אנו מתמודדים כל הזמן עם אינטראקציות כימיות שונות. שרפת הגז הטבעי, החלדת הברזל, החמצת החלב רחוקים מכל התהליכים שנלמדים בפירוט בקורס כימיה בבית הספר.
חלק מהתגובות נמשכות שברירי שניות, בעוד שחלק מהאינטראקציות נמשכות ימים או שבועות.
בוא ננסה לזהות את התלות של קצב התגובה בטמפרטורה, ריכוז וגורמים נוספים. בתקן החינוכי החדש מוקצה זמן לימוד מינימלי לנושא זה. במבחנים של בחינת המדינה המאוחדת, ישנן משימות על התלות של קצב התגובה בטמפרטורה, ריכוז, ואפילו מוצעות משימות חישוב. תלמידי תיכון רבים חווים קשיים מסוימים במציאת תשובות לשאלות אלו, לכן ננתח נושא זה בפירוט.
הרלוונטיות של הנושא הנבדק
למידע על קצב התגובה יש חשיבות מעשית ומדעית רבה. למשל, בייצור ספציפי של חומרים ומוצרים מנתוןהערך תלוי ישירות בביצועי הציוד, בעלות הסחורה.
סיווג של תגובות מתמשכות
יש קשר ישיר בין מצב הצבירה של הרכיבים הראשוניים והמוצרים הנוצרים במהלך התהליך הכימי: אינטראקציות הטרוגניות.
מערכת מובנת בדרך כלל בכימיה כחומר או שילוב שלהם.
מערכת הומוגנית היא מערכת המורכבת משלב אחד (אותו מצב צבירה). כדוגמה, אנו יכולים להזכיר תערובת של גזים, מספר נוזלים שונים.
הטרוגני היא מערכת שבה מגיבים הם בצורה של גזים ונוזלים, מוצקים וגזים.
יש לא רק תלות של קצב התגובה בטמפרטורה, אלא גם בשלב שבו נעשה שימוש ברכיבים המעורבים באינטראקציה המנותחת.
קומפוזיציה הומוגנית מאופיינת בזרימת התהליך לאורך הכרך, מה שמשפר משמעותית את איכותו.
אם החומרים ההתחלתיים נמצאים במצבי פאזה שונים, במקרה זה, האינטראקציה המקסימלית נצפית בגבול הפאזה. לדוגמה, כאשר מתכת פעילה מומסת בחומצה, היווצרות של תוצר (מלח) נצפית רק על פני המגע שלהם.
קשר מתמטי בין מהירות תהליך וגורמים שונים
איך נראית המשוואה לקצב תגובה כימית מול טמפרטורה? עבור תהליך הומוגני, התעריף נקבע לפי הכמותחומר שמקיים אינטראקציה או נוצר במהלך תגובה בנפח המערכת ליחידת זמן.
עבור תהליך הטרוגני, הקצב נקבע באמצעות כמות החומר המגיב או המיוצר בתהליך ליחידת שטח למשך פרק זמן מינימלי.
גורמים המשפיעים על קצב תגובה כימית
אופי החומרים המגיבים הוא אחת הסיבות לשיעורי התהליכים השונים. לדוגמה, מתכות אלקליות יוצרות אלקליות עם מים בטמפרטורת החדר, והתהליך מלווה בהתפתחות אינטנסיבית של מימן גזי. מתכות אצילות (זהב, פלטינה, כסף) אינן מסוגלות לבצע תהליכים כאלה לא בטמפרטורת החדר ולא בחימום.
אופי המגיבים הוא גורם שנלקח בחשבון בתעשייה הכימית על מנת להגדיל את רווחיות הייצור.
נחשף הקשר בין ריכוז הריאגנטים למהירות התגובה הכימית. ככל שהוא גבוה יותר, כך יותר חלקיקים יתנגשו, לכן התהליך יתקדם מהר יותר.
חוק הפעולה של מסות בצורה מתמטית מתאר קשר פרופורציונלי בין ריכוז חומרי המוצא למהירות התהליך.
היא נוסחה באמצע המאה התשע-עשרה על ידי הכימאי הרוסי נ.נ.בקטוב. לכל תהליך נקבע קבוע תגובה, שאינו קשור לטמפרטורה, לריכוז או לאופי המגיבים.
לכדי לזרז תגובה הכוללת מוצק, עליך לטחון אותו לאבקה.
במקרה זה, שטח הפנים גדל, מה שמשפיע לטובה על מהירות התהליך. לסולר משתמשים במערכת הזרקה מיוחדת, שבגללה, כאשר הוא בא במגע עם אוויר, קצב הבעירה של תערובת פחמימנים עולה באופן משמעותי.
חימום
התלות של קצב תגובה כימית בטמפרטורה מוסברת על ידי תיאוריה קינטית מולקולרית. זה מאפשר לך לחשב את מספר ההתנגשויות בין המולקולות של הריאגנטים בתנאים מסוימים. חמושים במידע כזה, בתנאים רגילים, כל התהליכים צריכים להתקדם באופן מיידי.
