Cheminė kinetika

Šioje temoje nagrinėjama cheminė kinetika – mokslas apie cheminių reakcijų greitį ir mechanizmus. Aiškinamasi, kaip reakcijos greitis priklauso nuo įvairių veiksnių, tokių kaip koncentracija, temperatūra, slėgis ir katalizatoriai, bei kaip apskaičiuoti vidutinį ir momentinį reakcijos greitį. Taip pat aptariamas veikiančiųjų masių dėsnis homogeninėms ir heterogeninėms reakcijoms, Van't Hoffo taisyklė ir katalizės principai.

Cheminės reakcijos greitis
Cheminė kinetika nagrinėja reakcijų greičius ir jų mechanizmus. Reakcijos greitis – tai reaguojančių medžiagų arba produktų koncentracijos pokytis per laiko vienetą, dažniausiai išreiškiamas \(\text{mol}/(l \cdot s)\). Greitį įtakoja reaguojančių medžiagų prigimtis, koncentracija, slėgis (dujoms), temperatūra ir katalizatoriai/inhibitoriai.
Cheminių reakcijų tipai
Cheminės reakcijos skirstomos į homogenines ir heterogenines. Homogeninės reakcijos vyksta, kai reaguojančios medžiagos yra vienoje fazėje (pvz., dujų ar skysčių mišinyje). Heterogeninės reakcijos vyksta tarp medžiagų, esančių skirtingose fazėse, atskirtose sąlyčio paviršiumi.
Eksperimentinis reakcijos greičio nustatymas
Reakcijos greitis nustatomas eksperimentiškai, matuojant produkto susidarymo arba reagento sunaudojimo greitį. Pavyzdžiui, magnio reakcijoje su druskos rūgštimi (\(Mg(k) + 2HCl(aq) \rightarrow MgCl_2(aq) + H_2(d)\)) matuojamas išsiskyrusių vandenilio dujų tūris per laiką. Momentinis greitis nustatomas brėžiant liestinę kreivėje tam tikru laiko momentu. Liestinės polinkio kampo tangentas atitinka momentinį greitį.
Katalizė ir katalizatoriai
Katalizė – reiškinys, kai cheminės reakcijos greitis keičiamas naudojant katalizatorius. Katalizatoriai – medžiagos, kurios keičia reakcijos greitį, bet pačios chemiškai nepakinta. Teigiamieji katalizatoriai greitina reakcijas, neigiamieji (inhibitoriai) – lėtina. Katalizė gali būti homogeninė (reagentai ir katalizatorius toje pačioje fazėje) arba heterogeninė (skirtingose fazėse). Katalizatoriai veikia sumažindami aktyvacijos energiją.
Koncentracijos įtaka reakcijos greičiui
Didėjant reaguojančių medžiagų koncentracijai, didėja dalelių susidūrimų dažnis, todėl reakcijos greitis didėja. Vykstant reakcijai, reaguojančių medžiagų koncentracija mažėja, o produktų – didėja.
Praktiniai pavyzdžiai
Cheminės kinetikos principai taikomi praktikoje. Pavyzdžiui, tiriant reaguojančių medžiagų koncentracijos įtaką reakcijos \(Na_2S_2O_3(aq) + H_2SO_4(aq) \rightarrow Na_2SO_4(aq) + S(k) + H_2SO_3(aq)\) greičiui, matuojamas laikas, per kurį susidaro sieros drumzlės. Temperatūros įtaka tiriama toje pačioje reakcijoje, lyginant reakcijos laiką skirtingose temperatūrose. Katalizatoriaus \((MnO_2)\) įtaka stebima vandenilio peroksido skilimo reakcijoje, stebint deguonies išsiskyrimą.
Specifinės katalizatorių savybės
Katalizatoriai pasižymi specifiškumu (veikia tik tam tikrą reakciją) ir selektyvumu (gali įtakoti produktų sudėtį). Promotoriai padidina katalizatoriaus aktyvumą, o katalizatoriaus nuodai jį mažina. Inhibitoriai lėtina reakcijas ir dažnai naudojami kaip konservantai. Pereinamieji metalai (\(\text{Fe, Pt, Pd, Rh, Cu}\)) ir jų junginiai dažnai naudojami kaip katalizatoriai.
