Rýchlosť chemickej reakcie

Rýchlosť reakcie

Rýchlosť, ktorou prebieha chemická reakcia, je definovaná ako zmena koncentrácie substrátu alebo produktu v priebehu času. Rýchlosť chemickej reakcie je funkcia, ktorá je prezentovaná vo forme všeobecne použiteľnej rýchlostnej rovnice. Zmeny v množstve zložiek v takejto rovnici sú zvyčajne vyjadrené v molárnych koncentráciách. Upozorňujeme, že je možné použiť akýkoľvek iný spôsob vyjadrenia množstva, ako je hmotnosť, molárny zlomok alebo atómový zlomok (pomer). Chémia tiež používa pokročilejší koncept nazývaný okamžitá rýchlosť chemickej reakcie . Priebeh reakcie je možné vizualizovať vynesením vzťahu medzi molárnou koncentráciou (na osi y) a reakčným časom (na osi x). Pre výslednú krivku sa určí dotyčnica a jej sklon, pričom druhá z nich zodpovedá okamžitej rýchlosti reakcie. Ďalšou hodnotou, ktorá tiež charakterizuje rýchlosť chemickej reakcie, je takzvaný polčas rozpadu . Je to hodnota, ktorá popisuje správanie sa rádioaktívnych prvkov v čase. Polčas je čas potrebný na reakciu polovice počiatočného množstva substrátu, čo znamená, že čím dlhší je polčas rozpadu, tým menšia je rýchlostná konštanta k v rýchlostnej rovnici chemickej reakcie. Faktory ovplyvňujúce rýchlosť chemickej reakcie:

• Koncentrácia substrátu – experimentálne sa znovu a znovu dokázalo, že rýchlosť reakcie je v rozhodujúcej miere závislá od koncentrácie substrátu. Čím vyššia je jeho koncentrácia v systéme, tým rýchlejšie bude konkrétny proces prebiehať. Dá sa to vysvetliť pomocou teórie kolízie. Podmienkou pre uskutočnenie konkrétnej chemickej reakcie je podľa tejto teórie úspešná zrážka (tj zrážka s dostatočnou energiou) medzi jednotlivými molekulami substrátu. Čím viac molekúl substrátu je (čím vyššia je ich koncentrácia), tým vyššia je pravdepodobnosť kolízie a tým aj vyššia reakčná rýchlosť (je to priamo úmerný vzťah).
• Katalyzátor prítomný v systéme – katalyzátory sú látky, ktoré po pridaní do reakčného systému zvyšujú rýchlosť, ktorou prebieha chemická reakcia. Súvisí to so znížením aktivačnej energie, tj energie potrebnej na to, aby substráty prekonali energetickú bariéru reakcie a vytvorili aktívny komplex (stav prechodu) pred tvorbou skutočných produktov reakcie. Zníženie aktivačnej energie katalyzátorom znamená, že na spustenie chemickej reakcie je potrebné menej energie.
• Teplota a tlak – podľa van’t Hoffovho pravidla zvýšenie teploty reakčného systému o 10°C zvyšuje rýchlosť reakcie 2 až 4 krát. Tento vzťah umožňuje odhadnúť rýchlosť reakcie pri zvýšenej teplote, ale neplatí to pre všetky reakcie a vo výnimočných prípadoch vedie dokonca k zníženiu rýchlosti reakcie alebo k nežiaducim produktom. Pre reakcie zahŕňajúce iba plynné látky hrá kľúčovú úlohu tlak v systéme. Jeho zvýšenie znamená vyššiu koncentráciu substrátu, takže úspešné kolízie medzi jednotlivými molekulami sa vyskytujú efektívnejšie a zvyšuje sa rýchlosť reakcie.
• Stupeň jemnosti – na ich povrchu prebiehajú chemické reakcie pevných substrátov. Čím väčšia je plocha povrchu látky, tým rýchlejšia a účinnejšia je reakcia s ňou spojenou. Aby sa teda táto plocha čo najviac zväčšila, substráty sa podrobia drveniu alebo mletiu. Príkladom je železný prášok, ktorý v plameni horáka rýchlo oxiduje, čo je efekt, ktorý sa pri zahrievaní železnej tyče nepozoruje.
• Miešanie – miešanie má na rýchlosť reakcie podobný vplyv ako stupeň jemnosti. Iniciovanie pohybu molekúl v systéme vedie k ich častejšiemu kontaktu a tvorbe reakčných produktov. Pri povrchových procesoch miešanie uľahčuje oddelenie výsledných molekúl, napr. od povrchu katalyzátora, čím sa zvyšuje prístup k aktívnym centrám pre iné substráty.

