Rychlost chemických reakcí
Hlavní záložky
1. Podmínky průběhu chemické reakce
Pro průběh chemické reakce je důležité, aby měly částice reagujících látek dostatečnou kinetickou energii a mohlo dojit k efektivní srážce mezi nimi (musí být při srážce vhodně orientovány vůči sobě v prostoru). Energie potřebné pro zahájení chemické reakce se označuje jako aktivační energie EA. Historicky bylo odvozeno několik teorií popisujících průběh chemické reakce, starší je teorie aktivních srážek (TAS). Podmínkami pro uplatnění TAS je plynné skupenství reagujících částic a efektivní srážka. Tato teorie, jak plyne z podmínek pro její uplatnění, má jistá omezení, a proto se přišlo s teorií aktivovaného komplexu (TAK).
---
Obr.: Grafické znázornění aktivační energie
Tato teorie vysvětluje průběh reakce přes tzv. aktivovaný komplex, nestabilní částici jež poutají nevazebné interakce, která vzniká vzájemnou z výchozích látek a je kontinuálně přeměňována na koncové produkty. Její životnost se pohybuje ve zlomcích sekund.
Obr.: Schéma průběhu chemické reakce přes aktivovaný komplex
Molekularitou reakce rozumíme rozdělení reakcí dle počtu částic, které se musí srazit, aby došlo k elementární chemické přeměně. Nejběžnějšími reakcemi jsou monomolekulární (1 částice se rozpadá) a dimolekulární (srážka 2 částic).
2. Reakční kinetika a rychlost chemické reakce
Každá chemická reakce může probíhat různou rychlostí. Vědní obor, který se touto problematikou zabývá, se nazývá reakční kinetika. Rychlost chemické reakce je definována jako úbytek látkového množství výchozích látek (eduktů) či přírůstek látkového množství produktů za jednotku času. Pro obecnou chemickou reakci poté platí:
a A + b B → c C + d D
d ... derivace (matematická operace)
3. Faktory ovlivňující rychlost chemické reakce
Rychlost chemické reakce je možné ovlivnit několika faktory.
3.1 Vliv druhu eduktů na rychlost chemické reakce
V první řadě je rychlost chemické reakce závislá na tom, které látky spolu reagují, neboť některé jsou reaktivnější než jiné.
"Do třetiny objemu dvou zkumavek nalijeme 10 % kyselinu chlorovodíkovou. Poté přidáme do první 1 g práškového železa a do druhé 1 g hořčíkových pilin. Pozorně sledujeme rychlost průběhu chemických reakcí v obou zkumavkách."
3.2 Vliv koncentrací eduktů na rychlost chemické reakce
Závislost koncentrace výchozích látek na rychlost chemické reakce je charakterizována Guldberg-Waagovým zákonem: Rychlost chemických reakcí je přímo úměrná koncentraci výchozích látek (eduktů).
v = k•[A]α•[B]β
v ... rychlost chemické reakce, k ... rychlostní konstanta (závislá na teplotě), [A], [B] ... koncentrace výchozích látek, α, β ... dílčí řády chemické reakce
Z tohoto vztahu vyplývá, že chemická reakce probíhá tím rychleji, čím jsou edukty koncentrovanější.
"Do dvou zkumavek nasypeme po 2 g práškové mědi. Pomocí pipety přilijeme do první zkumavky 20 % kyselinu dusičnou a do druhé zkumavky stejnou kyselinu o koncentraci 65 %. Pozorně sledujeme průběh chemických reakcí v obou zkumavkách."
3.3 Vliv teploty na rychlost chemické reakce
Zvýšení teploty vždy urychluje chemickou reakci, což vyplývá z Arrheniovy rovnice:
k = Ze-EA/RT
Z ... frekvenční faktor
e ... eulerovo číslo, přibližně 2,72
EA ... aktivační energie
R ... molární plynová konstanta, přibližně 8,31 J•K-1•mol-1
T ... termodynamická teplota (v Kelvinech)
Každé zvýšení teploty o 10 °C urychlí chemickou reakci 2x - 4x.
"Do třetiny objemu dvou zkumavek nalijeme 20 % kyselinu chlorovodíkovou, přičemž v jedné necháme kyselinu při laboratorní teplotě (20 °C) a tu druhou ohřejeme přibližně na teplotu 60 °C. Do obou zkumavek vhodíme železný hřebík a pozorně sledujeme průběhy obou chemických reakcí".
3.4 Vliv specifického povrchu na rychlost chemické reakce
Plošný obsah eduktů je rovněž faktorem, který ovlivňuje rychlost chemické reakce. Čím je výchozí látka rozptýlenější (má větší specifický povrch), tím probíhá reakce rychleji.
"Zapálíme plynový kahan a do laboratorních kleští uchopíme hliníkový plíšek (či pecičku) a vsuneme ho do plamene. Přibližně po 5 sekundách ho z plamene vyjmeme. Nyní nabereme na lžičku 1 g práškového hliníku a opatrně ho začneme vsypávat do plamene kahanu. Porovnáme průběhy obou reakcí."
3.5 Vliv tlaku na rychlost chemické reakce
Změna tlaku ovlivňuje rychlost chemické reakce pouze u plynů. Jedná se o vliv koncentrace eduktů, neboť zvýšení tlaku vede ke zvýšení koncentrace plynu a tím pádem i urychlení chemické reakce.
3.6 Vliv katalyzátoru na rychlost chemické reakce
Mnohé chemické reakce by za normálních podmínek neprobíhaly vůbec, či jen velmi pomalu. Z tohoto důvodu se používají látky zvané katalyzátory, které průběh těchto reakcí usnadňují (urychlují). /o ukončení chemické reakce zůstávají ve svém původním stavu. Průběh katalyzované chemické reakce lze obecně vyjádřit:
A + B + K → AK + B → AB + K
A, B ... edukty
K ... katayzátor
Rozlišujeme katalýzu homogenní a heterogenní dle toho, zda jsou edukty s katalyzátorem ve stejném či rozdílném skupenství. Kromě toho existují také látky, které průběh chemické reakce brzdí. Tyto sloučeniny se nazývají inhibitory (negativní katalyzátory). V živých organismech jsou přítomny látky katalytického účinku nazývané enzymy (biokatalyzátory).
"Do třetiny objemu dvou baněk nalijeme 30 % peroxid vodíku. Jednu baňku ponecháme jako srovnávací, do druhé přidáme pár kapek 10 % chloridu železitého. Zapálíme špejli a postupně ji vsuneme do první a druhé baňky. Pozorované děje srovnáme"
Jedním typem chemických reakcí jsou autokatalycké reakce, při kterých vzniká produkt, který dále katalyzuje danou reakci.
