เราต้องเผชิญกับปฏิกิริยาเคมีต่างๆ อยู่ตลอดเวลา การเผาไหม้ของก๊าซธรรมชาติ การเกิดสนิมของเหล็ก การเปรี้ยวของนมนั้นยังห่างไกลจากกระบวนการทั้งหมดที่มีการศึกษาอย่างละเอียดในหลักสูตรเคมีของโรงเรียน
ปฏิกิริยาบางอย่างใช้เวลาเสี้ยววินาที ในขณะที่การโต้ตอบบางอย่างใช้เวลาเป็นวันหรือเป็นสัปดาห์
มาลองระบุการพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิ ความเข้มข้น และปัจจัยอื่นๆ กัน ในมาตรฐานการศึกษาใหม่ จะมีการจัดสรรเวลาการศึกษาขั้นต่ำสำหรับปัญหานี้ ในการทดสอบการสอบแบบรวมศูนย์ มีงานที่ต้องพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิ ความเข้มข้น และแม้แต่งานการคำนวณ นักเรียนมัธยมปลายหลายคนประสบปัญหาบางอย่างในการหาคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้ ดังนั้นเราจะวิเคราะห์หัวข้อนี้โดยละเอียด
ความเกี่ยวข้องของประเด็นที่กำลังพิจารณา
ข้อมูลเกี่ยวกับอัตราการเกิดปฏิกิริยามีความสำคัญอย่างยิ่งในทางปฏิบัติและทางวิทยาศาสตร์ ตัวอย่างเช่นในการผลิตสารและผลิตภัณฑ์จากที่กำหนดมูลค่าโดยตรงขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ต้นทุนของสินค้า
การจำแนกปฏิกิริยาต่อเนื่อง
มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างสถานะของการรวมตัวของส่วนประกอบเริ่มต้นและผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการทางเคมี: ปฏิกิริยาที่ต่างกัน
เคมีมักจะเข้าใจระบบในฐานะสารหรือรวมกัน
ระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันคือระบบที่ประกอบด้วยเฟสเดียว (สถานะการรวมตัวเดียวกัน) ตัวอย่างเช่น เราสามารถพูดถึงส่วนผสมของก๊าซ ของเหลวหลายชนิด
ต่างกันคือระบบที่สารตั้งต้นอยู่ในรูปของก๊าซและของเหลว ของแข็งและก๊าซ
ไม่เพียงแต่อัตราการเกิดปฏิกิริยาต่ออุณหภูมิเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับเฟสที่ใช้ส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องในการโต้ตอบที่วิเคราะห์ด้วย
องค์ประกอบที่เป็นเนื้อเดียวกันมีลักษณะเฉพาะโดยการไหลของกระบวนการตลอดทั้งเล่ม ซึ่งช่วยปรับปรุงคุณภาพได้อย่างมาก
หากสารตั้งต้นอยู่ในสถานะเฟสต่างกัน ในกรณีนี้ จะสังเกตปฏิกิริยาสูงสุดที่ขอบเขตของเฟส ตัวอย่างเช่น เมื่อโลหะออกฤทธิ์ละลายในกรด จะสังเกตเห็นการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ (เกลือ) บนพื้นผิวที่สัมผัสเท่านั้น
ความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ระหว่างความเร็วของกระบวนการกับปัจจัยต่างๆ
สมการอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีกับอุณหภูมิเป็นอย่างไร? สำหรับกระบวนการที่เป็นเนื้อเดียวกัน อัตราจะถูกกำหนดโดยจำนวนเงินสารที่มีปฏิสัมพันธ์หรือเกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาในปริมาตรของระบบต่อหน่วยเวลา
สำหรับกระบวนการที่ต่างกัน อัตราจะถูกกำหนดโดยปริมาณของสารที่ทำปฏิกิริยาหรือผลิตในกระบวนการต่อหน่วยพื้นที่ในช่วงเวลาขั้นต่ำ
ปัจจัยที่มีผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี
ธรรมชาติของสารที่ทำปฏิกิริยาเป็นหนึ่งในสาเหตุของอัตรากระบวนการที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น โลหะอัลคาไลก่อตัวเป็นด่างกับน้ำที่อุณหภูมิห้อง และกระบวนการนี้มาพร้อมกับวิวัฒนาการที่รุนแรงของก๊าซไฮโดรเจน โลหะมีตระกูล (ทอง แพลตตินั่ม เงิน) ไม่สามารถดำเนินการดังกล่าวได้ที่อุณหภูมิห้องหรือเมื่อถูกความร้อน
