Брзина на хемиска реакција

Брзината на хемиската реакција за еден реактант или продукт во дадена хемиска реакција е интуитивно дефинирана со тоа колку брзо се одвива хемиската реакција. На пример, оксидацијата на железото под атмосферата е бавна реакција која може да трае и до неколку години, но согорувањето на бутанот во оган е реакција која се одвива во дел од секундата.

’Рѓосување на железо - хемиска реакција која се одвива многу бавно.

Согорување на дрво - хемиска реакција која се одвива многу брзо.

Хемиската кинетика е дел од физичката хемија која ја проучува брзината на хемиската реакција. Концептите на хемиската кинетика се применуваат во многу дисциплини, како хемиско инженерство, ензимологија и инженерство на животна средина.

Поим на брзината на хемиската реакција

Брзината на хемиската реакција се дефинира како однос меѓу промената на досегот на реакцијата и времето што е потребно да се дојде до таквата промена. Сличен поим на брзината на реакцијата е брзината на конверзијата (брзината на претворањето). Бидејќи досегот не може директно да се мери, при практичното определување на брзината на хемиските реакции се користат заемните врски меѓу промената на досегот и промената на други величини кои се мерливи. Така, многу често како мерка на промената на досегот се зема промената на концентрацијата на некој од учесниците во реакцијата. Така се доаѓа до величината што се вика брзина на промената на концентрацијата на некој учесник во реакцијата, која се означува со υ(Х), каде Х е називот на учесникот во реакцијата. Брзината на промената на концентрацијата претставува однос меѓу промената на концентрацијата на учесникот во хемиската реакција и времето што е потребно да се случи таа промена. Оваа брзина може да има позитивен знак (ако супстанцата Х е еден од продуктите на реакцијата) или негативен знак (ако супстанцата Х реактант). На тој начин, брзината на промената на концентрацијата секогаш е позитивна величина. За различни учесници во хемиската реакција, брзините на промената на нивната концентрација можат но не мора да бидат еднакви. Всушност, брзините на промената на нивната концентрација ќе бидат еднакви само ако сите стехиометриски коефициенти во реакционата равенка се меѓусебно еднакви, односно ако сите стехиометриски коефициенти се еднакви на единица. Поради тоа, кога се зборува за брзината на промената на концентрацијата, мора да се нагласи за чија концентрација (концентрацијата на кој учесник во реакцијата) се работи.

Формални дефиниции за брзина на хемиската реакција

При една хемиска реакција од типот:

aA + bB → pP + qQ

Малите букви (a, b, p и q) ги претставуваат стехиометриските коефициенти, додека големите букви ги претставуваат реактантите (A и B) и производите (P и Q).

Според дефиницијата од Златната книга на МСЧПХ, брзината на хемиската реакција v (исто така и r или R) која се одвива во затврен систем при постојани зафатнински услови, без образување на меѓупроизводи, се дефинира како:

$v=-{\frac {1}{a}}{\frac {d[A]}{dt}}=-{\frac {1}{b}}{\frac {d[B]}{dt}}={\frac {1}{p}}{\frac {d[P]}{dt}}={\frac {1}{q}}{\frac {d[Q]}{dt}}$

(ЗАБЕЛЕШКА: Брзината на реакцијата е секогаш позитивна. '-' знакот е употребен бидејќи концентрацијата на реактантот се намалува). МСЧПХ препорачува дека единицата за време треба секогаш да биде секунда. Во таков случај, брзината на реакцијата се разликува од степенот на зголемување на концентрацијата на производот P од страна на постојан фактор (реципрочен на неговиот стехиометриски коефициент) и за реактантот A со минус од реципроцитетот на стехиометрискиот број. Брзината обично ги има единиците mol dm⁻³ s⁻¹.

Важно е да се има на ум дека претходната дефиниција е валидна само за единечна реакција, во затворен систем со постојан волумен.

Општо, за било кој систем, целосната масина рамнотежа мора да се земе предвид:

$F_{A0}-F_{A}+\int _{0}^{V}v\,dV={\frac {dN_{A}}{dt}}$

Кога станува збор за едноставниот случај споменат претходно, оваа равенка се редуцира до: $v={\frac {d[A]}{dt}}$

Фактори кои влијаат на брзината

Фактори кои влијаат на брзината на хемиската реакција се:

• Концентрација: Брзината се зголемува заедно со концентрацијата, како што вели и законот за брзината на реакцијата и теоријата на судири. Како што се зголемува концентрацијата на еден реактант, честотата на судири се зголемува.
• Природата на реакцијата: Некои реакции се природно побрзи од другите. Бројот на реагирачки единки, нивната агрегатна состојба (честичките кои ги образуваат цврстите тела се движат побавно отколку оние на гасовите или тие во раствор), сложеноста на реакцијата и други фактори влијаат силно на брзината.
• Температура: Најчесто, одвивањето на една реакција на повисока температура дава повеќе енергија на системот и ја зголемува брзината со предизвикување на повеќе судири меѓу честичките (теорија на судири). Но, главната причина што температурата ја зголемува брзината е тоа што повеќето од судирните честички ќе ја имаат потребната активациона енергија, што ќе резултира во поефикасни судири (кога се образуваат врски меѓу реактантите). Влијанието на температурата е опишано од Арениусовата равенка.
• Растворувач: Многу реакции се одвиваат во раствор, а својствата на растворувачот влијаат на брзината. Јонската сила исто така влијае на брзината.
• Притисок: Брзината на гасните реакции се зголемува со притисок, кој всушност е еднаков на зголемувањето на концентрацијата на гасот. За реакции чии реактанти се во кондензирана состојба, зависноста од притисокот е слаба (мала).
• Електромагнетно зрачење: Електромагнетното зрачење е вид на енергија. Како такво, тоа може да ја забрза реакцијата, па дури и да ја направи да тече спонтано, бидејќи ги обезбедува честичките на реактантите со повеќе енергија. Така, кога метан реагира со хлор на темно, реакцијата е мошне бавна. Може да се забрза кога смесата е изложена на дифузна светлина. На сончева светлина, меѓутоа, реакцијата е експлозивна.
• Катализатор: Присуството на катализатор ја зголемува брзината (и во директната и во повратната реакција) со обезбедување на алтернативен пат со пониска активациона енергија.
• Изотопи: Кинетичкиот изотопен ефект дава различна брзина на реакциите за иста молекула доколку таа има различни изотопи, најчесто водородни изотопи, поради разликата во масите на водородот и деутериумот.
• Површинска (атсорпциона) област: При атсорпционите реакции, како оние при хетерогена катализа, брзината се зголемува заедно со површината. Ова е поради тоа што повеќе честички од цврстото тело се изложени и може да бидат удрени од молекулите на реактантот.
• Ред на реакцијата: Тој контролира како концентрацијата на реактантот влијае на брзината.
• Мешање: Мешањето може да има силен ефект на брзината за хетерогени реакции.
• Интензитет на светлина: Реактантите вклучени во фотохемиска реакција апсорбираат енергија од светлината и други ЕМ зрачења. Со зголемување на интензитетот на осветлување, честичките апсорбираат повеќе енергија. Со тоа се зголемува нивната кинетичка енергија, со што има повеќе продуктивни судири. Така се зголемува и брзината на реакцијата.

Сите фактори кои влијаат на брзината на реакцијата се земаат предвид во равенката на брзината на реакцијата.