης με περισσότερες λεπτομέρειες από ό,τι στο παρελθόν.

Παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης

Η φύση της αντίδρασης, η συγκέντρωση, η καταπόνηση, η σειρά των αντιδράσεων, η θερμοκρασία, ο διαλύτης, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ο καταλύτης, τα ισότοπα, η επιφάνεια, η ανάδευση και το όριο διάχυσης είναι όλοι οι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό της αντίδρασης. Η εμφάνιση ορισμένων αντιδράσεων είναι πιο γρήγορη από άλλες. Ο αριθμός των ειδών που αντιδρούν, η φυσική τους κατάσταση (τα στερεά σωματίδια κινούνται πολύ πιο αργά από τα αέρια ή εκείνα σε διάλυμα), η πολυπλοκότητα της αντίδρασης και άλλοι παράγοντες επηρεάζουν την ταχύτητα μιας αντίδρασης.

1. Συγκέντρωση Αντιδρώντος

Σύμφωνα με το νόμο του ρυθμού και τη θεωρία σύγκρουσης, ο ρυθμός αντίδρασης αυξάνεται καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των αντιδρώντων. Καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των αντιδρώντων, αυξάνεται και ο αριθμός των συγκρούσεων. Καθώς η πίεση αυξάνεται, ο ρυθμός των αερίων αντιδράσεων επιταχύνεται, κάτι που είναι ανάλογο με το ρυθμό αύξησης της συγκέντρωσης του αερίου. Όταν υπάρχουν λιγότερα mol αερίου, ο ρυθμός αντίδρασης αυξάνεται. όταν υπάρχουν περισσότερα mol αερίου, ο ρυθμός αντίδρασης μειώνεται και αντίστροφα. Όταν πρόκειται για αντιδράσεις συμπυκνωμένης φάσης, η εξάρτηση από την πίεση είναι κακή.

2. Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία

Σαν αποτέλεσμα, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει τη δυνατότητα να επιταχύνει ή ακόμη και να προκαλέσει αυθόρμητη ανάφλεξη μιας αντίδρασης παρέχοντας περισσότερη ενέργεια στα αντιδρώντα σωματίδια. Αυτά τα σωματίδια αποθηκεύουν αυτή την ενέργεια με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό ενδιάμεσων ειδών που είναι εύκολο να αντιδράσουν μεταξύ τους. Καθώς η ισχύς του φωτός αυξάνεται, τα σωματίδια αποκτούν περισσότερη ενέργεια και ως αποτέλεσμα, αυξάνεται και ο ρυθμός αντίδρασης.

3. Καταλύτες

Η παρουσία ενός καταλύτη αυξάνει τον ρυθμό της αντίδρασης επειδή παρέχει μια εναλλακτική οδό με χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης από την αρχική οδό (τόσο στις προς τα εμπρός όσο και στις αντίστροφες αντιδράσεις). Η πλατίνα, για παράδειγμα, μπορεί να καταλύσει την καύση υδρογόνου παρουσία οξυγόνου όταν διατηρείται σε θερμοκρασία δωματίου.

4. Ισότοπο

Προκειμένου να υπολογιστεί η διαφορά στη σχετική μάζα μεταξύ υδρογόνου και δευτερίου, το φαινόμενο του κινητικού ισοτόπου προκαλεί διαφορετικό ρυθμό αντίδρασης για το ίδιο μόριο εάν περιέχει διαφορετικά ισότοπα, τα οποία είναι συνήθως ισότοπα υδρογόνου. Όταν πρόκειται για αντιδράσεις σε επιφάνειες, όπως αυτές που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της ετερογενούς κατάλυσης, ο ρυθμός αντίδρασης αυξάνεται όσο αυξάνεται η επιφάνεια. Λόγω του γεγονότος ότι εκτίθενται πιο σταθερά σωματίδια, είναι πιο επιρρεπή στο χτύπημα από αντιδρώντα μόρια.

5. Ανακατεύοντας

Ειδικά στην περίπτωση ετερογενών αντιδράσεων, η ανάδευση μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στο συνολικό ρυθμό αντίδρασης.