ธรรมชาติของสารตั้งต้นเป็นปัจจัยที่ถูกนำมาพิจารณาในอุตสาหกรรมเคมีเพื่อเพิ่มความสามารถในการทำกำไรของการผลิต
ความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของรีเอเจนต์กับความเร็วของปฏิกิริยาเคมีถูกเปิดเผย ยิ่งสูงอนุภาคก็จะยิ่งชนกันมากขึ้น ดังนั้น กระบวนการก็จะดำเนินเร็วขึ้น
กฎการกระทำของมวลในรูปแบบทางคณิตศาสตร์อธิบายความสัมพันธ์ตามสัดส่วนโดยตรงระหว่างความเข้มข้นของสารตั้งต้นกับความเร็วของกระบวนการ
ถูกคิดค้นขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่สิบเก้าโดยนักเคมีชาวรัสเซีย N. N. Beketov สำหรับแต่ละกระบวนการ ค่าคงที่ของปฏิกิริยาจะถูกกำหนด ซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ ความเข้มข้น หรือลักษณะของสารตั้งต้น
ถึงหากต้องการเร่งปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับของแข็ง คุณต้องบดให้เป็นผง
ในกรณีนี้ พื้นที่ผิวจะเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลดีต่อความเร็วของกระบวนการ สำหรับน้ำมันดีเซลนั้นใช้ระบบหัวฉีดแบบพิเศษ เมื่อสัมผัสกับอากาศ อัตราการเผาไหม้ของส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก
เครื่องทำความร้อน
การพึ่งพาอัตราของปฏิกิริยาเคมีต่ออุณหภูมิอธิบายโดยทฤษฎีจลนพลศาสตร์ระดับโมเลกุล ช่วยให้คุณสามารถคำนวณจำนวนการชนกันระหว่างโมเลกุลของรีเอเจนต์ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ด้วยข้อมูลดังกล่าว ภายใต้สภาวะปกติ กระบวนการทั้งหมดควรดำเนินการทันที
แต่ถ้าเราพิจารณาตัวอย่างเฉพาะของการพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิ ปรากฎว่าสำหรับปฏิกิริยา จำเป็นต้องทำลายพันธะเคมีระหว่างอะตอมก่อนเพื่อสร้างสารใหม่จากพวกมัน สิ่งนี้ต้องการพลังงานจำนวนมาก การพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิคืออะไร? พลังงานกระตุ้นกำหนดความเป็นไปได้ของการแตกของโมเลกุลซึ่งบ่งบอกถึงความเป็นจริงของกระบวนการ มีหน่วยเป็น kJ/mol
ถ้าพลังงานไม่เพียงพอ การชนจะไม่ได้ผล จึงไม่เกิดการสร้างโมเลกุลใหม่
การแสดงกราฟิก
การพึ่งพาอัตราของปฏิกิริยาเคมีต่ออุณหภูมิสามารถแสดงเป็นภาพกราฟิกได้ เมื่อถูกความร้อน จำนวนการชนกันระหว่างอนุภาคจะเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้เกิดการเร่งปฏิกิริยา
อัตราการเกิดปฏิกิริยากับกราฟอุณหภูมิเป็นอย่างไร? พลังงานของโมเลกุลถูกวางแผนในแนวนอน และจำนวนอนุภาคที่มีพลังงานสำรองสูงจะแสดงในแนวตั้ง กราฟคือเส้นโค้งที่ใช้ตัดสินความเร็วของการโต้ตอบเฉพาะ
ยิ่งความแตกต่างของพลังงานจากค่าเฉลี่ยมากเท่าใด จุดของเส้นโค้งก็ยิ่งห่างจากจุดสูงสุดมากขึ้นเท่านั้น และโมเลกุลที่มีเปอร์เซ็นต์ที่เล็กกว่าก็มีพลังงานสำรองเช่นนี้
ประเด็นสำคัญ
สามารถเขียนสมการการพึ่งพาค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิได้หรือไม่ การเพิ่มขึ้นสะท้อนให้เห็นในการเพิ่มความเร็วของกระบวนการ การพึ่งพาอาศัยกันดังกล่าวมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าหนึ่งซึ่งเรียกว่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของอัตรากระบวนการ
สำหรับการโต้ตอบใดๆ ค่าคงที่อัตราการเกิดปฏิกิริยาต่ออุณหภูมิได้รับการเปิดเผย หากเพิ่มขึ้น 10 องศา ความเร็วของกระบวนการจะเพิ่มขึ้น 2-4 เท่า
อัตราการเกิดปฏิกิริยาเอกพันธ์ต่ออุณหภูมิสามารถแสดงในรูปแบบทางคณิตศาสตร์ได้
