ما دائماً با فعل و انفعالات شیمیایی مختلفی روبرو هستیم. احتراق گاز طبیعی، زنگ زدگی آهن، ترش شدن شیر با تمام فرآیندهایی که در یک دوره شیمی مدرسه به طور مفصل مورد مطالعه قرار می گیرد، فاصله زیادی دارد.
برخی از واکنش ها کسری از ثانیه طول می کشد، در حالی که برخی از تعاملات روزها یا هفته ها طول می کشد.
بیایید سعی کنیم وابستگی سرعت واکنش به دما، غلظت و عوامل دیگر را شناسایی کنیم. در استاندارد جدید آموزشی حداقل زمان مطالعه برای این موضوع در نظر گرفته شده است. در تست های آزمون دولتی واحد، وظایفی در مورد وابستگی سرعت واکنش به دما، غلظت و حتی وظایف محاسباتی ارائه می شود. بسیاری از دانش آموزان دبیرستانی مشکلات خاصی را در یافتن پاسخ این سؤالات تجربه می کنند، بنابراین ما این موضوع را به تفصیل تجزیه و تحلیل خواهیم کرد.
ارتباط موضوع مورد بررسی
اطلاعات در مورد سرعت واکنش از اهمیت عملی و علمی بالایی برخوردار است. به عنوان مثال، در یک تولید خاص از مواد و محصولات از یک معینارزش به طور مستقیم به عملکرد تجهیزات، هزینه کالا بستگی دارد.
طبقه بندی واکنش های در حال انجام
رابطه مستقیمی بین حالت تجمع اجزای اولیه و محصولات تشکیل شده در طی فرآیند شیمیایی وجود دارد: برهمکنش های ناهمگن.
یک سیستم معمولاً در شیمی به عنوان یک ماده یا ترکیبی از آنها درک می شود.
یک سیستم همگن سیستمی است که از یک فاز (همان حالت تجمع) تشکیل شده باشد. به عنوان مثال می توان به مخلوطی از گازها، چند مایع مختلف اشاره کرد.
ناهمگن سیستمی است که در آن واکنش دهنده ها به شکل گازها و مایعات، جامدات و گازها هستند.
نه تنها نرخ واکنش به دما بستگی دارد، بلکه به فازی که در آن اجزای دخیل در برهمکنش تجزیه و تحلیل شده استفاده می شوند نیز بستگی دارد.
یک ترکیب همگن با جریان فرآیند در سرتاسر حجم مشخص می شود که به طور قابل توجهی کیفیت آن را بهبود می بخشد.
اگر مواد اولیه در حالت‌های فاز متفاوت باشند، در این حالت، حداکثر برهمکنش در مرز فاز مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، هنگامی که یک فلز فعال در اسید حل می شود، تشکیل یک محصول (نمک) تنها در سطح تماس آنها مشاهده می شود.
رابطه ریاضی بین سرعت فرآیند و عوامل مختلف
معادله سرعت یک واکنش شیمیایی در برابر دما چگونه است؟ برای یک فرآیند همگن، نرخ با مقدار تعیین می شودماده ای که در طول یک واکنش در حجم سیستم در واحد زمان برهمکنش می کند یا تشکیل می شود.
برای یک فرآیند ناهمگن، نرخ از طریق مقدار ماده ای که در واحد سطح در فرآیند واکنش می دهد یا تولید می شود برای حداقل مدت زمان تعیین می شود.
عوامل مؤثر بر سرعت واکنش شیمیایی
ماهیت مواد واکنش دهنده یکی از دلایل نرخ متفاوت فرآیندها است. به عنوان مثال، فلزات قلیایی با آب در دمای اتاق، قلیایی تشکیل می دهند و این فرآیند با تکامل شدید هیدروژن گازی همراه است. فلزات نجیب (طلا، پلاتین، نقره) چه در دمای اتاق و چه در هنگام گرم شدن قادر به انجام چنین فرآیندهایی نیستند.
ماهیت واکنش دهنده ها عاملی است که در صنایع شیمیایی به منظور افزایش سودآوری تولید مورد توجه قرار می گیرد.
رابطه بین غلظت معرف ها و سرعت یک واکنش شیمیایی آشکار شده است. هرچه بالاتر باشد، ذرات بیشتری با هم برخورد می کنند، بنابراین، روند سریعتر پیش می رود.
قانون عمل جرم ها به شکل ریاضی رابطه ای مستقیم بین غلظت مواد اولیه و سرعت فرآیند را توصیف می کند.
در اواسط قرن نوزدهم توسط شیمیدان روسی N. N. Beketov فرموله شد. برای هر فرآیند، یک ثابت واکنش تعیین می‌شود که به دما، غلظت یا ماهیت واکنش‌دهنده‌ها مربوط نمی‌شود.
بهبرای تسریع واکنش شامل یک جامد، باید آن را آسیاب کنید تا به صورت پودر درآید.
در این حالت، سطح افزایش می یابد که تأثیر مثبتی بر سرعت فرآیند دارد. برای سوخت دیزل از سیستم تزریق ویژه ای استفاده می شود که به دلیل تماس آن با هوا، سرعت احتراق مخلوطی از هیدروکربن ها به میزان قابل توجهی افزایش می یابد.
گرمایش
وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما توسط نظریه جنبشی مولکولی توضیح داده می شود. این به شما امکان می دهد تا تعداد برخورد بین مولکول های معرف را در شرایط خاصی محاسبه کنید. با داشتن چنین اطلاعاتی، در شرایط عادی، همه فرآیندها باید فوراً پیش بروند.
