Reakciósebesség (Reaction)

A reakciósebesség azt fejezi ki, hogy időegység alatt és egységnyi térfogatban mekkora anyagmennyiség alakul át. Jelölése: v A reakciósebesség annál nagyobb, minél gyakoribb valamely reakcióban a molekulák vagy más részecskék kémiai átalakulása. A reakciók sebessége arányos a kiindulási anyagok koncentrációival.

A kémiai reakció során vannak kötések, amelyek megszűnnek, más kötések pedig kialakulnak. Egy kötés felbontásához – vagy fellazításához energia szükséges. Az atomoknak azt a csoportját, amelyben a képződő és a megszűnő kötések együtt vannak, aktivált komplexumnak nevezzük.

Az aktiválási energia azt fejezi ki, hogy mekkora energia szükséges 1 mol aktivált komplexum keletkezéséhez.

A hőmérséklet emelésével megnő a reakciósebesség. A hőmérséklet emelésének hatása nem magyarázható csupán az ütközések számának növekedésével. Sokkal jelentősebb ennél, hogy a hőmérséklet emelésével megnő a nagyobb energiájú molekulák száma is.

A megfelelő katalizátor meggyorsítja a kémiai átalakulást anélkül, hogy a folyamat következtében maradandóan megváltozna. A katalizátor gyorsító hatása azzal magyarázható, hogy az átalakulás számára új, kisebb aktiválási energiájú reakcióutat nyit meg. Ugyanakkor a reakcióhőt nem befolyásolja.

A kémiai reakciókban valamilyen kiinduló anyagok reagálnak egymással, miközben termékek képződnek. Ez a folyamat lehet gyors, viszonylag rövid idő alatt végbemenő – ún. pillanatreakció – és nagyon lassan lejátszódó is. Ennek a számszerű jellemzésére használjuk a reakciósebesség fogalmát. A reakciók során általában több kiindulási anyag lép reakcióba és többféle termék képződik a sztöchiometriailag helyes reakcióegyenlet szigorú mennyiségi viszonyai szerint. A kiindulási anyagok anyagmennyisége fokozatosan csökken, a termékek anyagmennyisége pedig növekszik az idő előrehaladtával.

A reakciósebesség jellemzésére az anyagmennyiség időegységre eső megváltozását lenne célszerű használni, azonban ez az adat egy adott reakció esetén – az eltérő sztöchiometriai számok miatt – nem egy, hanem több – bár egymástól nem független – különböző számérték lenne. Ezért vezették be a reakciókoordináta fogalmát, amely a reakcióban szereplő bármelyik komponens anyagmennyiség-változásának és a komponens sztöchiometriai számának a hányadosa, és egy adattal jellemzi a konkrét reakció sebességét.

Reakciósebesség

A reakciók feltételei:

• A reagáló részecskék ütközése. Egy gázelegyben a molekulák bárhol ütközhetnek egymással. Oldatban is szabadon mozoghatnak az oldott anyag részecskéi. Ha azonban az egyik reagáló anyag szilárd, azaz részecskéi helyhez vannak kötve, reakció csak a felületen lehetséges. A gáz vagy folyadék belsejében végbemenő reakciót homogénnek, a felületen lejátszódó reakciót pedig heterogénnek nevezzük.
• Az ütközések közül csak azok hasznosak, amelyek megfelelő irányból, és elég nagy energiával (aktiválási energia) történnek! A reakciók során a kiindulási anyagoknak nem az összes kötése szakad fel - ez igen nagy energiaszükségletet jelentene, amelyet sem a hőmozgás standardállapotra vonatkozó energiája, sem egyszerű melegítés nem biztosíthatna -, hanem a folyamatok olyan aktivált komplexumon keresztül zajlanak le, amelyben a kötések átrendeződése bekövetkezhet.
  
  

Aktiválási energia

1 mol aktivált komplexum létrejöttéhez szükséges energia. Jele: Ea mértékegysége: kJ/mol.

Ha egy kémiai folyamat aktiválási energiája túlságosan nagy, akkor előfordulhat, hogy annak ellenére nem megy végbe - mérhető és megvárható sebességgel - hogy exoterm, sőt szabadentalpia-csökkenéssel járna.

- feladatok -

REAKCIÓKINETIKA

A reakciókinetika a reakciók sebességével foglalkozik. A reakciósebesség arányos a különböző anyagok időegység alatt bekövetkező koncentrációváltozásával. Az adott reakció sebességét az anyagi minőségen kívül a következő tényezők befolyásolják:

1. Koncentráció
   
   A reagáló anyagok koncentrációjának növekedésével nő az összes ütközésszám, így a hasznos ütközések száma általában ugyanilyen mértékben megnövekedik. Egy reakció sokszor több elemi lépésből tevődik össze. Minden egyes elemi reakciólépés sebessége függ az aktivált komplexum létrejöttéhez szükséges anyagok koncentrációjának a sztöchiometriai szám abszolút értékének megfelelő hatványon vett szorzatával.
   
   Példa:
   
   CO + NO₂ CO₂ + NO
   v = k[CO][NO₂]
   
   v reakciósebesség
   k arányossági tényező: reakciósebességi együttható
   […] az adott anyag mol/dm³-ben kifejezett pillanatnyi koncentrációja
   
   (A reakciósebesség és a reakcióegyenletben szereplő sztöchiometriai számok között nincs mindig ilyen szoros összefüggés).
   
   
   
2. Hőmérséklet
   
   A reakciósebesség mindig nő a hőmérséklet emelésével. Magasabb hőmérsékleten ugyanis nagyobb a reagáló anyagok energiája, nagyobb hőmozgásuk sebessége, így többször ütköznek (több az összes ütközés) és a nagyobb átlagos energia miatt arányában is több az aktiválási energia értékét meghaladó energiájú ütközés.
   
   
3. Katalizátorok
   
   Olyan anyagok, amelyek a kémiai reakciók sebességét úgy növelik, hogy - bár a reakcióban természetesen részt vesznek - végül változatlan állapotban maradnak vissza. A katalizátorok olyan reakcióutat nyitnak meg, amelynek az aktiválási energiája kisebb, és így nőhet a hasznos ütközések aránya az összes ütközéshez képest. Az aktiválási energia csökkentésének mechanizmusa reakciótípusonként és katalizátoronként más és más.
   
   
   

Megfordítható kémiai reakciók

A megfordítható kémiai reakciók esetén a kiindulási anyagokból képződő termékek visszaalakulnak a kiindulási anyagokká. Elvileg minden kémiai reakció megfordítható. A kiindulási anyagok összekeverésének pillanatában az átalakulás (odaalakulás, v1) sebessége maximális, a visszaalakulásé (v2) nulla, mivel még 0 a termékek koncentrációja. A folyamat során az átalakulás sebessége csökken (mivel csökken a kiindulási anyagok koncentrációja!), a visszaalakulásé pedig nő (mivel a termékek koncentrációja nő!) mindaddig, amíg a két sebesség egyenlővé nem válik! (lásd. ábra)

Ekkor ún. dinamikus egyensúly alakul ki, melyben a két ellentétes, egyenlő sebességű folyamat tartja fenn a látszólagos változatlanságot! Az egyensúlyi állapotot jellemzi az EGYENSÚLYI ÁLLANDÓ, mely adott hőmérsékleten jellemző egy reakcióra. Az EGYENSÚLY TÖRVÉNYE (tömeghatás törvénye) szerint a termékek egyensúlyi koncentrációjának megfelelő hatványon vett szorzatából és a kiindulási anyagok egyensúlyi koncentrációjának megfelelő hatványon vett szorzatából képzett tört értéke adott hőmérsékleten állandó. K egyensúlyi állandó; [mol/dm³]e egyensúlyi koncentrációk

Az egyensúlyi állapot megzavarható. Ezt a Le Chatelier-elv alapján jellemezhetjük.

Le Chatelier-elv ("a legkisebb kényszer elve"): Az egyensúlyban lévő rendszer a külső megzavarásra úgy válaszol, hogy a zavarás hatásait minimálisra csökkentse, illetve kompenzálja.

• A KONCENTRÁCIÓ VÁLTOZÁSÁNAK HATÁSA
  
  A kiindulási anyagok koncentrációjának növelése vagy a termékek elvezetése az átalakulás irányába való eltolódást hozza létre. A kiindulási anyagok koncentrációjának csökkentése és/vagy a termékek koncentrációjának növelése a visszaalakulás felé tolja el az egyensúlyt.
  
  
  
  
• A HŐMÉRSÉKLETVÁLTOZÁS HATÁSA
  
  A Le Chatelier-elv alapján a hőmérséklet emelése az endoterm, a hőmérséklet csökkentése az exoterm irányba tolja el az egyensúlyt! A hőmérséklet változtatásakor megváltozik az egyensúlyi állandó, mivel a hőmérséklet nem egyforma mértékben változtatja meg az oda- és visszaalakulás reakciósebességét (azaz a reakciósebességi együtthatókat).
  
  Fontos megjegyezni, hogy a reakciókinetikánál leírt összefüggések itt is érvényesek, vagyis a hőmérséklet emelése minden reakciót gyorsít, csak az endoterm reakciók sebességét nagyobb mértékben! A hűtés ugyanígy minden reakciót lassít, csak az exoterm reakciókat kisebb mértékben!
  
  
• A NYOMÁSVÁLTOZÁS HATÁSA
  
  A nyomás csak akkor befolyásolja az egyensúlyi állapotot, ha a folyamat - állandó nyomáson - térfogatváltozással jár. Ez gázok esetén az egyenletben szereplő sztöchiometriaiszám-változással (a molekulák számának változásával) arányos. A nyomás növelése a Le Chatelier-elv értelmében (az "összehúzódás") a sztöchiometriaiszám-csökkenés irányába tolja el az egyensúlyt. (A nyomás növelésével a jeget megolvaszthatjuk, mivel a jég olvadása térfogatcsökkenéssel jár.)
  
  
• KATALIZÁTOROK HATÁSA AZ EGYENSÚLYRA
  
  A katalizátor mindkét irányban csökkenti az aktiválási energiát, ezért az egyensúly gyorsabban alakul ki, de az egyensúlyi koncentrációviszonyokat a katalizátorok nem befolyásolják.

Share this: