תלות בטמפרטורה

קינטיקה כימית

קצב התגובה הוא המהירות שבה מתרחשת תגובה כימית. קצב התגובה מוגדר כשינוי בריכוז של רכיב בתגובה עם הזמן. מהירות התגובה תלויה במספר גורמים, כולל ריכוז המגיבים והטמפרטורה שבה מבוצעת התגובה. כל מגיב תורם למהירות התגובה על ידי גורם מסוים. קשר זה מוגדר על ידי חוק קצב התגובה.

חוק התעריפים

חוק הקצב הוא משוואה המתארת את הקשר בין ריכוז המגיבים, A ו-B, לבין סדרי התגובה שלהם, m ו-n. קבוע הקצב, k, מקשר את הריכוזים והסדר של המגיבים לקצב התגובה. זה תלוי בתגובה כמו הטמפרטורה שבה התגובה מבוצעת.

r = k [A]^m[B]ⁿ for aA + bB → cC

משוואת ארניוס

משוואת ארניוס מקשרת בין קבוע קצב התגובה לאנרגיית ההפעלה של תגובה כימית. אנרגיית השפעול מוגדרת ככמות האנרגיה שתגובה כימית זקוקה לה כדי להתקדם. אם תגובה אינה עומדת בדרישת אנרגיית שפעול זו, התגובה לא תתקדם.

הקשר המעריכי השלילי בין k לטמפרטורה מצביע על כך שככל שהטמפרטורה עולה, גם הערך של k עולה. מכיוון שניתן לקבוע את קבוע הקצב באופן ניסיוני על פני טווח של טמפרטורות, ניתן לחשב את אנרגיית השפעול באמצעות משוואת ארניוס. על ידי לקיחת הלוגריתם הטבעי של שני הצדדים, משוואת ארניוס משוכתבת מחדש כמשוואה ליניארית.

תרשים של ln k לעומת 1/T מניב קו ישר עם שיפוע השווה ל- -E_a/R ויירוט y של ln A. מכיוון שקבוע הגז האידיאלי, R, ידוע, ניתן לקבוע את E_a באופן גרפי באמצעות סדרה של ערכי k בטמפרטורות שונות.

זרזים ואנרגיית שפעול

לחלק מהתגובות הכימיות יש אנרגיית שפעול גדולה מספיק שגורמת לתגובה להתקדם לאט, אם בכלל. תגובת הפירוק של מי חמצן לחמצן ומים מתרחשת באופן ספונטני, אך היא מתרחשת בקצב איטי להפליא. אחת הדרכים להתגבר על מחסום ראשוני זה היא לספק אנרגיה בצורה של חום. עם זאת, זה לא תמיד אידיאלי כמו חום מוגזם עלול להשפיע על יציבות המוצרים או מגיבים או עשוי להקל על תגובות לוואי.

אנרגיית ההפעלה של תגובות כימיות ניתנת לשינוי באמצעות זרזים. זרז מוריד את אנרגיית ההפעלה של תגובה כימית, אך הוא אינו נצרך על ידי התגובה. במילים אחרות, זרז מקל על התגובה הכימית בכך שהוא מקל על התגברות על דרישת אנרגיית ההפעלה הקריטית. בפירוק מי חמצן, תוספת של ברזל חנקתי מורידה את אנרגיית ההפעלה ומאפשרת לתגובה להתקדם בקצב מהיר יותר. עם זאת, חשוב לציין כי בעוד זרז עשוי להשפיע על קצב התגובה, זרז אינו משנה את כמות המוצר המיוצר על ידי התגובה.

הפניות

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). כימיה ותגובתיות כימית. בלמונט, קליפורניה: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. זילברברג, מ. (2009). כימיה: הטבע המולקולרי של חומר ושינוי. בוסטון, מסצ'וסטס: מקגרו היל.

המדד לכמה מהר תגובה מתקדמת נקרא קצב התגובה. קצב התגובה הכימית מוגדר על ידי חוק הקצב, המתאר את הקשר בין מהירות התגובה לריכוזי המגיבים. במשוואה זו, k הוא קבוע הקצב, A ו-B הם שני המגיבים, ו-m ו-n הם סדרי התגובה שלהם.

קבוע הקצב ממיר את היחס ליחידות הקצב המתאימות, שומות לליטר לשנייה. לפיכך, לקבוע הקצב יש יחידות שונות, בהתאם לסדר הכללי של התגובה. עם זאת, לקבוע הקצב יש משמעות רבה יותר מאשר רק המרת יחידות. קבוע הקצב קשור לכמות האנרגיה המינימלית הנדרשת להתרחשות תגובה כימית - הנקראת אנרגיית השפעול.

בתגובה, המגיבים נמצאים במצב התחלתי של אנרגיה פוטנציאלית. ככל שהתגובה מתקדמת, היא חייבת להתגבר על אנרגיה פוטנציאלית מסוימת, אנרגיית ההפעלה, בטרם תגיע למצבה הסופי. האנרגיה נטו של התגובה היא ההפרש בין המצב ההתחלתי למצב הסופי. ההבדל הזה יכול להיות שלילי, כלומר שהתגובה משחררת אנרגיה, או חיובי, כלומר היא סופגת אנרגיה.

אם אין מספיק אנרגיה זמינה כדי להתגבר על אנרגיית ההפעלה, התגובה לא תמשיך. במקרים מסוימים ניתן לספק אנרגיה בצורה של חום. זה מספק אנרגיה נוספת להתגברות על מחסום ההפעלה, והתגובה יכולה להמשיך. ניתן להוסיף גם זרז, המספק מסלול אנרגיית הפעלה חלופי נמוך יותר בין המגיבים לתוצרים.

זרזים אינם נצרכים בתגובה ולכן אינם משפיעים על האנרגיה נטו של התגובה. אנרגיית ההפעלה נקבעת באופן ניסיוני, והיא קשורה לקבוע התגובה k על ידי משוואת ארניוס כאשר A הוא הגורם הקדם-מעריכי או התדר, R הוא קבוע הגז האוניברסלי, ו-T היא הטמפרטורה המוחלטת שבה מתרחשת התגובה.

ממשוואה זו, אנו יודעים שהעלאת טמפרטורת התגובה או הפחתת אנרגיית ההפעלה מגדילה את קבוע הקצב. אם נחזור למשוואת חוק הקצב, נובע שקבוע קצב גבוה יותר מביא לקצב תגובה גבוה יותר. זה הגיוני מכיוון שככל שהטמפרטורה עולה, מולקולות נעות מהר יותר ומתנגשות בתדירות גבוהה יותר, וכתוצאה מכך חלק גדול יותר של מולקולות בעלות אנרגיה גבוהה יותר מאנרגיית ההפעלה.

במעבדה זו תלמדו כיצד למדוד את אנרגיית השפעול של תגובה באופן ניסיוני באמצעות פירוק מי חמצן כתגובת המודל.