Εργαστηριακή άσκηση του εκπ/κου Κορκή Άγγελου, ΠΕ04.02, “Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης”

You are currently viewing Εργαστηριακή άσκηση του εκπ/κου Κορκή Άγγελου, ΠΕ04.02, “Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης”

Στις 8 Δεκεμβρίου 2023 ο χημικός του σχολείου μας κ. Άγγελος Κορκής πραγματοποίησε εργαστηριακή άσκηση ενώπιον των μαθητών της γ’ λυκείου (κατεύθυνση υγείας)

ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ

Η χημική κινητική, που είναι επίσης γνωστή και ως κινητική των χημικών αντιδράσεων, είναι η μελέτη της ταχύτητας των χημικών διεργασιών. Η Χημική κινητική διερευνά το πώς διαφορετικές πειραματικές συνθήκες μπορούν να επηρεάσουν την ταχύτητα μιας χημικής αντίδρασης και δίνει πληροφορίες σχετικά με το μηχανισμό της αντίδρασης και τις μεταβατικές καταστάσεις, όπως και μαθηματικά μοντέλα που μπορούν να περιγράψουν τα χαρακτηριστικά μιας χημικής αντίδρασης. Το 1864, ο Πέτερ Βέγκε και ο Cato Guldberg πρωτοστάτησαν στην ανάπτυξη της χημικής κινητικής δίνοντας το νόμο δράσεως των μαζών, ο οποίος ορίζει ότι η ταχύτητα μιας χημικής αντίδρασης είναι ανάλογη με την ποσότητα των αντιδρώντων ουσιών .

Η Χημική κινητική ασχολείται με τον πειραματικό προσδιορισμό της ταχύτητας της αντίδρασης από τον οποίο προέρχονται οι νόμοι της ταχύτητας και οι σταθερές ταχύτητας. Σχετικά απλοί νόμοι ταχύτητας υπάρχουν για τις αντιδράσεις μηδενικής τάξης (για τις οποίες οι ταχύτητες αντίδρασης είναι ανεξάρτητες από τη συγκέντρωση). Διαφορετικοί νόμοι ταχύτητας προκύπτουν για τις αντιδράσεις πρώτης τάξης, και αντιδράσεις δεύτερης τάξης. Οι απλές αντιδράσεις, δηλαδή οι αντιδράσεις που γίνονται σε ένα βήμα, ακολουθούν το νόμο δράσης της μάζας. Αλλά ο νόμος για τις πολύπλοκες αντιδράσεις που γίνονται σε πολλά στάδια πρέπει να προέρχεται από το συνδυασμό των νόμων των επιμέρους στοιχειωδών βημάτων, και μπορεί να γίνει αρκετά πολύπλοκος. Σε διαδοχικές αντιδράσεις, η ταχύτητα του πιο αργού σταδίου καθορίζει συχνά την ταχύτητα της αντίδρασης. Η ενέργεια ενεργοποίησης για μια αντίδραση προσδιορίζεται πειραματικά μέσω της εξίσωσης Arrhenius και της εξίσωσης Eyring.

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης

Συγκέντρωση

Οι αντιδράσεις οφείλονται σε επιτυχείς συγκρούσεις των αντιδρώντων ειδών, μορίων ή ιόντων. Η συχνότητα με την οποία τα μόρια ή ιόντα συγκρούονται εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις τους. Όσο πιο πολυσύχναστη είναι η μοριακή φάση, τόσο πιο πιθανό είναι τα μόρια να συγκρουστούν και να αντιδράσουν μεταξύ τους. Έτσι, η αύξηση στις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων θα οδηγήσει συνήθως στην αντίστοιχη αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης, ενώ η μείωση των συγκεντρώσεων θα έχει συνήθως αντίστροφη επίδραση. Για παράδειγμα, η καύση που λαμβάνει χώρα στον αέρα (με 21% οξυγόνο) θα συμβεί πολύ ταχύτερα σε καθαρό οξυγόνο.

Θερμοκρασία

Ο «κανόνας» που το ποσοστό των χημικών αντιδράσεων διπλασιάζεται για κάθε 10°C αύξησης της θερμοκρασίας είναι μια κοινή παρερμηνεία. Αυτό είναι μια διασταλτική γενίκευση της ειδικής περίπτωσης των βιολογικών συστημάτων, όπου το α (συντελεστής θερμοκρασίας στην εξίσωση του Arrhenius) είναι συχνά μεταξύ 1,5 και 2,5.

Η επίδραση της θερμοκρασίας στην κινητική μιας αντίδρασης μπορεί επίσης να μελετηθεί με την τεχνική “άλμα θερμοκρασίας”. Αυτό περιλαμβάνει τη χρήση μιας απότομης αύξηση της θερμοκρασίας και μετρώντας το χρόνο χαλάρωσης που χρειάζεται μέχρι να επέλθει η ισορροπία. Μια ιδιαίτερα χρήσιμη συσκευή για το “άλμα θερμοκρασίας” είναι ένας σωλήνας μέσα στον οποίο η θερμοκρασία ενός αερίου μπορεί γρήγορα να πηδήξει κατά περισσότερο από 1000 βαθμούς.

Η θερμοκρασία συνήθως έχει σημαντική επίδραση στο ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης. Μόρια σε υψηλότερη θερμοκρασία έχουν περισσότερη θερμική ενέργεια και τα μόρια κινούνται με μεγαλύτερες ταχύτητες. Παρά το γεγονός ότι η συχνότητα των συγκρούσεων είναι μεγαλύτερη σε υψηλότερες θερμοκρασίες, αυτό από μόνο του συμβάλλει μόνο κατά ένα πολύ μικρό ποσοστό στην αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης. Τον καθοριστικό ρόλο παίζει η σφοδρότητα της σύγκρουσης, δηλαδή το κατά πόσον τα συγκρουόμενα μόρια θα συγκρουστούν με επαρκή σφοδρότητα ώστε οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων τους να σπάσουν και τα άτομα να μείνουν ελεύθερα ή χαλαρά ενωμένα ώστε να δημιουργήσουν νέους δεσμούς. Η ενέργεια που πρέπει να έχουν ονομάζεται ενέργεια ενεργοποίησης Εα. Οι περισσότερες από τις μοριακές συγκρούσεις δεν είναι αποτελεσματικές. Συνεπώς το πολύ σημαντικό είναι η αναλογία των αντιδρώντων μορίων με επαρκή ενέργεια για να αντιδράσουν (ενέργεια μεγαλύτερη από την ενέργεια ενεργοποίησης: E> Εα). Η αναλογία αυτή αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας όπως εξηγείται λεπτομερώς από την κατανομή Maxwell-Boltzmann της θερμικής μοριακής ενέργειας.

Καταλύτες

Διάγραμμα δυναμικής ενέργειας που δείχνει την επίδραση ενός καταλύτη σε μια υποθετική ενδόθερμη χημική αντίδραση. Η παρουσία του καταλύτη ανοίγει μια διαφορετική οδό αντίδρασης (που φαίνεται σε κόκκινο) με χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Το τελικό αποτέλεσμα και η συνολική θερμοχημεία είναι η ίδια.

Ένας καταλύτης είναι μια ουσία που επιταχύνει την ταχύτητα μιας χημικής αντίδρασης αλλά παραμένει χημικά αμετάβλητος μετά την αντίδραση. Ο καταλύτης αυξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης, παρέχοντας έναν διαφορετικό μηχανισμό αντίδρασης που μπορεί να συμβεί με χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Στην αυτοκατάλυση, ένα προϊόν της αντίδρασης είναι από μόνο του καταλύτης για την εν λόγω αντίδραση και οδηγεί σε θετική ανατροφοδότηση. Οι πρωτεΐνες που δρουν ως καταλύτες σε αντιδράσεις που ονομάζονται βιοχημικά ένζυμα. Κινητικές Michaelis-Menten περιγράφουν την ταχύτητα αντιδράσεων μέσω των ενζύμων που διαμεσολαβούν. Ένας καταλύτης δεν επηρεάζει τη θέση της χημικής ισορροπίας, καθώς ο καταλύτης επιταχύνει τις αντιδράσεις εξίσου και προς τις δύο κατευθύνσεις.