สำหรับการโต้ตอบส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิห้อง ค่าสัมประสิทธิ์จะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 2 ถึง 4 ตัวอย่างเช่น ด้วยค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ 2.9 อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 100 องศาจะทำให้กระบวนการเร็วขึ้นเกือบ 50,000 เท่า
อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสามารถอธิบายได้ง่าย ๆ ด้วยค่าพลังงานกระตุ้นที่แตกต่างกัน มีค่าต่ำสุดในระหว่างกระบวนการไอออนิกซึ่งถูกกำหนดโดยปฏิกิริยาของไพเพอร์และแอนไอออนเท่านั้น การทดลองมากมายเป็นพยานถึงการเกิดปฏิกิริยาดังกล่าวในทันที
เมื่อพลังงานกระตุ้นสูง การชนกันระหว่างอนุภาคเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่จะนำไปสู่การใช้ปฏิสัมพันธ์ ด้วยพลังงานกระตุ้นโดยเฉลี่ย สารตั้งต้นจะโต้ตอบด้วยความเร็วเฉลี่ย
การมอบหมายงานขึ้นอยู่กับอัตราการตอบสนองต่อความเข้มข้นและอุณหภูมิจะพิจารณาเฉพาะที่ระดับการศึกษาระดับสูงเท่านั้น ซึ่งมักก่อให้เกิดปัญหาร้ายแรงสำหรับเด็ก
การวัดความเร็วของกระบวนการ
กระบวนการเหล่านั้นที่ต้องใช้พลังงานกระตุ้นที่สำคัญเกี่ยวข้องกับการแตกเริ่มต้นหรือการอ่อนตัวของพันธะระหว่างอะตอมในสารดั้งเดิม ในกรณีนี้ พวกมันจะผ่านเข้าสู่สถานะกลางที่เรียกว่าคอมเพล็กซ์ที่เปิดใช้งาน มันเป็นสภาวะที่ไม่เสถียร ค่อนข้างจะสลายตัวเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาอย่างรวดเร็ว กระบวนการนี้มาพร้อมกับการปล่อยพลังงานเพิ่มเติม
ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด คอมเพล็กซ์ที่ถูกกระตุ้นคือโครงสร้างของอะตอมที่มีพันธะเก่าที่อ่อนแอ
สารยับยั้งและตัวเร่งปฏิกิริยา
มาวิเคราะห์การพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่อุณหภูมิปานกลางกัน สารดังกล่าวทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยากระบวนการ
พวกเขาเองไม่ได้มีส่วนร่วมในการโต้ตอบ จำนวนของพวกเขาหลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการยังคงไม่เปลี่ยนแปลง หากตัวเร่งปฏิกิริยาเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา ในทางกลับกัน ตัวยับยั้งก็จะทำให้กระบวนการนี้ช้าลง
สาระสำคัญของสิ่งนี้คือการก่อตัวของสารประกอบขั้นกลางซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงความเร็วของกระบวนการที่ถูกสังเกต
สรุป
ปฏิกิริยาเคมีต่างๆ เกิดขึ้นทุกนาทีในโลก จะสร้างการพึ่งพาอัตราการเกิดปฏิกิริยากับอุณหภูมิได้อย่างไร? สมการอาร์เรเนียสเป็นคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่อัตราและอุณหภูมิ มันให้แนวคิดเกี่ยวกับค่าของพลังงานกระตุ้นที่การทำลายหรือลดพันธะระหว่างอะตอมในโมเลกุลทำให้การกระจายของอนุภาคเป็นสารเคมีใหม่เป็นไปได้
ด้วยทฤษฎีโมเลกุล-จลนพลศาสตร์ เป็นไปได้ที่จะทำนายความน่าจะเป็นของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบเริ่มต้น เพื่อคำนวณอัตราของกระบวนการ ในบรรดาปัจจัยที่ส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยา สิ่งที่สำคัญเป็นพิเศษคือการเปลี่ยนแปลงของดัชนีอุณหภูมิ เปอร์เซ็นต์ความเข้มข้นของสารที่ทำปฏิกิริยาโต้ตอบ พื้นที่ผิวสัมผัส การมีอยู่ของตัวเร่งปฏิกิริยา (ตัวยับยั้ง) ตลอดจนธรรมชาติของส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยาโต้ตอบ.