Szybkość reakcji chemicznej

Szybkość reakcji

Szybkość, z jaką zachodzi dana reakcja chemiczna jest definiowana, jako zmiana stężenia substratu lub produktu w czasie. Szybkość reakcji chemicznej jest funkcją, którą charakteryzuje się w formie ogólnie stosowanego równania kinetycznego. Zmiany stężenia składników w takim równaniu zwykle są podane, jako stężenia molowe. Ale należy pamiętać, że można użyć każdego innego sposobu wyrażania ilości, jak np. masa, ułamek molowy, ułamek atomowy. W chemii stosowane jest również bardziej zaawansowane pojęcie, nazywane chwilową szybkością reakcji chemicznej. Zachodzenie reakcji można zobrazować nanosząc na wykres zależności stężenia molowego (na osi y) od czasu reakcji (na osi x). Dla powstałej krzywej wyznacza się styczną i współczynnik nachylenia, który odpowiada chwilowej szybkości reakcji.

Wielkością, która również określa szybkość reakcji chemicznej jest tzw. okres półtrwania. Jest to wielkość opisująca zachowanie się w czasie pierwiastków promieniotwórczych. Okres półtrwania jest to czas niezbędny do tego, aby połowa początkowej ilości substratu, uległa przereagowaniu. W takim przypadku, im dłuższy jest ten okres, tym stała szybkości k w równaniu kinetycznym reakcji chemicznej, ma mniejszą wartość.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych:

• Stężenie substratu – wielokrotnie udowodniono doświadczalnie, że szybkość reakcji w decydujący sposób zależy od stężenia substratu/substratów. Im większe jest jego stężenie w układzie, tym dany proces będzie zachodził szybciej. Wytłumaczyć można to przy pomocy teorii zderzeń aktywnych. Zgodnie z nią, zajście danej reakcji chemicznej jest uwarunkowane wystąpieniem efektywnego zderzenia (z wymaganą energią) pomiędzy pojedynczymi cząsteczkami substratów. Zatem im więcej jest takich cząsteczek (im większe ich stężenie), tym prawdopodobieństwo zderzenia znacznie wzrasta, a co za tym idzie zwiększa się szybkość reakcji (jest to zależność wprost proporcjonalna).
• Obecność w układzie katalizatora – katalizatory to substancje, które dodane do układu reakcyjnego zwiększają szybkość zachodzenia reakcji chemicznej. Jest to związane z obniżaniem energii aktywacji, czyli energii potrzebnej substratom, aby pokonać barierę energetyczną reakcji i utworzyć kompleks aktywny (stan przejściowy, poprzedzający powstanie właściwych produktów reakcji). Zmniejszenie energii aktywacji przez katalizator sprawia, że potrzebna jest mniejsza ilość energii niezbędnej do zapoczątkowania reakcji chemicznej.
• Temperatura i ciśnienie – zgodnie z regułą van’t Hoffa, podniesienie temperatury układu reakcyjnego o 10ᵒC, powoduje zwiększenie szybkości reakcji od 2 do 4 razy. Podana zależność pozwala w przybliżeniu oszacować szybkość zachodzenia reakcji wraz ze zwiększeniem temperatury, jednak nie odnosi się do wszystkich reakcji i w wyjątkowych sytuacjach doprowadza nawet do obniżenia tej szybkości lub otrzymania niepożądanych produktów. W przypadku przemian zachodzących z udziałem tylko substancji gazowych, kluczowe znaczenie ma panujące w układzie ciśnienie. Jego wzrost wpływa na zwiększenie stężenia substratów, a zatem efektywniej zachodzą zderzenia aktywne pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami i wzrasta szybkość zachodzenia reakcji.
• Stopień rozdrobnienia – reakcje chemiczne zachodzące z udziałem substratów w stałym stanie skupienia, zachodzą na ich powierzchni. Im większa powierzchnia substancji, tym zachodząca z jej udziałem przemiana jest szybsza i efektywniejsza. Zatem, aby zwiększyć możliwie jak najbardziej obszar przemiany, poddaje się ją rozdrobnieniu czy mieleniu. Przykładem może być sproszkowane żelazo, które w płomieniu palnika gwałtownie się utlenia, a efektu tego nie obserwuje się podczas ogrzewania żelaznego pręta.
• Mieszanie – podobny wpływ na szybkość reakcji jak stopień rozdrobnienia, ma mieszanie. Zainicjowanie ruchu cząsteczek w układzie, prowadzi do ich częstszego kontaktu i powstawania produktów reakcji. W procesach powierzchniowych, mieszanie ułatwia oderwanie się cząsteczek powstałych substancji, np. z powierzchni katalizatora, dzięki czemu uproszczony staje się dostęp do centrów aktywnych dla innych substratów.

