Rychlost chemické reakce

Rychlost reakce

Rychlost, kterou probíhá chemická reakce, je definována jako změna koncentrace substrátu nebo produktu v čase. Rychlost chemické reakce je funkce, která je prezentována ve formě obecně použitelné rychlostní rovnice. Změny množství složek v takové rovnici se obvykle vyjadřují v molárních koncentracích. Vezměte prosím na vědomí, že lze použít jakýkoli jiný způsob vyjádření množství, jako je hmotnost, molární zlomek nebo atomový zlomek (poměr). Chemie také používá pokročilejší koncept nazývaný okamžitá rychlost chemické reakce . Průběh reakce lze vizualizovat vynesením vztahu mezi molární koncentrací (na ose y) a reakční dobou (na ose x). Pro výslednou křivku se určí tečna a její směrnice, z nichž druhá odpovídá okamžité rychlosti reakce. Další hodnotou, která také charakterizuje rychlost chemické reakce, je takzvaný poločas rozpadu . Je to hodnota, která popisuje chování radioaktivních prvků v čase. Poločas rozpadu je doba potřebná k reakci poloviny původního množství substrátu, což znamená, že čím delší je poločas rozpadu, tím menší je rychlostní konstanta k v rychlostní rovnici chemické reakce. Faktory ovlivňující rychlost chemické reakce:

• Koncentrace substrátu – experimentálně bylo znovu a znovu prokázáno, že rychlost reakce je rozhodujícím způsobem závislá na koncentraci substrátu. Čím vyšší je jeho koncentrace v systému, tím rychleji bude určitý proces probíhat. To lze vysvětlit pomocí teorie kolize. Podle této teorie je podmínkou pro uskutečnění konkrétní chemické reakce výskyt úspěšné srážky (tj. srážky s dostatečnou energií) mezi jednotlivými molekulami substrátu. Čím více molekul substrátu tedy existuje (čím vyšší je jejich koncentrace), tím vyšší je pravděpodobnost srážky a tím vyšší reakční rychlost (jde o přímo úměrný vztah).
• Katalyzátor přítomný v systému – katalyzátory jsou látky, které po přidání do reakčního systému zvyšují rychlost, kterou probíhá chemická reakce. To souvisí se snížením aktivační energie, tj. energie potřebné k tomu, aby substráty překonaly energetickou bariéru reakce a vytvořily aktivní komplex (stav přechodu) před tvorbou vlastních reakčních produktů. Snížení aktivační energie katalyzátorem znamená, že k zahájení chemické reakce je potřeba méně energie.
• Teplota a tlak – podle van’t Hoffova pravidla zvýšení teploty reakčního systému o 10°C zvyšuje rychlost reakce 2 až 4krát. Tento vztah umožňuje odhadnout rychlost reakce při zvýšení teploty, ale neplatí pro všechny reakce a ve výjimečných případech vede i ke snížení rychlosti reakce nebo k nežádoucím produktům. U reakcí zahrnujících pouze plynné látky hraje klíčovou roli tlak v systému. Jeho zvýšení znamená vyšší koncentraci substrátu, takže dochází k efektivnějším srážkám mezi jednotlivými molekulami a zvyšuje se rychlost reakce.
• Stupeň jemnosti – na jejich povrchu probíhají chemické reakce zahrnující pevné substráty. Čím větší je povrch látky, tím rychlejší a účinnější je reakce s ní. Aby se tedy tato plocha co nejvíce zvětšila, jsou substráty podrobeny drcení nebo broušení. Příkladem je železný prášek, který v plameni hořáku rychle oxiduje, což je efekt, který není pozorován při zahřívání železné tyče.
• Míchání – míchání má na rychlost reakce podobný vliv jako stupeň jemnosti. Iniciování pohybu molekul v systému vede k jejich častějšímu kontaktu a vzniku reakčních produktů. Při povrchových procesech míchání usnadňuje oddělení výsledných molekul, např. od povrchu katalyzátoru, čímž se zvyšuje přístup k aktivním centrům pro další substráty.

Sazbová rovnice

Rychlostní rovnici lze použít k popisu vztahů mezi rychlostí chemické reakce a koncentrací substrátů. Každá chemická transformace má charakteristickou rychlostní rovnici. Nejjednodušeji lze tento vztah vyjádřit jako součin koeficientu k (nazývaného konstanta reakční rychlosti, hodnota, která je konstantní pro konkrétní chemickou reakci při určité teplotě) a koncentrace substrátů. Tvar rychlostní rovnice závisí na pořadí reakce:

• Reakce prvního řádu – rychlost závisí pouze na koncentraci substrátu, zvýšená na první mocninu.
• Reakce 2. řádu – v tomto případě musí být do rychlostní rovnice zahrnuty obě reagující složky nebo stechiometrický koeficient před jedním substrátem (např. u rozkladných reakcí). V takové reakci bude rychlost záviset na součinu koncentrací substrátu.

Výše uvedené příklady jsou nejběžnější, protože většina chemických reakcí je prvního nebo druhého řádu. Je však třeba mít na paměti, že jsou také možné reakce jiného řádu, jako je nultý řád, kde rychlost reakce nezávisí na koncentraci substrátů. Rychlostní rovnice, která je napsána pro konkrétní chemickou reakci, závisí především na jejím mechanismu, tj. na posloupnosti elementárních reakcí, při kterých dochází ke změnám molekul. V případě vícestupňových mechanizmů je rychlost celé reakce určena jejím nejpomalejším krokem. V takové situaci je obtížné přesně určit rychlostní rovnici, nebo to může být velmi komplikované. Rychlostní rovnice souvisí také s pojmem řádu chemické reakce . Pořadí je definováno jako součet exponentů v rovnici sazby. Určuje, kolik molekul, iontů nebo atomů se musí zúčastnit úspěšné srážky, aby došlo k chemické reakci.

Vliv katalyzátorů na rychlost chemických reakcí

Katalyzátory jsou látky, jejichž přítomnost v systému zvyšuje rychlost chemické reakce. Důležité je, že oni sami v procesech nereagují. Spolu se substráty tvoří tzv. aktivní komplexy, které se mnohem snadněji přetvářejí. Jakmile je chemická reakce dokončena, katalyzátor se regeneruje ve své původní formě. Hlavním úkolem katalyzátoru je snížit aktivační energii, tj. energii, která musí být dodána, aby došlo k úspěšným srážkám mezi substráty zapojenými do reakce. Rozlišujeme katalýzu homogenní (katalyzátor a reaktanty jsou ve stejném fyzikálním stavu), heterogenní katalýzu (katalyzátor a reaktanty jsou v různých fyzikálních stavech – nejběžnější typ katalýzy, kdy se katalyzátor označuje jako kontaktní) a autokatalýzu. (jeden z výsledných produktů urychluje další chemickou reakci). Katalýza a katalyzátory jsou extrémně cenné a důležité aspekty většiny průmyslových procesů, zejména těch v chemickém průmyslu . Katalyzátory se používají ve většině technologických procesů v chemii, např. při výrobě kyseliny dusičné (V) nebo kyseliny sírové (VI) .