Transcript: Influenţa suprafeţei de contact şi a temperaturii asupra vitezei de reacţie

Ecuația stoichiometrică a unei reacții chimice descrie relațiile cantitative dintre participanții la reacție și cantitățile de produși care se pot forma.
Ne putem imagina cum moleculele se ciocnesc și se rearanjează pentru a forma produșii prin tot felul de mecanisme mai mult sau mai puțin complexe,
însă nu putem ști cât de repede are loc reacția sau dacă nu cumva are loc atât de încet încât e imposibil de utilizat în practică.
Obținem astfel de informații, extrem de utile de altfel, despre mecanismele de reacție și despre vitezele de reacție, numai studiind cinetica unei reacții chimice.
Să ne reamintim câtva dintre factorii care influențează viteza unei reacții chimice.
Avem concentrația reactanților,
suprafața de contact,
temperatura
și prezența catalizatorilor.
Studiind vitezele de reacție și factorii care le influențează, chimiștii descoperă cum pot controla desfășurarea reacțiilor chimice
pentru a ajunge la un rezultat de care de obicei beneficiem cu toții.
Lecția trecută am vorbit despre influența concentrațiilor reactanților asupra vitezei de reacție și am văzut că, în general,
cu cât aceste concentrații sunt mai ridicate, cu atât viteza reacției crește și ea.
Iar această dependență a vitezei de concentrație a reactanților este exprimată prin legea vitezei de reacție, despre care am discutat tot lecția trecută.
Acum în ceea ce privește influența asupra feței de contact, asupra vitezei de reacție.
Haideți să facem un mic exercițiu de imaginație.
Să zicem că vrem să amestecăm sare cu zahăr.
Acum nu știu de ce am vrea să facem asta, cel mai probabil pentru vreo rețetă.
În fine, ideea este că trebuie să ne dăm seama în ce situații aceste două substanțe se vor amesteca mai repede.
Când amândoi compușii se află în stare solidă, când unul e solid și celălalt e sub formă de soluție, sau atunci când avem ambii compuși sub formă de soluție.
E logic că, în ultimul caz, când sunt sub formă de soluție, sarea și zahărul se vor amesteca cel mai repede.
Acest lucru este valabil și în cazuri reacțiilor chimice mai complexe.
Știm că redistribuirea legăturilor chimice, adică ruperea vechilor legături și formarea unor noi legături, are loc în momentul în care particulele reactante se ciocnesc.
Șansele ca aceste particule să se ciocnească depinde gradul lor de libertate, de cât de liber se pot mișca în vasul de reacție.
Într-un amestec solid, viteza de reacție este foarte mică. Particulele sunt cu mult mai stabile decât în celelalte stări de agregare.
Astfel, reacția este localizată doar la nivelul punctelor de contact dintre particule. Ea nu are loc în toată masa sistemului.
Așadar, reacția are loc cu viteză mai mare când reactanții se găsesc în soluție.
În acest caz, gradul de libertate, deci gradul de dispersie, are mai mare, particulele au un diametru mai mic, iar astfel se stabilez mult mai multe puncte de contact între ele.
Și consecința este că și viteza de reacție este mult mai mare. Așadar, viteza de reacție este mai mare în fază lichidă decât în fază solidă.
Iar o suprafață mare de contact dintre reactanți înseamnă o viteză de reacție mărită.
Motoarele mașinilor se folosesc de suprafață de contact pentru a mări viteza de reacție.
Benzina e injectată în fiecare cilindru al motorului, unde combustia are loc la aprinderea unei scântei de la buzie.
Secretul stă în faptul că benzina e injectată sub forma unor picături microscopice, deoarece în această formă are o suprafață de contact cu mult mai mare.
În consecință arde mult mai repede decât dacă ar fi alimentată în cilindru sub forma unui jet de benzină.
În continuare, haideți să vedem și care este influența temperaturii asupra vitezei de reacție.
Creșterea temperaturii oricărui sistem duce la creșterea energiei cinetice medii a particulelor din acel sistem.
Și pe măsură ce energia cinetică crește, particulele se mișcă din ce în ce mai repede, deci crește agitația termică și vor exista mai multe ciocnirii eficace în unitatea de timp.
Ba mai mult, datorită creșterii energiei cinetice, crește și energia pe care particulele o posedă atunci când se ciocnez.
Acești doi factori, creșterea numărului de ciocniri eficace și creșterea energiei particulelor la ciocnire, duc la o mărire a vitezei de reacție.
Așadar, vedem că viteza tuturor reacțiilor chimice crește odată cu creșterea temperaturii.
Bineînțeles, este valabilă și relația inversă.
Viteza reacțiilor chimice descrește pe măsură ce descrește temperatura sistemului.
Să ne gândim puțin la frigidere. Care este funcția lor de fapt?
Frigiderele sau orice alte căi prin care depozităm alimentele la rece nu fac altceva decât să întârzie viteza de creștere a bacteriilor din alimente.
Practic, prin depozitarea la temperaturi scăzute, scade viteza reacțiilor biochimice care permit reproducerea bacteriilor.
În expresia vitezei de reacție, factorul care este dependent de temperatură este constanta de viteză k.
Ne amintim de lecția trecută că legea vitezei unei reacții, prin care se exprimă dependența vitezei de reacție de concentrația reactanților,
are în componența sa și această constantă de viteză k.
Pe măsură ce temperatura se mărește, se mărește și valoarea lui k din legea vitezei.
Prin anii 1890 se cunoștea deja faptul că temperaturile ridicate măresc viteza reacțiilor, însă oamenii de știință nu știau cum să explice asta.
Însă într-un final, în anul 1899, chimistul suedes Svante Arrhenius, cu care ne-am mai împîlnit și cu altă ocazie, a combinat două concepte într-una din cele mai importante relații din chimia fizică.
Relația lui Arrhenius redă dependența constantei de viteză de temperatură.
Cele două concepte pe care le-a combinat chimistul suedez în această relație sunt energia de activare și legea de distribuție a lui Boltzmann.
Vom vorbi despre ele imediat.
A este un factor pre-exponențial, care este o constantă specifică fiecarei reacții.
Pe E, îl cunoaștem de la matematică, este o constantă, iar E ridicat la o putere x se numește funcție exponențială.
Eindice A știm că este energia de activare.
R este constanta gazelor ideale, iar T reprezintă temperatura absolută.
Produsul eror T reprezintă energia cinetică medie a unui mol de gaz.
Pentru o reacție care implică ciocnirea a două molecule, energia de activare reprezintă energia cinetică minimă necesară pe care moleculele reactante trebuie să o posede pentru a putea forma produsii de reacție.
Spre exemplu, în cazul unei reacții în fază gazoasă, au loc numeroase ciocniri în fiecare secundă.
Însă numai o mică proporție dintre aceste ciocniri sunt suficient de energice pentru a duce la o reacție.
Fracția de ciocniri care au loc cu energie cinetică mai mare decât energia de activare Ea este dată de distribuția Boltzmann, drept E la puterea minus Ea supra eror T.
Astfel putem interpreta factorul exponențial din relația lui Arrhenius
drept fracția de ciocniri care au suficientă energie cinetică pentru a duce la reacție, sau mai putem spune că este probabilitatea ca o ciocnire oarecare să fie eficientă.
Factorul preexponențial A este o măsură a vitezei la care ciocnirile au loc, fără să țină cont de energia lor, deci A reprezintă numărul total de ciocniri pe secundă, indiferent dacă sunt eficiente sau nu.
Și astfel vedem că produsul dintre factorul preexponențial A și factorul exponențial E la puterea minus Ea supra eror T, adică constanta de viteză K, reprezintă de fapt viteza ciocnirilor eficace dintre particulele reactante.
Aceeași reacție chimică are la temperaturi diferite și valori diferite ale constante de viteză. Relația lui Arrhenius ne ajută să determinăm energia de activare a unei reacții.
Pentru asta trebuie să cunoaștem valorile a două constante de viteză, pe care le notăm K1 și K2, corespunzătoare a două temperaturi diferite, T1 și T2. T2 este mai mare decât T1.
Și astfel avem expresiile constantelor de viteză la cele două temperaturi, T1 și T2. Raportăm cele două constante, deci avem K2 supra K1, egal cu acest raport, care în continuare este egal cu E la o putere cam complicată.
Dar putem da un factor comun. Așadar, am obținut această expresie, pe care o logaritmăm și, după foarte puțină matematică și cunoștință de bază despre logaritmul natural,
obținem următoarea relație. Și aceasta este expresia din care putem calcula energia de activare. Deci energia de activare este egală cu această expresie sau, dacă o rearanjăm puțin, cu aceasta.
Are o relație complicată, însă lucrurile sunt de fapt foarte simple atunci când avem valorile celor două constante de viteză și acelor două temperaturi.
Putem determina energia de activare și prin metoda grafică.
Pentru asta trebuie să cunoaștem, la fel ca și în cazul precedent, valorile constantei la diferite temperaturi.
Așadar, pornim de la ecuația lui Arrhenius, pe care o logaritmăm și obținem următoarea relație.
Logaritm de k este egal cu logaritm din a minus energia de activare supra constanta gazelor ori 1 pt.
Această relație are forma ecuației unei drepte y egal ax plus b.
Dacă nu e clar, notăm logaritm de k cu y, logaritm de a cu b, minus e supra r cu a, iar 1 pt va fi x.
Și în continuare, reprezentăm grafic logaritm de k în funcție de 1 pt.
Am obținut astfel o dreaptă din panta pe care putem calcula energia de activare.
Așadar, am văzut în această lecție că o suprafață mai mare de contact duce la amărirea vitezei de reacție.
Și la fel, am văzut și că o temperatură ridicată determină o viteză mai mare de reacție.
Am analizat puțin și ce presupune relația lui Arrhenius și cum putem determina energia de activare cu ajutorul ei.
Iar lecția viitoare vom vedea și care este influența catalizatorilor asupra vitezei de reacție.