Σε ορισμένα οργανικά μόρια, ειδικοί υποκαταστάτες μπορεί να έχουν επίδραση στην ταχύτητα αντίδρασης που περιλαμβάνει γειτονικές ομάδες και όχι τους ίδιους τους υποκαταστάτες.

Πίεση

Η αύξηση της πίεσης σε ένα αέριο που αντιδρά θα αυξήσει τον αριθμό των συγκρούσεων μεταξύ αντιδρώντων, αυξάνοντας την ταχύτητα της αντίδρασης. Αυτό συμβαίνει επειδή η συγκέντρωση ενός αερίου είναι ευθέως ανάλογη με την μερική πίεση του αερίου. Είναι παρόμοιο με το αποτέλεσμα της αύξησης της συγκέντρωσης του διαλύματος.

Εκτός από αυτή την απλή επίδραση λόγω της μεταβολής της συγκέντρωση στο “νόμο δράσεως των μαζών”, όπου ο συντελεστής της ταχύτητας παραμένει ο ίδιος, υπάρχει και η περίπτωση όπου αυτός μπορεί να αλλάξει λόγω της πίεσης. Οι συντελεστές ταχύτητας πολλών αντιδράσεων που βρίσκονται σε αέρια φάση υψηλής θερμοκρασίας μπορεί να αλλάξουν αν στο αέριο αντιδρών μείγμα προστεθεί ένα αδρανές αέριο. Αυτό το φαινόμενο που ονομάζεται και χημική ενεργοποίηση. Τα φαινόμενα αυτά οφείλονται σε εξώθερμες ή ενδόθερμες αντιδράσεις που συμβαίνουν πιο γρήγορα από ό,τι η μεταφορά θερμότητας, εξαναγκάζοντας τα μόρια να έχουν μη κανονικές κατανομές θερμικής ενέργειας (non-Boltzmann distribution). Η αύξηση της πίεσης αυξάνει τον ρυθμό μεταφοράς θερμότητας μεταξύ των μορίων που αντέδρασαν και ελευθέρωσαν θερμική ενέργεια και του υπόλοιπου συστήματος της αντίδρασης, μειώνοντας το φαινόμενο αυτό.

Η Κινητική μιας αντίδρασης μπορεί επίσης να μελετηθεί με την τεχνική του άλματος πίεσης. Αυτό συνεπάγεται γρήγορες αλλαγές στην πίεση και παρατήρηση του χρόνου χαλάρωσης που χρειάζεται μέχρι να επέλθει η ισορροπία.

Επιφάνεια επαφής στερεών

Η αύξηση της επιφάνειας επαφής ενός στερεού προκαλεί αύξηση της ταχύτητας, καθώς μ΄ αυτό τον τρόπο μεγαλώνει ο αριθμός των ενεργών συγκρούσεων των αντιδρώντων. Γι’ αυτό φροντίζουμε τα στερεά που συμμετέχουν σε αντιδράσεις να είναι σε λεπτό διαμερισμό, δηλαδή σε σκόνη. Έτσι, εξηγείται γιατί ένα φάρμακο δρα πιο αργά όταν είναι σε μορφή ταμπλέτας, απ’ ότι αν είναι σε μορφή σκόνης

Ακτινοβολίες

Ορισμένες χημικές αντιδράσεις επηρεάζονται από την επίδραση ακτινοβολιών. Οι ακτινοβολίες στις περιπτώσεις αυτές προκαλούν μοριακές μεταβολές στα αντιδρώντα, με αποτέλεσμα να αλλάζει ο μηχανισμός της αντίδρασης, οπότε αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης.