Επίδραση της θερμοκρασίας στον ρυθμό αντίδρασης
Είναι δυνατό να προσδιοριστούν γεγονότα που συμβαίνουν σε μικροσκοπική κλίμακα, όπως συγκρούσεις μεταξύ μεμονωμένων σωματιδίων, χρησιμοποιώντας μελέτες κινητικής ενός χημικού συστήματος, όπως η επίδραση των αλλαγών στις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων. Το μοντέλο σύγκρουσης της χημικής κινητικής, το οποίο είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την κατανόηση της συμπεριφοράς των αντιδρώντων χημικών ειδών, αναπτύχθηκε ως αποτέλεσμα αυτών των πειραμάτων. Το μοντέλο σύγκρουσης εξηγεί γιατί οι χημικές αντιδράσεις συμβαίνουν συχνότερα σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Για παράδειγμα, μια αύξηση της θερμοκρασίας μόνο κατά 10°C διπλασιάζει τους ρυθμούς αντίδρασης πολλών αντιδράσεων που συμβαίνουν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Σε αυτήν την ενότητα, θα εξετάσουμε τη σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και ρυθμών αντίδρασης χρησιμοποιώντας το μοντέλο σύγκρουσης. Πρέπει πρώτα να αντιμετωπίσουμε τρία μικροσκοπικά στοιχεία που επηρεάζουν τους παρατηρούμενους ρυθμούς μακροσκοπικής αντίδρασης πριν βουτήξουμε στη σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και ρυθμού αντίδρασης.
Θεωρία σύγκρουσης των ρυθμών αντίδρασης
Όταν θερμαίνετε οτιδήποτε, τα σωματίδια κινούνται πιο γρήγορα. Εάν κινούνται πιο γρήγορα, θα συγκρούονται πιο συχνά, αυξάνοντας τις πιθανότητες αντίδρασης.
Το πρόβλημα με αυτήν την υπόθεση είναι ότι αντιπροσωπεύει μόνο ένα μικρό μέρος της παρατηρούμενης αλλαγής στον ρυθμό αντίδρασης καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία.
Εάν αυξήσετε τη θερμοκρασία κατά 10°C για μια τυπική απόκριση σε θερμοκρασία δωματίου, ο ρυθμός σύγκρουσης μόλις αυξάνεται κατά περίπου 2%. Ωστόσο, ο ρυθμός αντίδρασης θα διπλασιαστεί σχεδόν, αντιπροσωπεύοντας μια αύξηση 100 τοις εκατό.
Τέλος, η επίδραση της θερμοκρασίας στον ρυθμό αντίδρασης προσδιορίζεται από την επίδρασή της στη σταθερά ταχύτητας k, η οποία εξαρτάται από την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης Ea. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, ένα μεγαλύτερο ποσοστό μορίων θα φτάσει την ελάχιστη κινητική ενέργεια που απαιτείται για την έναρξη της αντίδρασης.
Ας δούμε τι είναι η Ενέργεια ενεργοποίησης
Μελετήστε το παρακάτω διάγραμμα:
Όταν τα αέρια αναμειγνύονται για να σχηματίσουν νερό, είναι μια εξώθερμη αντίδραση που παράγει πολλή θερμότητα. Μετά το μείγμα υδρογόνου και οξυγόνου, το σύστημα γίνεται πιο ενεργειακά σταθερό. Έτσι, εάν η ανάμειξη υδρογόνου και οξυγόνου τα καθιστά πιο σταθερά, γιατί δεν αντιδρούν αμέσως; Οι δεσμοί πρέπει να σπάσουν και να δημιουργηθούν νέοι δεσμοί για να συμβεί οποιαδήποτε απόκριση . Όταν οι δεσμοί σπάνε, απελευθερώνεται ενέργεια. όταν σχηματίζονται νέοι δεσμοί, απελευθερώνεται ενέργεια.
Για να σπάσουν οι δεσμοί μεταξύ των μορίων υδρογόνου και οξυγόνου στην αντίδραση μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου, απαιτείται πολλή ενέργεια.
Οι συγκρούσεις μεταξύ των μορίων σε έναν συνδυασμό υδρογόνου/οξυγόνου σε τυπικές θερμοκρασίες δεν παρέχουν αρκετή ενέργεια για να γίνει αυτό.
Η ενέργεια ενεργοποίησης είναι η μικρότερη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για μια σύγκρουση για να προκαλέσει μια απόκριση.
Για να το δείξουμε αυτό, μπορούμε να αλλάξουμε το τελευταίο διάγραμμα. Ένα προφίλ αντίδρασης ονομάζεται αυτό. Οποιαδήποτε εξώθερμη αντίδραση μπορεί να αναπαρασταθεί στο παρακάτω γράφημα.
Φυσικά, η ενέργεια ενεργοποίησης είναι σημαντικά υψηλότερη αυτή τη φορά.
Θερμοκρασία και ενέργεια
- Η μέση κινητική ενέργεια των σωματιδίων μιας ουσίας σχετίζεται με τη θερμοκρασία της. Θα παρατηρήσετε αύξηση της θερμοκρασίας εάν η μέση κινητική ενέργεια αυξηθεί.
- Αυτή είναι, ωστόσο, μια μέση κινητική ενέργεια. Μεμονωμένα σωματίδια μέσα σε αυτά μπορεί να έχουν πολύ χαμηλή ενέργεια, μέτρια ενέργεια ή πολύ υψηλή ενέργεια και αυτό θα αλλάζει συνεχώς όταν τα σωματίδια συγκρούονται.
- Σε μια δεδομένη θερμοκρασία, ωστόσο, ο μέσος όρος θα παραμείνει ο ίδιος. Όσον αφορά τους ρυθμούς αντίδρασης, αυτό που πραγματικά μας ενδιαφέρει είναι σωματίδια με αρκετά υψηλές ενέργειες τη στιγμή που όταν συναντιούνται, επιτυγχάνουν ενέργεια ενεργοποίησης.
- Τα σωματίδια με μέτρια ή χαμηλή ενέργεια θα προσκρούσουν ξανά μεταξύ τους, χωρίς να προκαλέσουν κανένα αποτέλεσμα.
Επίδραση της θερμοκρασίας στον ρυθμό αντίδρασης ως προς την ενέργεια ενεργοποίησης
Οι συγκρούσεις πρέπει να παρέχουν ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από την ενέργεια ενεργοποίησης για να συμβεί μια αντίδραση. Ως αποτέλεσμα, μας ενδιαφέρουν μόνο τα σωματίδια που έχουν εξαιρετικά υψηλή κινητική ενέργεια εκείνη τη στιγμή.
Η επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας σε όλα τα σωματίδια δεν είναι ανάλογη. Αντίθετα, οδηγεί σε σημαντική αύξηση του αριθμού των ενεργών σωματιδίων.
Ως αποτέλεσμα, η κύρια επίδραση της θερμοκρασίας στις ταχύτητες αντίδρασης είναι να αυξήσει τον αριθμό των σωματιδίων των οποίων οι ενέργειες σύγκρουσης είναι ίσες ή μεγαλύτερες από την ενέργεια ενεργοποίησης.
Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης είναι
- Συγκέντρωση αντιδρώντων
- Φυσική κατάσταση των αντιδρώντων
- Ελαφρύ
- Η παρουσία, ο τύπος και η συγκέντρωση ενός καταλύτη ή αναστολέα
Συμπέρασμα
Οι χημικές αντιδράσεις μπορούν να βρεθούν παντού γύρω σας και μέσα σας. Εκτός από τους βιολογικούς μηχανισμούς που σας επιτρέπουν να μετατρέπετε τα μόρια που τρώτε και αναπνέετε σε χρήσιμη ενέργεια, υπάρχουν βιομηχανικά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο που παράγουν χημικές ουσίες και προϊόντα που βασίζονται σε χημικές ουσίες.
Εκτός από το προϊόν ή τα προϊόντα που παράγονται και έχουν επαρκή παροχή αντιδρώντων, ένα από τα πιο βασικά χαρακτηριστικά μιας αντίδρασης είναι το πόσο γρήγορα αναμένεται να προχωρήσει. Αυτό μπορεί να έχει αντίκτυπο στην ποιότητα του προϊόντος, την ασφάλεια και άλλους παράγοντες. Η θερμοκρασία είναι μία από τις παραμέτρους που καθορίζουν τις ταχύτητες αντίδρασης που μπορεί να ρυθμιστεί εύκολα στα περισσότερα εργαστήρια.
Σκεφτείτε πώς η θερμοκρασία μπορεί να επηρεάσει τους ρυθμούς αντίδρασης και συνεχίστε να διαβάζετε για να μάθετε περισσότερα σχετικά με τους πολυάριθμους παράγοντες που μπορεί να επιταχύνουν ή να επιβραδύνουν τις χημικές αντιδράσεις.