אבל אם ניקח בחשבון דוגמה ספציפית לתלות של קצב התגובה בטמפרטורה, מסתבר שלאינטראקציה יש צורך קודם כל לשבור את הקשרים הכימיים בין אטומים כדי ליצור מהם חומרים חדשים. זה דורש כמות משמעותית של אנרגיה. מהי התלות של קצב התגובה בטמפרטורה? אנרגיית ההפעלה קובעת את האפשרות של קרע של מולקולות, היא מאפיינת את מציאות התהליכים. היחידות שלו הן kJ/mol.
אם האנרגיה לא מספיקה, ההתנגשות לא תהיה יעילה, ולכן היא לא מלווה ביצירת מולקולה חדשה.
ייצוג גרפי
ניתן לייצג את התלות של קצב תגובה כימית בטמפרטורה בצורה גרפית. בחימום, מספר ההתנגשויות בין חלקיקים גדל, מה שתורם להאצת האינטראקציה.
איך נראה גרף קצב תגובה לעומת טמפרטורה? האנרגיה של מולקולות משורטטת בצורה אופקית, ומספר החלקיקים בעלי מאגר אנרגיה גבוה מצוין בצורה אנכית. גרף הוא עקומה שניתן להשתמש בה כדי לשפוט את המהירות של אינטראקציה מסוימת.
ככל שהפרש האנרגיה גדול יותר מהממוצע, כך נקודת העקומה רחוקה מהמקסימום, ולאחוז קטן יותר של מולקולות יש מאגר אנרגיה כזה.
היבטים חשובים
האם אפשר לכתוב משוואה לתלות של קבוע קצב התגובה בטמפרטורה? עלייתו מתבטאת בעליית מהירות התהליך. תלות כזו מאופיינת בערך מסוים, הנקרא מקדם הטמפרטורה של קצב התהליך.
לכל אינטראקציה, נחשפה התלות של קבוע קצב התגובה בטמפרטורה. אם הוא מוגבר ב-10 מעלות, מהירות התהליך עולה פי 2-4.
ניתן לייצג את התלות של קצב התגובות ההומוגניות בטמפרטורה בצורה מתמטית.
לרוב האינטראקציות בטמפרטורת החדר, המקדם הוא בטווח שבין 2 ל-4. לדוגמה, עם מקדם טמפרטורה של 2.9, עליית טמפרטורה של 100 מעלות מאיצה את התהליך בכמעט פי 50,000.
ניתן להסביר בקלות את התלות של קצב התגובה בטמפרטורה על ידי ערך שונה של אנרגיית ההפעלה. יש לו ערך מינימלי במהלך תהליכים יוניים, אשר נקבעים רק על ידי האינטראקציה של קטיונים ואניונים. ניסויים רבים מעידים על התרחשות מיידית של תגובות כאלה.
כאשר אנרגיית ההפעלה גבוהה, רק מספר קטן של התנגשויות בין חלקיקים יוביל ליישום האינטראקציה. עם אנרגיית הפעלה ממוצעת, המגיבים יתקשרו במהירות ממוצעת.
משימות על התלות של קצב התגובה בריכוז ובטמפרטורה נחשבות רק ברמת החינוך הבכירה, ולעתים קרובות גורמות לילדים קשיים רציניים.
מדידת מהירות תהליך
אותם תהליכים הדורשים אנרגיית הפעלה משמעותית כרוכים בשבירה ראשונית או היחלשות של קשרים בין אטומים בחומרים המקוריים. במקרה זה, הם עוברים למצב ביניים מסוים, הנקרא הקומפלקס המופעל. זהו מצב לא יציב, מתפרק די מהר לתוצרי תגובה, התהליך מלווה בשחרור של אנרגיה נוספת.
בצורתו הפשוטה, קומפלקס מופעל הוא תצורה של אטומים עם קשרים ישנים מוחלשים.
מעכבים וזרזים
בוא ננתח את התלות של קצב התגובה האנזימטי בטמפרטורה הבינונית. חומרים כאלה פועלים כמאיציםתהליך.
הם עצמם אינם משתתפים באינטראקציה, מספרם לאחר השלמת התהליך נותר ללא שינוי. אם זרזים מגבירים את קצב התגובה, אז מעכבים, להיפך, מאטים את התהליך הזה.
מהות הדבר היא היווצרות תרכובות ביניים, כתוצאה מכך נצפה שינוי במהירות התהליך.
מסקנה
אינטראקציות כימיות שונות מתרחשות בכל דקה בעולם. כיצד לקבוע את התלות של קצב התגובה בטמפרטורה? משוואת ארניוס היא הסבר מתמטי של הקשר בין קבוע הקצב לטמפרטורה. זה נותן מושג על הערכים של אנרגיית ההפעלה שבהם הרס או היחלשות של קשרים בין אטומים במולקולות, חלוקה של חלקיקים לכימיקלים חדשים אפשריים.
תודות לתיאוריה המולקולרית-קינטית, ניתן לחזות את ההסתברות לאינטראקציות בין המרכיבים ההתחלתיים, כדי לחשב את קצב התהליך. בין אותם גורמים המשפיעים על קצב התגובה, בעלי חשיבות מיוחדת הוא השינוי במדד הטמפרטורה, אחוז הריכוז של חומרים המקיימים אינטראקציה, שטח פני המגע, נוכחות זרז (מעכב), וכן אופי המרכיבים המקיימים אינטראקציה..
