Szybkość reakcji chemicznych

Czym jest szybkość reakcji?

Szybkość reakcji chemicznej v można określić zmianą masy, stężenia lub objętości reagenta w ściśle określonym czasie. Szybkość nie jest wielkością stałą, lecz w miarę postępu reakcji zmienia się.

Uproszczone wyrażenie na szybkość reakcji:

v = Δc / Δt

Gdzie:

• v – szybkość reakcji,
• Δc – zmiana stężenia,
• Δt – zmiana czasu.

Jednostka szybkości reakcji: [mol/(dm³∙s)]

Od czego zależy szybkość reakcji chemicznej?

Na szybkość reakcji wpływa wiele czynników.

a) Stężenie reagentów

Im większe stężenie reagentów, tym częściej ich cząsteczki się zderzają.

Więcej zderzeń → większa szansa na reakcję → szybsza reakcja.

b) Temperatura

Wzrost temperatury powoduje, że cząsteczki poruszają się szybciej.

Dzięki temu:

• częściej się zderzają,
• mają większą energię.

Zwykle wzrost temperatury o 10°C zwiększa szybkość reakcji 2-4 razy.

c) Powierzchnia kontaktu

Dotyczy głównie ciał stałych.

Rozdrobniona substancja ma większą powierzchnię kontaktu, z inną substancją z którą reaguje, więc reaguje szybciej.

Przykład: proszek reaguje szybciej niż bryłka tej samej substancji.

d) Katalizator

Katalizator to substancja, która:

• przyspiesza przebieg reakcji,
• nie zużywa się w jej trakcie.

Nie zmienia on położenia równowagi, ale skraca czas przebiegu reakcji.

e) Ciśnienie (dla gazów)

Większe ciśnienie oznacza większe stężenie gazów, a więc szybszą reakcję.

Energia aktywacji reakcji chemicznej

Energia aktywacji to minimalna energia, jaką muszą posiadać cząsteczki, aby reakcja mogła zajść. Im mniejsza energia aktywacji, tym szybciej zachodzi reakcja. Katalizator obniża energię aktywacji.

Równania kinetyczne

Szybkość reakcji można opisać matematycznie.

Dla reakcji opisanej równaniem:

aA + bB → produkty

równanie szybkości reakcji ma postać:

v = k · c_A^m · c_Bⁿ

Gdzie:

• k – stała szybkości,
• m, n – współczynniki (zwane rzędami reakcji względem odpowiednich substratów),
• m + n – całkowity rząd reakcji.

Rząd reakcji określa, jak silnie stężenie danej substancji wpływa na szybkość tej reakcji.

Dla reakcji elementarnych cząsteczkowość reakcji (a, b w zapisanym wyżej równaniu)
i cząstkowe rzędy reakcji (m, n) są sobie równe.

Reakcje 0-rzędu

Reakcje, których szybkość nie zależy od stężenia reagentów, np. reakcje fotochemiczne.

v = k

k – stała szybkości: [mol·dm⁻³·s⁻¹]​

Przykład: 2AgCl → 2Ag + Cl₂

Reakcje I-rzędu

Reakcje, których szybkość zależy od stężenia reagenta w pierwszej potędze.

Dla reakcji:

A → B + C

Wyrażenie na stałą szybkości reakcji ma postać:

v = k∙c_A

k – stała szybkości: [s⁻¹]​

Przykład: N₂O₄ → 2NO₂

Reakcje II-rzędu

Reakcje, których szybkość zależy od stężenia reagenta lub reagentów w drugiej potędze.

Dla reakcji:

2A → B + C

Wyrażenie na stałą szybkości reakcji ma postać:

v = k∙c_A²

Dla reakcji:

A + B → C + D

Wyrażenie na stałą szybkości reakcji ma postać:

v = k∙c_A∙c_B

k – stała szybkości: [dm³·mol⁻¹·s⁻¹]​

Przykład: H₂ + F₂ → 2HF

Reakcje III-rzędu

Reakcje, których szybkość zależy od stężenia reagenta lub reagentów w trzeciej potędze.

3A → B + C

Wyrażenie na stałą szybkości reakcji ma postać:

v = k∙c_A³

Natomiast dla reakcji:

2A + B → C + D

Wyrażenie na stałą szybkości reakcji ma postać:

v = k∙c_A²∙c_B

k – stała szybkości: [dm⁶·mol⁻²·s⁻¹]​

Przykład: 2CO + O₂ → 2CO₂

Ważne: Rzędowość reakcji = cząsteczkowość tylko dla reakcji elementarnych!

Rząd reakcji jest wielkością empiryczną (ustala się go wyłącznie na podstawie doświadczenia).

Zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Równanie kinetyczne dla reakcji opisanej równaniem:

2NO₂ ⇄ 2NO + O₂

ma postać: v = k∙c_NO2²

Zadanie 1.1

Zapisz jednostkę stałej szybkości reakcji k w opisanym równaniu kinetycznym.

Rozwiązanie:

dm³·mol⁻¹·s⁻¹

Zadanie 1.2

Oblicz, jak zmieni się szybkość reakcji, jeżeli początkowe stężenie NO₂ będzie 2-krotnie większe.

Rozwiązanie:

v₁ = k∙c_NO2²

v₂ = k∙(2c_NO2)² = 4∙ k∙c_NO2²

v₂/v₁ = 4 ⭢ szybkość reakcji zwiększy się czterokrotnie.

Zadanie 2.

Badano kinetykę reakcji przedstawionej równaniem:

A + B → C + D

Równanie kinetyczne tego procesu ma postać:

v = k∙c_A^a ∙c_B^b

W celu doświadczalnego wyznaczenia równania kinetycznego, dokonywano wielokrotnego pomiaru szybkości reakcji, przy zmianie stężenia tylko jednego z reagentów. Przeprowadzono trzy doświadczenia, w których określono początkową szybkość reakcji przebiegającej w temperaturze T.

Na podstawie przedstawionych danych, wyznacz współczynniki a i b w równaniu kinetycznym tej reakcji oraz oblicz stałą szybkości tej reakcji.

Rozwiązanie:

 Rozwiązanie:

Podstawiając dane z pierwszego eksperymentu: