Chemical Kinetics:Understanding Reaction Rates &Factors

Βασικές έννοιες – Κινητική και ρυθμός αντίδρασης

Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε για τη χημική κινητική και τον ρυθμό των αντιδράσεων, συμπεριλαμβανομένων των ιδιοτήτων που τις επηρεάζουν, των συνθηκών που απαιτούνται για την πραγματοποίηση των αντιδράσεων και του τρόπου υπολογισμού των ρυθμών αντίδρασης. 

Θέματα που καλύπτονται σε άλλα άρθρα

• Θεωρία σύγκρουσης
• Ρυθμοί αντίδρασης και τρόπος προσδιορισμού των νόμων ρυθμού
• Ενέργεια ενεργοποίησης
• Κατανόηση της Κινητικής Μοριακής Θεωρίας
• Επίλυση στοιχειομετρικών προβλημάτων
• Εισαγωγή στην Ενέργεια

Ποιος είναι ο ρυθμός μιας αντίδρασης;

Ο ρυθμός μιας αντίδρασης μετρά την ταχύτητα με την οποία λαμβάνει χώρα μια χημική αντίδραση. Αυτό γίνεται με διαίρεση της μεταβολής της συγκέντρωσης των αντιδρώντων με τη μεταβολή του χρόνου. Έτσι μετρά είτε τον ρυθμό εξαφάνισης των αντιδρώντων είτε τον ρυθμό εμφάνισης των προϊόντων. Για να υπολογίσουμε το ποσοστό, ας δούμε πρώτα τον γενικό τύπο:

   

Μερικές σημειώσεις:

• Ο ρυθμός για τα αντιδρώντα Α και Β είναι αρνητικός επειδή καταναλώνονται. Αυτό σημαίνει ότι τα C και D είναι θετικά για τον αντίθετο λόγο - παράγονται.
• Η μεταβολή της συγκέντρωσης σε σχέση με τη μεταβολή του χρόνου για κάθε είδος (αντιδρώντα και προϊόντα) διαιρείται με το στοιχειομετρικό του ισοδύναμο.
• Η συγκέντρωση κάθε είδους μετριέται σε μοριακότητα όπως υποδηλώνεται από τις αγκύλες [ ].

Τι είναι η Κινητική;

Ο γενικός ορισμός της κινητικής είναι η μελέτη των επιδράσεων των δυνάμεων στους μηχανισμούς. Όσον αφορά τη χημεία (χημική κινητική), είναι η μελέτη των ρυθμών αντίδρασης. Χρησιμοποιώντας τώρα τις γνώσεις μας για τους ρυθμούς αντίδρασης, μπορούμε να πούμε ότι είναι η μελέτη του πόσο γρήγορα οι χημικές αντιδράσεις πηγαίνουν από τα αντιδρώντα σε προϊόντα ή πόσο γρήγορα καταναλώνονται τα αντιδρώντα και παράγονται προϊόντα. Ένα χρήσιμο μέτρο για τη μελέτη της κινητικής μιας αντίδρασης είναι η κινητική ενέργεια, η ενέργεια που έχει ένα σωματίδιο λόγω της κίνησής του. 

Τι είναι η Θεωρία Σύγκρουσης;

Για να συζητήσουμε σε βάθος τους ρυθμούς αντίδρασης και την κινητική, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τη θεωρία σύγκρουσης. Τα σωματίδια που αντιδρούν πρέπει να συγκρουστούν για να συμβεί μια αντίδραση, αλλά όχι κάθε σύγκρουση οδηγεί σε αντίδραση. Η θεωρία της σύγκρουσης περιγράφει τις απαραίτητες συνθήκες για να λάβει χώρα μια αντίδραση. Υπάρχουν τρεις συνθήκες που ικανοποιούν τη θεωρία σύγκρουσης:

1. Τα σωματίδια πρέπει να συγκρουστούν
2. Οι συγκρούσεις πρέπει να έχουν επαρκή ενέργεια 
3. Οι συγκρούσεις πρέπει να έχουν σωστό προσανατολισμό 

Τα σωματίδια πρέπει να συγκρούονται

Η πρώτη συνθήκη της θεωρίας σύγκρουσης - τα σωματίδια πρέπει να συγκρούονται - είναι η βάση για τις αντιδράσεις. Χωρίς σύγκρουση, τα σωματίδια δεν αλληλεπιδρούν και επομένως δεν συμβαίνουν αντιδράσεις.

Οι συγκρούσεις πρέπει να έχουν αρκετή ενέργεια

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η κινητική ενέργεια ενός σωματιδίου είναι η ενέργεια που οφείλεται στην κίνησή του. Άρα η κινητική ενέργεια ενός σωματιδίου είναι ανάλογη με την ταχύτητά του. Η κινητική ενέργεια των σωματιδίων που αντιδρούν είναι σημαντική επειδή οι αντιδράσεις έχουν συγκεκριμένες ενέργειες ενεργοποίησης, γνωστή και ως την ενέργεια που απαιτείται για να συμβεί μια αντίδραση (όπως ένα κατώφλι). Η κινητική ενέργεια των συγκρουόμενων σωματιδίων πρέπει να ταιριάζει με την ενέργεια ενεργοποίησης για να συμβεί η αντίδραση.

Διάγραμμα ενέργειας ενεργοποίησης για σύγκρουση.
(Πηγή:Wikimedia Commons)

Οι συγκρούσεις πρέπει να έχουν σωστό προσανατολισμό

Εάν τα σωματίδια συγκρούονται και έχουν αρκετή ενέργεια, δεν είναι εγγυημένο ότι θα συμβεί μια αντίδραση. Η κατεύθυνση στην οποία συγκρούονται τα αντιδρώντα θα καθορίσει εάν θα συμβεί η αντίδραση. Ακόμη περαιτέρω, μπορεί να συμβεί μια αντίδραση, αλλά ο προσανατολισμός της σύγκρουσης μπορεί να καθορίσει ποια προϊόντα σχηματίζονται. Αυτό συμβαίνει επειδή διαφορετικά μεμονωμένα άτομα θα αλληλεπιδράσουν ανάλογα με τη γωνία που συγκρούονται δύο μόρια.

Επιδράσεις στην κινητική και τον ρυθμό των αντιδράσεων

Γνωρίζοντας αυτό για τη θεωρία σύγκρουσης, μπορούμε τώρα να συζητήσουμε ιδιότητες που επηρεάζουν τους ρυθμούς αντίδρασης. Υπάρχουν τέσσερις ιδιότητες που μπορούν να επηρεάσουν τον ρυθμό μιας αντίδρασης:

1. Συγκέντρωση 
2. Θερμοκρασία
3. Φυσική κατάσταση
4. Παρουσία Καταλύτη ή Αναστολέα 

Συγκέντρωση

Η συγκέντρωση και ο ρυθμός αντίδρασης σχετίζονται θετικά, που σημαίνει ότι εάν η συγκέντρωση των σωματιδίων αυξηθεί, ο ρυθμός της αντίδρασης θα αυξηθεί. Το αντίθετο ισχύει επίσης. Χρησιμοποιώντας τη θεωρία σύγκρουσης μπορούμε να το εξηγήσουμε αυτό. Η υψηλότερη συγκέντρωση σωματιδίων αυξάνει τον αριθμό των συγκρούσεων και επομένως αυξάνει τον ρυθμό αντίδρασης.

Θερμοκρασία

Η θερμοκρασία και ο ρυθμός αντίδρασης σχετίζονται επίσης θετικά. Αυτό συμβαίνει επειδή η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας των σωματιδίων. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια που έχουν τα σωματίδια. Αυτό όχι μόνο αυξάνει τον αριθμό των συγκρούσεων (επειδή τα σωματίδια κινούνται γρηγορότερα), αλλά αυξάνει επίσης την πιθανότητα να συμβαίνουν συγκρούσεις με επαρκή ενέργεια που θα αυξήσει τον ρυθμό αντίδρασης. 