Sadzobná rovnica

Rýchlostná rovnica sa môže použiť na opísanie vzťahov medzi rýchlosťou chemickej reakcie a koncentráciou substrátov. Každá chemická transformácia má charakteristickú rýchlostnú rovnicu. Zjednodušene možno tento vzťah vyjadriť ako súčin koeficientu k (nazývaného konštanta reakčnej rýchlosti, hodnota, ktorá je konštantná pre konkrétnu chemickú reakciu pri určitej teplote) a koncentrácie substrátov. Tvar rýchlostnej rovnice závisí od poradia reakcie:

• Reakcie prvého rádu – rýchlosť závisí len od koncentrácie substrátu, zvýšená na prvú mocninu.
• Reakcie druhého rádu – v tomto prípade musia byť do rýchlostnej rovnice zahrnuté obe reagujúce zložky alebo stechiometrický koeficient pred jedným substrátom (napr. pri rozkladných reakciách). Pri takejto reakcii bude rýchlosť závisieť od produktu koncentrácií substrátu.

Vyššie uvedené príklady sú najbežnejšie, pretože väčšina chemických reakcií je prvého alebo druhého rádu. Malo by sa však pamätať na to, že sú možné aj reakcie iného rádu, napríklad nultého rádu, kde rýchlosť reakcie nezávisí od koncentrácie substrátov. Rýchlostná rovnica, ktorá je napísaná pre konkrétnu chemickú reakciu, závisí predovšetkým od jej mechanizmu, teda od postupnosti elementárnych reakcií, pri ktorých dochádza k zmenám v molekulách. V prípade viacstupňových mechanizmov je rýchlosť celej reakcie určená jej najpomalším krokom. V takejto situácii je ťažké presne určiť sadzbu, alebo to môže byť veľmi komplikované. S pojmom rádu chemickej reakcie súvisí aj rýchlostná rovnica. Poradie je definované ako súčet exponentov v sadzobnej rovnici. Určuje, koľko molekúl, iónov alebo atómov sa musí zúčastniť úspešnej zrážky, aby prebehla chemická reakcia.

Vplyv katalyzátorov na rýchlosť chemických reakcií

Katalyzátory sú látky, ktorých prítomnosť v systéme zvyšuje rýchlosť chemickej reakcie. Dôležité je, že oni sami v procesoch nereagujú. Spolu so substrátmi tvoria takzvané aktívne komplexy, ktoré sa oveľa ľahšie premieňajú. Po ukončení chemickej reakcie sa katalyzátor regeneruje vo svojej pôvodnej forme. Hlavnou úlohou katalyzátora je znížiť aktivačnú energiu, tj energiu, ktorá sa musí dodať, aby došlo k úspešným zrážkam medzi substrátmi zapojenými do reakcie. Rozlišujeme homogénnu katalýzu (katalyzátor a reaktanty sú v rovnakom fyzikálnom stave), heterogénnu katalýzu (katalyzátor a reaktanty sú v rôznom fyzikálnom stave – najbežnejší typ katalýzy, pri ktorej sa katalyzátor označuje ako kontaktný) a autokatalýzu. (jeden z výsledných produktov urýchľuje ďalšiu chemickú reakciu). Katalýza a katalyzátory sú mimoriadne cenné a dôležité aspekty väčšiny priemyselných procesov, najmä tých v chemickom priemysle . Katalyzátory sa používajú vo väčšine technologických procesov v chémii, napr. pri výrobe kyseliny dusičnej (V) alebo kyseliny sírovej (VI) .