اما اگر مثال خاصی از وابستگی سرعت واکنش به دما را در نظر بگیریم، معلوم می شود که برای برهمکنش لازم است ابتدا پیوندهای شیمیایی بین اتم ها شکسته شود تا مواد جدیدی از آنها تشکیل شود. این به مقدار قابل توجهی انرژی نیاز دارد. وابستگی سرعت واکنش به دما چیست؟ انرژی فعال‌سازی احتمال پارگی مولکول‌ها را تعیین می‌کند و واقعیت فرآیندها را مشخص می‌کند. واحدهای آن kJ/mol هستند.
اگر انرژی کافی نباشد، برخورد بی اثر خواهد بود، بنابراین با تشکیل یک مولکول جدید همراه نیست.
نمایش گرافیکی
وابستگی سرعت یک واکنش شیمیایی به دما را می توان به صورت گرافیکی نشان داد. هنگامی که گرم می شود، تعداد برخورد بین ذرات افزایش می یابد، که به تسریع برهمکنش کمک می کند.
نمودار سرعت واکنش در برابر دما چگونه به نظر می رسد؟ انرژی مولکول ها به صورت افقی ترسیم می شود و تعداد ذرات با ذخیره انرژی بالا به صورت عمودی نشان داده می شود. نمودار منحنی است که می تواند برای قضاوت در مورد سرعت یک تعامل خاص استفاده شود.
هر چه اختلاف انرژی از میانگین بیشتر باشد، نقطه منحنی از حداکثر فاصله بیشتری دارد و درصد کمتری از مولکول‌ها چنین ذخیره انرژی دارند.
جنبه های مهم
آیا می توان معادله ای برای وابستگی ثابت سرعت واکنش به دما نوشت؟ افزایش آن در افزایش سرعت فرآیند منعکس می شود. چنین وابستگی با یک مقدار مشخص مشخص می شود که ضریب دمایی نرخ فرآیند نامیده می شود.
برای هر برهمکنشی، وابستگی ثابت سرعت واکنش به دما آشکار شده است. اگر 10 درجه افزایش یابد، سرعت فرآیند 2-4 برابر افزایش می یابد.
وابستگی سرعت واکنش های همگن به دما را می توان به شکل ریاضی نشان داد.
برای بیشتر فعل و انفعالات در دمای اتاق، ضریب در محدوده 2 تا 4 است. برای مثال، با ضریب دمایی 2.9، افزایش دما به میزان 100 درجه، روند را تقریباً 50000 برابر سرعت می بخشد.
وابستگی سرعت واکنش به دما را می توان به راحتی با مقادیر مختلف انرژی فعال سازی توضیح داد. در طی فرآیندهای یونی که تنها با برهمکنش کاتیون ها و آنیون ها تعیین می شود، دارای حداقل مقدار است. آزمایش‌های متعدد گواه وقوع آنی چنین واکنش‌هایی است.
وقتی انرژی فعال سازی زیاد باشد، تنها تعداد کمی از برخورد بین ذرات منجر به اجرای برهمکنش می شود. با انرژی فعال‌سازی متوسط، واکنش‌دهنده‌ها با سرعت متوسط برهمکنش خواهند داشت.
تکالیف مربوط به وابستگی سرعت واکنش به غلظت و دما فقط در سطح تحصیلات ارشد در نظر گرفته می شود و اغلب باعث ایجاد مشکلات جدی برای کودکان می شود.
اندازه گیری سرعت یک فرآیند
آن دسته از فرآیندهایی که به انرژی فعال سازی قابل توجهی نیاز دارند، شامل شکستن اولیه یا تضعیف پیوند بین اتم ها در مواد اولیه است. در این حالت، آنها به یک حالت میانی خاص به نام کمپلکس فعال شده عبور می کنند. این یک حالت ناپایدار است، به سرعت به محصولات واکنش تجزیه می شود، این فرآیند با آزاد شدن انرژی اضافی همراه است.
در ساده ترین شکل خود، یک کمپلکس فعال شده، پیکربندی از اتم ها با پیوندهای قدیمی ضعیف شده است.
مهارکننده ها و کاتالیزورها
بیایید وابستگی سرعت واکنش آنزیمی به دمای محیط را تجزیه و تحلیل کنیم. چنین موادی به عنوان شتاب دهنده عمل می کنندفرآیند.
آنها خودشان در تعامل شرکت نمی کنند، تعداد آنها پس از اتمام فرآیند بدون تغییر باقی می ماند. اگر کاتالیزورها سرعت واکنش را افزایش دهند، برعکس، مهارکننده‌ها این فرآیند را کند می‌کنند.
ماهیت این امر تشکیل ترکیبات میانی است که در نتیجه آن تغییری در سرعت فرآیند مشاهده می شود.
نتیجه گیری
فعل و انفعالات شیمیایی مختلف در هر دقیقه در جهان رخ می دهد. چگونه می توان وابستگی سرعت واکنش به دما را تعیین کرد؟ معادله آرنیوس توضیحی ریاضی از رابطه بین ثابت سرعت و دما است. این ایده ای از آن دسته از مقادیر انرژی فعال سازی را ارائه می دهد که در آنها تخریب یا تضعیف پیوندهای بین اتم ها در مولکول ها، توزیع ذرات به مواد شیمیایی جدید امکان پذیر است.
به لطف تئوری مولکولی-سینتیکی، امکان پیش بینی احتمال برهمکنش بین اجزای اولیه برای محاسبه سرعت فرآیند وجود دارد. از جمله عواملی که بر سرعت واکنش تأثیر می گذارند، تغییر در شاخص دما، درصد غلظت مواد برهم کنش، سطح تماس، وجود کاتالیزور (بازدارنده) و همچنین ماهیت اجزای برهم کنش کننده از اهمیت ویژه ای برخوردار است..
