Kemisk reaktionshastighet

Reaktionshastighet

Hastigheten med vilken en kemisk reaktion fortskrider definieras som förändringen i koncentrationen av substratet eller produkten över tiden. Hastigheten för en kemisk reaktion är en funktion som presenteras i form av en allmänt tillämplig hastighetsekvation. Förändringar i mängden komponenter i en sådan ekvation uttrycks vanligtvis i molära koncentrationer. Observera att alla andra sätt att uttrycka kvantitet kan användas, såsom massa, molär fraktion eller atomfraktion (kvot). Kemi använder också ett mer avancerat koncept som kallas den momentana hastigheten för en kemisk reaktion . Reaktionsförloppet kan visualiseras genom att plotta sambandet mellan molär koncentration (på y-axeln) och reaktionstiden (på x-axeln). För den resulterande kurvan bestäms en tangent och dess lutning, varav den senare motsvarar reaktionens momentana hastighet. Ett annat värde som också kännetecknar hastigheten för en kemisk reaktion är den så kallade halveringstiden . Det är ett värde som beskriver radioaktiva grundämnens beteende över tid. Halveringstiden är den tid som krävs för att hälften av den initiala mängden substrat ska reagera, vilket innebär att ju längre halveringstiden är, desto mindre blir hastighetskonstanten k i hastighetsekvationen för en kemisk reaktion. Faktorer som påverkar hastigheten för en kemisk reaktion:

• Substratkoncentration – det har experimentellt bevisats gång på gång att reaktionshastigheten är avgörande beroende på substratkoncentrationen. Ju högre koncentrationen är i systemet, desto snabbare kommer en viss process att fortskrida. Detta kan förklaras med hjälp av kollisionsteori. Enligt denna teori är en förutsättning för att en viss kemisk reaktion ska äga rum förekomsten av en lyckad kollision (dvs. kollision med tillräcklig energi) mellan enskilda substratmolekyler. Alltså, ju fler substratmolekyler det finns (ju högre koncentration de har), desto högre är sannolikheten för en kollision och därmed högre reaktionshastighet (detta är ett direkt proportionellt förhållande).
• En katalysator som finns i systemet – katalysatorer är ämnen som, när de läggs till ett reaktionssystem, ökar hastigheten med vilken en kemisk reaktion fortskrider. Detta är relaterat till minskningen av aktiveringsenergin, dvs den energi som krävs för att substraten ska övervinna reaktionens energibarriär och bilda det aktiva komplexet (övergångstillståndet) innan de faktiska reaktionsprodukterna bildas. Katalysatorns sänkning av aktiveringsenergin innebär att mindre energi krävs för att initiera den kemiska reaktionen.
• Temperatur och tryck – enligt van’t Hoffs regel, höjning av reaktionssystemets temperatur med 10ᵒC, ökar reaktionshastigheten med 2 till 4 gånger. Detta förhållande gör det möjligt att uppskatta reaktionshastigheten om temperaturen höjs, men det gäller inte alla reaktioner och i undantagsfall leder det till och med till en minskning av reaktionshastigheten eller till oönskade produkter. För reaktioner som endast involverar gasformiga ämnen spelar trycket i systemet en nyckelroll. Dess ökning innebär att substratkoncentrationen är högre, så att framgångsrika kollisioner mellan enskilda molekyler sker mer effektivt och reaktionshastigheten ökar.
• Finhetsgrad – kemiska reaktioner som involverar fasta substrat äger rum på deras yta. Ju större yta ämnet har, desto snabbare och effektivare blir reaktionen med den. Sålunda, för att öka denna yta så mycket som möjligt, utsätts substraten för krossning eller slipning. Ett exempel är järnpulver, som oxiderar snabbt i en facklas låga, en effekt som inte observeras vid uppvärmning av en järnstav.
• Blandning – blandning har en liknande effekt på reaktionshastigheten som finhetsgraden. Att initiera rörelsen av molekyler i systemet leder till deras tätare kontakt och bildandet av reaktionsprodukter. I ytprocesser underlättar blandning avskiljandet av resulterande molekyler, t.ex. från katalysatorns yta, vilket ökar tillgången till de aktiva centran för andra substrat.

Betygsekvation

Hastighetsekvationen kan användas för att beskriva sambanden mellan hastigheten för en kemisk reaktion och koncentrationen av substraten. Varje kemisk omvandling har en karakteristisk hastighetsekvation. I enklaste termer kan detta samband uttryckas som produkten av koefficienten k (kallad reaktionshastighetskonstanten, ett värde som är konstant för en viss kemisk reaktion vid en viss temperatur) och koncentrationen av substraten. Formen för hastighetsekvationen beror på reaktionsordningen:

• Första ordningens reaktioner – hastigheten beror endast på koncentrationen av substratet, upphöjd till första potensen.
• Andra ordningens reaktioner – i detta fall måste båda reagerande komponenterna eller den stökiometriska koefficienten framför ett substrat (t.ex. i sönderdelningsreaktioner) inkluderas i hastighetsekvationen. I en sådan reaktion kommer hastigheten att bero på produkten av substratkoncentrationerna.

Exemplen ovan är de vanligaste, eftersom de flesta kemiska reaktioner är av första eller andra ordningen. Men man bör komma ihåg att reaktioner av en annan ordning, såsom nollordning, där reaktionshastigheten inte beror på koncentrationen av substraten, också är möjliga. Hastighetsekvationen som skrivs för en viss kemisk reaktion beror i första hand på dess mekanism, dvs på sekvensen av elementära reaktioner där molekylerna genomgår förändringar. I fallet med flerstegsmekanismprocesser bestäms hastigheten för hela reaktionen av dess långsammaste steg. I en sådan situation är det svårt att exakt bestämma hastighetsekvationen, eller så kan det vara mycket komplicerat. Hastighetsekvationen är också kopplad till begreppet ordningen för en kemisk reaktion . Ordningen definieras som summan av exponenterna i hastighetsekvationen. Det bestämmer hur många molekyler, joner eller atomer som måste delta i en lyckad kollision för att en kemisk reaktion ska äga rum.

Katalysatorers inverkan på hastigheten för kemiska reaktioner

Katalysatorer är ämnen vars närvaro i ett system ökar hastigheten för en kemisk reaktion. Viktigt är att de själva inte reagerar i processerna. Tillsammans med substrat bildar de så kallade aktiva komplex, som är mycket lättare att omvandla. När den kemiska reaktionen är klar, regenereras katalysatorn i sin ursprungliga form. Katalysatorns huvuduppgift är att minska aktiveringsenergin, dvs den energi som måste tillföras för att framgångsrika kollisioner mellan substraten som är involverade i reaktionen ska inträffa. Vi kan särskilja homogen katalys (katalysatorn och reaktanterna är i samma fysiska tillstånd), heterogen katalys (katalysatorn och reaktanterna är i olika fysikaliska tillstånd – den vanligaste typen av katalys, där katalysatorn kallas kontakt) och autokatalys (en av de resulterande produkterna påskyndar ytterligare kemisk reaktion). Katalys och katalysatorer är extremt värdefulla och viktiga aspekter av de flesta industriella processer, framför allt de inom den kemiska industrin . Katalysatorer används i de flesta tekniska processer inom kemi, t.ex. vid framställning av salpetersyra (V) eller svavelsyra (VI) .