Równanie kinetyczne

Za pomocą równania kinetycznego można opisać zależności, jakie występują pomiędzy szybkością reakcji chemicznej i stężeniem substratów. Każda z przemian chemicznych posiada charakterystyczne dla siebie równanie kinetyczne. Najprościej zależność tą można zapisać, jako iloczyn współczynnika k (nazywanego stałą szybkości reakcji, wartość stała dla danej reakcji chemicznej w określonej temperaturze) i stężenia substratów. Postać równania kinetycznego, uzależniona jest od rzędowości reakcji:

• Reakcje I rzędu – szybkość zależy tylko od stężenia substratu, zapisanego w równaniu w pierwszej potędze.
• Reakcje II rzędu – w tym przypadku, w równaniu kinetycznym należy uwzględnić obydwa reagujące ze sobą składniki, bądź współczynnik stechiometryczny stojący przed jednym substratem (np. w reakcjach rozkładu). W takiej reakcji szybkość będzie uzależniona od iloczynu stężeń substratów.

Podane powyżej przykłady są najczęściej występującymi, ponieważ większość reakcji chemicznych jest I lub II rzędu. Ale należy pamiętać, że mogą się także pojawiać reakcje innego rzędu, jak np. zerowego, gdzie szybkość reakcji nie zależy od stężenia substratów.

To, jakie równanie kinetyczne zostanie zapisane dla danej reakcji chemicznej, zależy przede wszystkim od jej mechanizmu, czyli od ciągu reakcji elementarnych, w których cząsteczki ulegają zmianom. W procesach o mechanizmie wieloetapowym, szybkość całej reakcji jest determinowana przez etap najwolniejszy. W takiej sytuacji trudno precyzyjnie ustalić właściwe równanie kinetyczne lub jego postać może być bardzo skomplikowana. Z równaniem kinetycznym, wiąże się także pojęcie rzędowości reakcji chemicznej. Rząd ten definiowany jest, jako suma wykładników potęgowych w równaniu kinetycznym. Określa on ile cząsteczek, jonów czy atomów musi uczestniczyć w zderzeniu aktywnym, aby zaszła reakcja chemiczna.

Wpływ katalizatorów na szybkość reakcji chemicznych

Katalizatory to substancje, których obecność w układzie zwiększa szybkość reakcji chemicznej. Co ważne, same nie reagują w zachodzących procesach. Wraz z substratami tworzą tak zwane kompleksy aktywne, które znacznie łatwiej ulegają przemianom. Po zakończeniu reakcji chemicznej katalizator jest odtwarzany w pierwotnej postaci. Głównym zadaniem katalizatora jest obniżenie energii aktywacji, a więc energii, jaka musi zostać dostarczona, aby doszło do efektywnych zderzeń substratów biorących udział w reakcji. Wyróżnia się katalizę homogeniczną (katalizator i reagenty znajdują się w tych samym stanie skupienia), katalizę heterogeniczną (katalizator i reagenty są w różnych stanach skupienia – najczęściej spotykany rodzaj katalizy, w której katalizator jest określany mianem kontaktu) oraz autokatalizę (jeden z powstających produktów przyspiesza zachodzenie dalszej reakcji chemicznej).

Kataliza i katalizatory to niezwykle cenne i ważne aspekty większości procesów przemysłowych, w tym przede wszystkim przemysłu chemicznego.  Większość procesów technologicznych w chemii stosuje katalizatory, np. otrzymywanie kwasu azotowego (V) czy kwasu siarkowego (VI).