Estamos constantemente confrontados com várias interações químicas. A combustão do gás natural, o enferrujamento do ferro, o azedamento do leite estão longe de todos os processos que são estudados detalhadamente em um curso de química escolar.
Algumas reações levam frações de segundos, enquanto algumas interações levam dias ou semanas.
Vamos tentar identificar a dependência da velocidade da reação com a temperatura, concentração e outros fatores. No novo padrão educacional, uma quantidade mínima de tempo de estudo é alocada para esta questão. Nos testes do exame de estado unificado, são oferecidas tarefas sobre a dependência da taxa de reação da temperatura, concentração e até tarefas de cálculo. Muitos alunos do ensino médio têm algumas dificuldades em encontrar respostas para essas perguntas, por isso analisaremos esse tópico em detalhes.
Relevância do assunto em consideração
As informações sobre a velocidade da reação são de grande importância prática e científica. Por exemplo, em uma produção específica de substâncias e produtos de um determinadoo valor depende diretamente do desempenho do equipamento, do custo das mercadorias.
Classificação das reações em andamento
Existe uma relação direta entre o estado de agregação dos componentes iniciais e os produtos formados durante o processo químico: interações heterogêneas.
Um sistema é geralmente entendido em química como uma substância ou uma combinação delas.
Um sistema homogêneo é aquele que consiste em uma fase (o mesmo estado de agregação). Como exemplo, podemos citar uma mistura de gases, vários líquidos diferentes.
Heterogêneo é um sistema em que os reagentes estão na forma de gases e líquidos, sólidos e gases.
Não existe apenas uma dependência da velocidade da reação com a temperatura, mas também com a fase em que são utilizados os componentes envolvidos na interação analisada.
Uma composição homogênea é caracterizada pelo fluxo do processo ao longo do volume, o que melhora significativamente sua qualidade.
Se as substâncias iniciais estiverem em diferentes estados de fase, neste caso, a interação máxima é observada no limite de fase. Por exemplo, quando um metal ativo é dissolvido em um ácido, a formação de um produto (sal) é observada apenas na superfície de seu contato.
Relação matemática entre a velocidade do processo e vários fatores
Como é a equação para a velocidade de uma reação química versus temperatura? Para um processo homogêneo, a taxa é determinada pela quantidadeuma substância que interage ou é formada durante uma reação no volume do sistema por unidade de tempo.
Para um processo heterogêneo, a taxa é determinada através da quantidade de uma substância reagindo ou produzida no processo por unidade de área por um período mínimo de tempo.
Fatores que afetam a velocidade de uma reação química
A natureza das substâncias reagentes é uma das razões para as diferentes taxas de processos. Por exemplo, metais alcalinos formam álcalis com água à temperatura ambiente, e o processo é acompanhado por intensa evolução de hidrogênio gasoso. Metais nobres (ouro, platina, prata) não são capazes de tais processos nem à temperatura ambiente nem quando aquecidos.
A natureza dos reagentes é um fator que é levado em consideração na indústria química para aumentar a rentabilidade da produção.
A relação entre a concentração de reagentes e a velocidade de uma reação química foi revelada. Quanto mais alto, mais partículas colidirão, portanto, o processo será mais rápido.
A lei de ação das massas na forma matemática descreve uma relação diretamente proporcional entre a concentração das substâncias iniciais e a velocidade do processo.
Foi formulado em meados do século XIX pelo químico russo N. N. Beketov. Para cada processo, é determinada uma constante de reação, que não está relacionada à temperatura, concentração ou natureza dos reagentes.
Parapara acelerar uma reação envolvendo um sólido, você precisa moê-lo em pó.
Neste caso, a área da superfície aumenta, o que tem um efeito positivo na velocidade do processo. Para o óleo diesel, é utilizado um sistema de injeção especial, pelo qual, ao entrar em contato com o ar, a taxa de combustão de uma mistura de hidrocarbonetos aumenta significativamente.
Aquecimento
A dependência da velocidade de uma reação química com a temperatura é explicada pela teoria cinética molecular. Ele permite calcular o número de colisões entre as moléculas dos reagentes sob certas condições. De posse dessas informações, em condições normais, todos os processos devem prosseguir instantaneamente.