6. Διάχυση

Κατά τη διάρκεια ορισμένων αντιδράσεων, η διάχυση μπορεί να λειτουργήσει ως περιοριστικός παράγοντας. Κατά τον υπολογισμό του συντελεστή ταχύτητας αντίδρασης, λαμβάνονται υπόψη όλες οι μεταβλητές που επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης, με εξαίρεση τη συγκέντρωση και τη σειρά αντίδρασης (ο συντελεστής στην εξίσωση ταχύτητας της αντίδρασης).

7. Θερμοκρασία

Μπορείτε να μετρήσετε τη μέση κινητική ενέργεια των αντιδρώντων χρησιμοποιώντας τη θερμοκρασία. Η θερμοκρασία αυξάνει την κινητική ενέργεια των αντιδρώντων, γεγονός που τα αναγκάζει να αντιδρούν πιο γρήγορα. Για να το θέσω αλλιώς, τα σωματίδια κινούνται πιο γρήγορα. Το γεγονός ότι τα αντιδρώντα κινούνται γρηγορότερα σημαίνει ότι θα συμβούν περισσότερες συγκρούσεις με ταχύτερο ρυθμό, αυξάνοντας την πιθανότητα τα αντιδρώντα να σχηματιστούν προϊόντα και, ως αποτέλεσμα, αυξάνοντας τον ρυθμό αντίδρασης. Η θερμοκρασία αυξάνεται κατά δέκα βαθμούς Κελσίου, γεγονός που προκαλεί διπλασιασμό του ρυθμού αντίδρασης. Όταν πρόκειται για την εξάρτηση από τη θερμοκρασία κάθε συντελεστή ταχύτητας αντίδρασης k, η εξίσωση Arrhenius χρησιμοποιείται συνήθως για τον υπολογισμό της:

k=Ae−Ea/RT 

8. Πίεση

Καθώς αυξάνεται η πίεση, η συγκέντρωση των αερίων αυξάνεται, με αποτέλεσμα η αντίδραση να εξελίσσεται με ταχύτερο ρυθμό. Η αύξηση του αριθμού των αερίων μορίων σε ένα σύστημα προκαλεί αύξηση του ρυθμού αντίδρασης και η μείωσή του προκαλεί μείωση του ρυθμού αντίδρασης.

Συνεπώς, είναι απλό να δούμε πώς σχετίζονται η πίεση και η συγκέντρωση και πώς επηρεάζουν και τα δύο τον ρυθμό με τον οποίο συμβαίνουν οι αντιδράσεις.

Ρυθμός αντίδρασης:

Ρυθμός αντίδρασης =-ΔA/ Δt =ΔB/ Δt

Συμπέρασμα:

Η σειρά της αντίδρασης μπορεί να περιγραφεί ως η εξάρτηση από την ισχύ του ρυθμού από όλες τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων όταν ο ρυθμός είναι σταθερός. Για παράδειγμα, ο ρυθμός μιας αντίδρασης πρώτης τάξης καθορίζεται αποκλειστικά από τη συγκέντρωση ενός μεμονωμένου είδους στο δοχείο αντίδρασης. Ακολουθούν ορισμένα χαρακτηριστικά της σειράς αντίδρασης μιας χημικής αντίδρασης.

• Ο αριθμός των ειδών των οποίων η αφθονία έχει άμεσο αντίκτυπο στον ρυθμό αντίδρασης ορίζεται από τη σειρά με την οποία συμβαίνουν οι αντιδράσεις.

• Μπορεί να ληφθεί πολλαπλασιάζοντας όλους τους εκθέτες των όρων συγκέντρωσης στην έκφραση του ρυθμού μαζί.

• Οι στοιχειομετρικοί συντελεστές κάθε είδους στην ισορροπημένη αντίδραση δεν επηρεάζουν τη σειρά με την οποία το είδος αντιδρά με τα άλλα είδη.

• Η σειρά αντίδρασης μιας χημικής αντίδρασης συχνά καθορίζεται από τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων που εμπλέκονται και όχι από τις συγκεντρώσεις των προϊόντων.

• Η σειρά των αντιδράσεων μπορεί να εκφραστεί ως ακέραιος ή ως κλάσμα, ανάλογα με την περίσταση. Εάν η μεταβλητή δεν έχει τιμή, είναι επίσης δυνατό να είναι μηδέν.