Temperatūros įtaka reakcijos greičiui Van't Hoffo taisyklė
Van't Hoffo taisyklė teigia, kad pakėlus temperatūrą \(10 \text{ °C}\), reakcijos greitis padidėja 2–4 kartus. Matematinė išraiška: \(v_2 = v_1 \times \gamma^{\frac{(t_2-t_1)}{10}}\), kur \(v_1\) – pradinis greitis, \(v_2\) – greitis, esant \(t_2\), \(\gamma\) – temperatūrinis koeficientas (2–4). Aktyvacijos energija – tai energija, reikalinga 1 molio molekulių suaktyvinimui, kad jos galėtų reaguoti.
Veikiančiųjų masių dėsnis heterogeninėms reakcijoms
Heterogeninėse reakcijose medžiagos sąveikauja fazių sąlyčio paviršiuje. Reakcijos greitis priklauso nuo difuzijos greičio ir sąlyčio ploto. Kietosios medžiagos koncentracija į reakcijos greičio išraišką neįtraukiama. Reakcijai \(mA(k) + nB(d) \rightarrow sC(d)\), greitis: \(v = k[B]^n\). Pavyzdys: \(CaO(k) + CO_2(d) \rightarrow CaCO_3(k)\), \(v = k[CO_2]\).
Veikiančiųjų masių dėsnis homogeninėms reakcijoms
Veikiančiųjų masių dėsnis teigia, kad homogeninės reakcijos greitis, esant pastoviai temperatūrai, yra tiesiogiai proporcingas reaguojančių medžiagų koncentracijų sandaugai, pakeltai laipsniu, lygiu stechiometriniam koeficientui. Reakcijai \(mA + nB \rightarrow sC + pD\), greitis: \(v = k[A]^m[B]^n\), kur \(k\) – greičio konstanta, \([A], [B]\) – koncentracijos, \(m\), \(n\) – stechiometriniai koeficientai. Dujinėms medžiagoms: \(v = k \times p(A)^m \times p(B)^n\), kur \(p\) – parcialinis slėgis.
Veiksniai, turintys įtakos cheminių reakcijų greičiui
Reakcijos greitį veikia: reaguojančių medžiagų prigimtis (aktyvesnės medžiagos reaguoja greičiau), koncentracija (didesnė koncentracija – didesnis greitis), sąlyčio paviršius (smulkesnės dalelės reaguoja greičiau), temperatūra (aukštesnė temperatūra – didesnis greitis) ir katalizatoriai (pagreitina reakcijas, sumažindami aktyvacijos energiją).
Vidutinio reakcijos greičio apskaičiavimas
Vidutinis reakcijos greitis (\(V_{vid}\)) apskaičiuojamas pagal reaguojančių medžiagų arba reakcijos produktų koncentracijos pokytį (\(\Delta c\)) per tam tikrą laiką (\(\Delta t\)): \(V_{vid} = -\frac{\Delta c(\text{reaguojančių medžiagų})}{\Delta t}\) arba \(V_{vid} = \frac{\Delta c(\text{reakcijos produktų})}{\Delta t}\). Minuso ženklas naudojamas reaguojančių medžiagų atveju, nes jų koncentracija mažėja. Pavyzdžiui, reakcijoje \(N_2(d) + 3H_2(d) \rightarrow 2NH_3(d)\), žinant koncentracijų pokyčius, galima apskaičiuoti vidutinį greitį kiekvienai medžiagai, atsižvelgiant į stechiometrinius koeficientus.

Prisijungti

arba
Real 2
„X“ yra inovatyvi mokymosi platforma, kurios tikslas – teikti aukštos kokybės mokymo medžiagą įvairiausių klasių mokiniams. Patyrusių specialistų parengtas turinys skatina smalsumą, padeda išsamiau ir giliau suprasti mokomus dalykus bei sėkmingai pasiruošti akademiniams iššūkiams.
Atsisiųsk programėlę:
Susisiek su mumis: info@knowledgenestapp.com