Mas se considerarmos um exemplo específico da dependência da taxa de reação com a temperatura, verifica-se que para a interação é necessário primeiro quebrar as ligações químicas entre os átomos para formar novas substâncias a partir deles. Isso requer uma quantidade significativa de energia. Qual é a dependência da velocidade da reação com a temperatura? A energia de ativação determina a possibilidade de ruptura das moléculas, caracteriza a realidade dos processos. Suas unidades são kJ/mol.
Se a energia for insuficiente, a colisão será ineficaz, portanto não é acompanhada pela formação de uma nova molécula.
Representação gráfica
A dependência da velocidade de uma reação química com a temperatura pode ser representada graficamente. Quando aquecido, o número de colisões entre as partículas aumenta, o que contribui para a aceleração da interação.
Como é um gráfico de taxa de reação versus temperatura? A energia das moléculas é representada horizontalmente e o número de partículas com alta reserva de energia é indicado verticalmente. Um gráfico é uma curva que pode ser usada para avaliar a velocidade de uma determinada interação.
Quanto maior a diferença de energia da média, mais distante o ponto da curva está do máximo, e uma porcentagem menor de moléculas tem essa reserva de energia.
Aspectos importantes
É possível escrever uma equação para a dependência da constante de velocidade de reação com a temperatura? Seu aumento se reflete no aumento da velocidade do processo. Tal dependência é caracterizada por um determinado valor, chamado coeficiente de temperatura da taxa de processo.
Para qualquer interação, a dependência da constante de velocidade da reação com a temperatura foi revelada. Se for aumentada em 10 graus, a velocidade do processo aumenta de 2 a 4 vezes.
A dependência da velocidade das reações homogêneas da temperatura pode ser representada em forma matemática.
Para a maioria das interações à temperatura ambiente, o coeficiente está na faixa de 2 a 4. Por exemplo, com um coeficiente de temperatura de 2,9, um aumento de temperatura de 100 graus acelera o processo em quase 50.000 vezes.
A dependência da taxa de reação com a temperatura pode ser facilmente explicada por diferentes valores de energia de ativação. Tem um valor mínimo durante os processos iônicos, que são determinados apenas pela interação de cátions e ânions. Numerosos experimentos atestam a ocorrência instantânea de tais reações.
Quando a energia de ativação é alta, apenas um pequeno número de colisões entre partículas levará à implementação da interação. Com uma energia de ativação média, os reagentes irão interagir a uma velocidade média.
As atribuições sobre a dependência da taxa de reação em relação à concentração e temperatura são consideradas apenas no nível superior de ensino, muitas vezes causando sérias dificuldades para as crianças.
Medindo a velocidade de um processo
Aqueles processos que requerem uma energia de ativação significativa envolvem uma quebra inicial ou enfraquecimento das ligações entre os átomos nas substâncias originais. Nesse caso, eles passam para um certo estado intermediário, chamado de complexo ativado. É um estado instável, decai rapidamente em produtos de reação, o processo é acompanhado pela liberação de energia adicional.
Em sua forma mais simples, um complexo ativado é uma configuração de átomos com ligações antigas enfraquecidas.
Inibidores e catalisadores
Vamos analisar a dependência da taxa de reação enzimática com a temperatura do meio. Tais substâncias atuam como aceleradoresprocesso.
Eles mesmos não são participantes da interação, seu número após a conclusão do processo permanece in alterado. Se os catalisadores aumentam a velocidade da reação, os inibidores, ao contrário, retardam esse processo.
A essência disso é a formação de compostos intermediários, como resultado, uma mudança na velocidade do processo é observada.
Conclusão
Várias interações químicas ocorrem a cada minuto no mundo. Como estabelecer a dependência da velocidade da reação com a temperatura? A equação de Arrhenius é uma explicação matemática da relação entre a constante de velocidade e a temperatura. Dá uma ideia desses valores de energia de ativação em que é possível a destruição ou enfraquecimento das ligações entre os átomos nas moléculas, a distribuição de partículas em novos produtos químicos.
Graças à teoria cinética molecular, é possível prever a probabilidade de interações entre os componentes iniciais, para calcular a velocidade do processo. Entre os fatores que afetam a taxa de reação, de particular importância é a mudança no índice de temperatura, a concentração percentual de substâncias que interagem, a área de superfície de contato, a presença de um catalisador (inibidor), bem como a natureza dos componentes que interagem..
