Nos enfrentamos constantemente a diversas interacciones químicas. La combustión del gas natural, la oxidación del hierro, la acidificación de la leche están lejos de ser todos los procesos que se estudian en detalle en un curso de química escolar.
Algunas reacciones toman fracciones de segundos, mientras que algunas interacciones toman días o semanas.
Intentemos identificar la dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura, la concentración y otros factores. En el nuevo estándar educativo, se asigna una cantidad mínima de tiempo de estudio para este tema. En las pruebas del examen estatal unificado, hay tareas sobre la dependencia de la velocidad de reacción de la temperatura, la concentración e incluso se ofrecen tareas de cálculo. Muchos estudiantes de secundaria experimentan ciertas dificultades para encontrar respuestas a estas preguntas, por lo que analizaremos este tema en detalle.
Relevancia del asunto bajo consideración
La información sobre la velocidad de reacción es de gran importancia práctica y científica. Por ejemplo, en una producción específica de sustancias y productos de un determinadoel valor depende directamente del rendimiento del equipo, el costo de los bienes.
Clasificación de las reacciones en curso
Existe una relación directa entre el estado de agregación de los componentes iniciales y los productos formados durante el proceso químico: interacciones heterogéneas.
Un sistema suele entenderse en química como una sustancia o una combinación de ellas.
Un sistema homogéneo es aquel que consta de una fase (el mismo estado de agregación). Como ejemplo, podemos mencionar una mezcla de gases, varios líquidos diferentes.
Heterogéneo es un sistema en el que los reactivos están en forma de gases y líquidos, sólidos y gases.
La velocidad de reacción no solo depende de la temperatura, sino también de la fase en la que se utilizan los componentes que intervienen en la interacción analizada.
Una composición homogénea se caracteriza por el flujo del proceso en todo el volumen, lo que mejora significativamente su calidad.
Si las sustancias iniciales se encuentran en diferentes estados de fase, en este caso, la interacción máxima se observa en el límite de fase. Por ejemplo, cuando un metal activo se disuelve en un ácido, la formación de un producto (sal) se observa solo en la superficie de contacto.
Relación matemática entre la velocidad del proceso y varios factores
¿Cómo es la ecuación de la velocidad de una reacción química en función de la temperatura? Para un proceso homogéneo, la tasa está determinada por la cantidaduna sustancia que interactúa o se forma durante una reacción en el volumen del sistema por unidad de tiempo.
Para un proceso heterogéneo, la tasa se determina a través de la cantidad de una sustancia que reacciona o se produce en el proceso por unidad de área durante un período mínimo de tiempo.
Factores que afectan la velocidad de una reacción química
La naturaleza de las sustancias que reaccionan es una de las razones de las diferentes velocidades de los procesos. Por ejemplo, los metales alcalinos forman álcalis con agua a temperatura ambiente, y el proceso va acompañado de una intensa evolución de hidrógeno gaseoso. Los metales nobles (oro, platino, plata) no son capaces de tales procesos ni a temperatura ambiente ni cuando se calientan.
La naturaleza de los reactivos es un factor que se tiene en cuenta en la industria química para aumentar la rentabilidad de la producción.
Se ha revelado la relación entre la concentración de reactivos y la velocidad de una reacción química. Cuanto más alto sea, más partículas colisionarán, por lo tanto, el proceso procederá más rápido.
La ley de acción de las masas en forma matemática describe una relación directamente proporcional entre la concentración de las sustancias iniciales y la velocidad del proceso.
Fue formulado a mediados del siglo XIX por el químico ruso N. N. Beketov. Para cada proceso, se determina una constante de reacción, que no está relacionada con la temperatura, la concentración o la naturaleza de los reactivos.
Parapara acelerar una reacción que involucre un sólido, debe molerlo hasta convertirlo en polvo.
En este caso, el área superficial aumenta, lo que tiene un efecto positivo en la velocidad del proceso. Para el combustible diesel, se utiliza un sistema de inyección especial, por lo que, cuando entra en contacto con el aire, la velocidad de combustión de una mezcla de hidrocarburos aumenta significativamente.
Calefacción
La teoría cinética molecular explica la dependencia de la velocidad de una reacción química con la temperatura. Le permite calcular el número de colisiones entre las moléculas de los reactivos bajo ciertas condiciones. Armado con dicha información, en condiciones normales, todos los procesos deberían continuar instantáneamente.
Pero si consideramos un ejemplo específico de la dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura, resulta que para la interacción es necesario primero romper los enlaces químicos entre los átomos para formar nuevas sustancias a partir de ellos. Esto requiere una cantidad significativa de energía. ¿Cuál es la dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura? La energía de activación determina la posibilidad de ruptura de las moléculas, caracteriza la realidad de los procesos. Sus unidades son kJ/mol.
Si la energía es insuficiente, la colisión será ineficaz, por lo que no va acompañada de la formación de una nueva molécula.
Representación gráfica
La dependencia de la velocidad de una reacción química con la temperatura se puede representar gráficamente. Cuando se calienta, aumenta el número de colisiones entre partículas, lo que contribuye a la aceleración de la interacción.
¿Qué aspecto tiene un gráfico de velocidad de reacción versus temperatura? La energía de las moléculas se grafica horizontalmente y el número de partículas con una reserva de alta energía se indica verticalmente. Un gráfico es una curva que se puede usar para juzgar la velocidad de una interacción particular.
Cuanto mayor es la diferencia de energía con respecto al promedio, más lejos está el punto de la curva del máximo, y un porcentaje menor de moléculas tiene tal reserva de energía.
Aspectos importantes
¿Es posible escribir una ecuación para la dependencia de la constante de velocidad de reacción con la temperatura? Su aumento se refleja en el aumento de la velocidad del proceso. Tal dependencia se caracteriza por un cierto valor, llamado coeficiente de temperatura de la tasa de proceso.
Para cualquier interacción, se ha revelado la dependencia de la constante de velocidad de reacción con la temperatura. Si aumenta 10 grados, la velocidad del proceso aumenta entre 2 y 4 veces.
La dependencia de la velocidad de las reacciones homogéneas con la temperatura se puede representar en forma matemática.
Para la mayoría de las interacciones a temperatura ambiente, el coeficiente está en el rango de 2 a 4. Por ejemplo, con un coeficiente de temperatura de 2,9, un aumento de temperatura de 100 grados acelera el proceso casi 50.000 veces.
La dependencia de la velocidad de reacción de la temperatura puede explicarse fácilmente por el valor diferente de la energía de activación. Tiene un valor mínimo durante los procesos iónicos, que están determinados solo por la interacción de cationes y aniones. Numerosos experimentos atestiguan la ocurrencia instantánea de tales reacciones.
Cuando la energía de activación es alta, solo un pequeño número de colisiones entre partículas conducirá a la implementación de la interacción. Con una energía de activación promedio, los reactivos interactuarán a una velocidad promedio.
Las tareas que dependen de la velocidad de reacción de la concentración y la temperatura se consideran solo en el nivel superior de educación, lo que a menudo causa serias dificultades a los niños.
Medición de la velocidad de un proceso
Aquellos procesos que requieren una energía de activación importante implican una ruptura o debilitamiento inicial de los enlaces entre los átomos de las sustancias originales. En este caso, pasan a cierto estado intermedio, llamado complejo activado. Es un estado inestable, se descompone bastante rápido en productos de reacción, el proceso va acompañado de la liberación de energía adicional.
En su forma más simple, un complejo activado es una configuración de átomos con viejos enlaces debilitados.
Inhibidores y catalizadores
Analicemos la dependencia de la velocidad de reacción enzimática con la temperatura del medio. Tales sustancias actúan como aceleradores.proceso.
Ellos mismos no son participantes en la interacción, su número después de la finalización del proceso permanece sin cambios. Si los catalizadores aumentan la velocidad de reacción, los inhibidores, por el contrario, ralentizan este proceso.
La esencia de esto es la formación de compuestos intermedios, como resultado de lo cual se observa un cambio en la velocidad del proceso.
Conclusión
Varias interacciones químicas ocurren cada minuto en el mundo. ¿Cómo establecer la dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura? La ecuación de Arrhenius es una explicación matemática de la relación entre la constante de velocidad y la temperatura. Da una idea de aquellos valores de energía de activación en los que es posible la destrucción o el debilitamiento de los enlaces entre los átomos en las moléculas, la distribución de partículas en nuevos productos químicos.
Gracias a la teoría cinético-molecular, es posible predecir la probabilidad de interacciones entre los componentes iniciales, para calcular la velocidad del proceso. Entre los factores que afectan la velocidad de reacción, de particular importancia es el cambio en el índice de temperatura, la concentración porcentual de las sustancias que interactúan, el área de superficie de contacto, la presencia de un catalizador (inhibidor), así como la naturaleza de los componentes que interactúan..