Φυσική κατάσταση

Η φυσική κατάσταση ενός αντιδρώντος μπορεί να επηρεάσει τον ρυθμό μιας αντίδρασης λόγω της επιφάνειας. Τα σωματίδια στα στερεά δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα όπως αυτά των υγρών και των αερίων, γεγονός που μειώνει την επιφάνεια των αντιδρώντων. Όσο μικρότερο είναι το εμβαδόν της επιφάνειας, τόσο μικρότερη είναι η ευκαιρία για αλληλεπίδραση σωματιδίων που αντιδρούν, η οποία θα επιβραδύνει τον ρυθμό αντίδρασης. Αντίθετα, τα σωματίδια αερίου κινούνται πιο ελεύθερα σε αντίθεση με άλλες φυσικές καταστάσεις που μπορούν επίσης να επιβραδύνουν τους ρυθμούς αντίδρασης. Σε αντίθεση με τις άλλες φυσικές καταστάσεις, τα σωματίδια αερίου γεμίζουν το χώρο των δοχείων τους, αλλά φανταστείτε ότι συγκρίνουμε την ίδια ποσότητα σωματιδίων για κάθε φυσική κατάσταση. Στην αέρια κατάσταση θα υπήρχε η ίδια ποσότητα σωματιδίων που καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο. Αυτό μπορεί να κάνει τις συγκρούσεις περισσότερο τυχαία και να επιβραδύνει τον ρυθμό αντίδρασης.

Παρουσία Καταλύτη ή Αναστολέα

Οι καταλύτες αυξάνουν τους ρυθμούς αντίδρασης ενώ οι αναστολείς μειώνουν τους ρυθμούς αντίδρασης. Οι καταλύτες μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησης μιας αντίδρασης που επιτρέπει σε περισσότερες συγκρούσεις να έχουν αρκετή ενέργεια για να συμβεί μια αντίδραση. Οι αναστολείς δρουν αντίθετα. Αναγκάζουν μια αντίδραση να πάρει μια πορεία με υψηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Έτσι, λιγότερες συγκρούσεις καλύπτουν την επαρκή ενέργεια και ο ρυθμός της αντίδρασης επιβραδύνεται.

Ενέργεια ενεργοποίησης με (κόκκινη γραμμή) και χωρίς καταλύτη (Μαύρη γραμμή)
(Πηγή:Wikimedia Commons)

Για περισσότερη βοήθεια, παρακολουθήστε το διαδραστικό μας βίντεο που παρουσιάζει την Kinetics!

Προβλήματα πρακτικής χημικής κινητικής και ταχύτητας αντίδρασης

Πρόβλημα 1

Εξετάστε την καύση του βουταδιενίου:

   

Πώς σχετίζεται ο ρυθμός κατανάλωσης βουταδιενίου με την παραγωγή CO2; Με ποιον παράγοντα είναι η κατανάλωση βουταδιενίου ταχύτερη ή πιο αργή από την παραγωγή CO2;

Πρόβλημα 2

Μεταξύ των τεσσάρων ιδιοτήτων που επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης (συγκέντρωση αντιδρώντος, θερμοκρασία, φυσική κατάσταση του αντιδρώντος και χρήση καταλύτη/αναστολέα), οι οποίες ιδιότητες αυξάνουν ή μειώνουν την αναλογία μιας δεδομένης ποσότητας αντιδρώντος είναι σε θέση να εκτελέσει το αντιδρών;

Κινητική και ρυθμός αντίδρασης Πρακτική λύση προβλημάτων

1:Η παραγωγή CO2 είναι τετραπλάσια τόσο γρήγορα όσο η κατανάλωση βουταδιενίου.

2:Θερμοκρασία (αυξάνει ή μειώνει το ποσοστό των αντιδρώντων πάνω από την ενέργεια ενεργοποίησης) και φυσική κατάσταση (αυξάνει ή μειώνει το ποσοστό του διαθέσιμου αντιδρώντος με βάση την επιφάνεια)

Σχετικά άρθρα με τη χημική κινητική και τον ρυθμό αντίδρασης

• Σειρά αντίδρασης
• Ολοκληρωμένοι νόμοι τιμών
• Τι είναι η σταθερά ισορροπίας
• Μονάδες συγκέντρωσης:Κανονικότητα, PPM και Ποσοστό όγκου