Pavyzdiniai klausimai, kuriuose aptariami reakcijos greitį įtakojantys veiksniai
Cheminė reakcija yra atomų arba molekulių virsmas, kuriam būdingi energijos pokyčiai ir energijos lygių pokyčiai. Praktiškai reakcijos greitis apibūdina, kaip greitai reagentai virsta produktais. Reakcijos greičiui gali turėti įtakos keli veiksniai, įskaitant koncentraciją, temperatūrą, slėgį (dujų reakcijoms), paviršiaus plotą ir katalizatorių buvimą. Šiame straipsnyje bus aptartos pavyzdinės problemos, susijusios su veiksniais, turinčiais įtakos reakcijos greičiui, su išsamiais paaiškinimais.
Reakcijos greitį įtakojantys veiksniai
1. Reagentų koncentracija
2. Temperatūra
3. Slėgis
4. Paviršiaus plotas
5. Katalizatorius
1. Reagentų koncentracija
1 klausimo pavyzdys:
Pateikta reakcija:
A + B → AB
Jei duotos [A] koncentracijos = 0,5 M ir [B] = 0,5 M, o pradinis reakcijos greitis apskaičiuojamas pagal formulę greitis = k[A][B]. Koks bus reakcijos greitis, jei A koncentracija padvigubės iki 1 M, o [B] koncentracija išliks 0,5 M?
Diskusija:
Reakcijos greičio formulė:
\[ \text{Greitis} = k[A][B] \]
Pradinis tarifas:
\[ \text{Greitis}_{\text{pradinis}} = k[0,5][0,5] = 0,25k \]
Kai A koncentracija tampa 1 M:
\[ \text{Norma}_{\text{nauja}} = k[1][0,5] = 0,5k \]
Įkainių palyginimas:
[\frac{\text{Rate}_{\text{new}}}{\text{Rate}_{\text{initial}}} = \frac{0,5k}{0,25k} = 2 \]
Taigi, naujas reakcijos greitis yra dvigubai didesnis už pradinį reakcijos greitį.
2. Temperatūra
2 klausimo pavyzdys:
Chemikas pastebi, kad cheminio proceso reakcijos greitis padidėja nuo 0,5 mol/l/s iki 2 mol/l/s, kai temperatūra padidėja nuo 300 K iki 320 K. Koks yra padidėjimo koeficientas, remiantis Arrhenijaus dėsniu?
Diskusija:
Arrhenijaus dėsnis teigia, kad:
\[ \text{Greitis} = Ae^{-\frac{E_a}{RT}} \]
Didėjant temperatūrai, Arrheniuso išraiškos eksponentė mažėja, todėl reakcijos greitis didėja. Šiuo atveju didėjimo koeficientas yra:
[\frac{\text{Greitis}\ \text{esant}\ 320\ K}{\text{Greitis}\ \text{esant}\ 300\ K} = \frac{2\ mol/l/s}{0,5\ mol/l/s} = 4]
Taigi, reakcijos greičio padidėjimo koeficientas yra 4 kartus.
3. Slėgis
3 klausimo pavyzdys:
Dujų reakcijoms:
\[ \text{2NO}(g) + \text{O}_2(g) → \text{2NO}_2(g) \]
Jei bendras slėgis padidėja nuo 1 atm iki 2 atm, esant pastoviam tūriui, kaip tai paveiks reakcijos greitį?
Diskusija:
Dujų reakcijose slėgis yra tiesiogiai proporcingas koncentracijai. Didinant slėgį, didėja kiekvienų dujų koncentracija, o tai didina reakcijos greitį. Darant prielaidą, kad slėgis išlieka proporcingas, reakcijos greitis didėja didėjant slėgiui:
\[ \text{Greitis}_{\text{naujas}} = k[2NO]^2[O_2] \]
Didėjant slėgiui, NO ir O₂ koncentracijos padvigubės, todėl reakcijos greitis padidės:
\[ \text{Greitis}_{\text{naujas}} = k[2NO]^2[2O_2] = k(2[NO])^2 (2[O_2]) = 4k[NO]^2[O_2] \]
Taigi reakcijos greitis padidėja 4 kartus.
4. Paviršiaus plotas
4 klausimo pavyzdys:
Kai kietas Zn dedamas į HCl tirpalą, reakcija, kurios metu susidaro H2 dujos, vyksta greičiau, kai Zn sumalamas į miltelius, nei kai jis yra Zn luito pavidalo. Kodėl taip yra?
Diskusija:
Padidinus kietųjų dalelių paviršiaus plotą, padidėja naujų reaguojančių molekulių, kurios gali susidurti su kietu Zn paviršiumi, skaičius. Reakcija tarp Zn ir HCl yra:
\[ \text{Zn}(s) + 2 \text{HCl}(aq) → \text{ZnCl}_2(aq) + \text{H}_2(g) \]
Kai Zn yra miltelių pavidalo, Zn ir HCl sąlyčio paviršius yra didesnis, palyginti su Zn luitų pavidalu, todėl padidėja reakcijos greitis dėl daugiau susidūrimo vietų.
5. Katalizatorius
5 klausimo pavyzdys:
Paaiškinkite vandenilio peroksido skilimo reakcijos greičių skirtumą su katalizatoriumi (mangano dioksidu, MnO2) ir be jo.
\[ \text{2H}_2\text{O}_2(aq) → 2\text{H}_2\text{O}(l) + \text{O}_2(g) \]
Diskusija:
Be katalizatoriaus vandenilio peroksido skilimas yra lėtas dėl didelės aktyvacijos energijos. Tačiau su MnO2 katalizatoriumi aktyvacijos energija žymiai sumažėja. MnO2 reakcijoje nereaguoja nuolat, o suteikia alternatyvų kelią (reakcijos mechanizmą) su mažesne aktyvacijos energija, pagreitindamas reakcijos greitį.
Su katalizatoriumi:
– Reakcijos greitis padidėja, nes reikia mažiau energijos.
– Reakcijos kinetika pasikeičia, bet produkto išeiga išlieka ta pati.
Katalizatoriai leidžia padidinti efektyvų susidūrimų dažnį nekeičiant reakcijos termodinamikos.
Išvada
Reakcijos greičiui įtakos turi keli veiksniai, įskaitant reagento koncentraciją, temperatūrą, slėgį, ypač dujinėse reakcijose, kietųjų medžiagų paviršiaus plotą ir katalizatorių buvimą. Koncentracija yra tiesiogiai proporcinga reakcijos greičiui; temperatūra veikia reagentų kinetinę energiją; slėgis veikia dujines reakcijas per dujų koncentraciją; paviršiaus plotas veikia susidūrimo plotą; o katalizatoriai pagreitina greitį sumažindami aktyvacijos energiją. Šių veiksnių supratimas yra būtinas norint kontroliuoti reakcijos greitį įvairiose pramonės srityse ir laboratoriniuose tyrimuose.
