Stała szybkości reakcji – lektura do poduchy

„Bajek”, jak to mówi moja Pani Profesor od chemii fizycznej, ciąg dalszy. O samej stałej szybkości reakcji też trzeba powiedzieć kilka słów. Jak powinieneś pamiętać, pojawiła się ona „znikąd”, w równaniu kinetycznym.

Dlaczego w ogóle jest potrzebna? Wspomniałem, że chemicy wymyślili sobie, że szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężeń substratów (podniesionych do odpowiednich potęg). Można by to, dla maglowanej przeze mnie reakcji ogólnej, zapisać tak:

$!v=…[\mathrm{A}]^\alpha[\mathrm{B}]^\beta$

Jak widzisz, proporcjonalny nie znaczy równy (nie bez pewnej poprawki – stąd wielokropek, coś tu jeszcze trzeba dostawić)! Jeżeli masz problem z tym słowem, szybko tłumaczę. Prosty przykład – rachunki za prąd płacisz. Jeśli nie Ty, to na pewno któryś z Twoich domowników. Wysokość rachunku jest proporcjonalna do (wybaczcie mi wszyscy fizycy, elektrycy…) poboru tego prądu. Im więcej „prądu zużyjesz”, tym więcej zapłacisz. Można więc powiedzieć, że rachunek za prąd jest proporcjonalny do poboru prądu. Ale to nie znaczy, że ile kilowatogodzin (jednostka energii) prądu pobierzesz, tyle samo złotych zapłacisz, prawda? Trzeba to przemnożyć przez jakiś współczynnik – cenę (w zł) za jedną kilowatogodzinę.

Po co gadanie o prądzie? Ten iloczyn stężeń (z równania kinetycznego) jest jak nasz pobór prądu, a stała szybkości reakcji – jak współczynnik, przez który trzeba go przemnożyć, żeby dostać inną pożyteczną wielkość – w naszym przypadku szybkość reakcji. Stałą szybkości możemy w tym przypadku, bardziej fachowo, nazwać czynnikiem proporcjonalności. Zwróć uwagę, żeby nie kiełbasiły Ci się pojęcia stałej szybkości z szybkością reakcji – pisząc artykuły z kinetyki nawet samemu niejednokrotnie się na tym złapałem.

$!v=k[\mathrm{A}]^\alpha [\mathrm{B}]^\beta$

$v$ – szybkość reakcji (wyrażana wielkość)
$[\mathrm{A}]^\alpha [\mathrm{B}]^\beta$ – iloczyn stężeń w odpowiednich potęgach, proporcjonalny do szybkości.
$k$ – stała szybkości reakcji, pozwala przeliczyć iloczyn stężeń na szybkość reakcji.

Mam nadzieję, że teraz już wszystko jasne. Wiemy już, po co nam stała szybkości. A jaką będzie miała jednostkę? Jeśli odrobiłeś poprzednie zadania domowe z kinetyki (jeśli nie, kliknij tutaj), znasz już odpowiedź na to pytanie. To zależy od rzędu reakcji. Można podać ogólny wzór na jednostkę stałej szybkości dla reakcji rzędu $r$:

$! \mathrm{ \left(\frac{mol}{dm^3} \right)^{1-r}\cdot \frac1{s}=\frac{dm^{3r-3}}{mol^{r-1}\cdot s} }$

Tak wyrażona stała szybkości jest stałą najbardziej „standardową” – najwygodniej (i w sposób polecany!) jest wyrażać stężenia w $\mathrm{\frac{mol}{dm^3}}$ i czas w sekundach. Tego tutaj będziemy się trzymać. Oczywiście, jeśli się uprzeć, można to zawsze przeliczyć na jednostkę, która nam bardziej odpowiada. To dotyczy niektórych zadań obliczeniowych, do których tak naprawdę jeszcze nie doszliśmy.

No w porządku, jednostkę st. szybkości już znamy, ale co z liczbą, przy której ona stoi? Od czego zależy? Mógłbym powiedzieć, że od wszystkiego, zamknąć wątek i znowu zadać Ci pracę domową. Ale zamiast tego wymienię najważniejsze czynniki:

  • TEMPERATURA – zależność stałej szybkości od temperatury jest jedną z najważniejszych, opisano ją całym mnóstwem różnych teorii. Jest (zależność) dość uniwersalna (dla ciekawskich odsyłam do równania Arrheniusa) i bardzo łatwo ją zaobserwować i wyznaczyć.
  • CIŚNIENIE – być może (jeśli nie, nie szkodzi!) już wiesz, że różne reakcje przebiegają inaczej (np. z różną wydajnością), kiedy zmienimy ciśnienie w układzie reagującym. Tę zależność jest jednak nieco trudniej uogólnić.
  • KATALIZATOR – jeśli już wiesz, co to jest, powinieneś pomyśleć o tym, że skoro katalizator przyspiesza reakcję, to znaczy, że zwiększa jej szybkość (masło maślane :)). Jeśli zwiększa szybkość pewnie zwiększa też stałą szybkości reakcji. NIE, NIE, NIE. Dodatek katalizatora całkowicie zmienia nam mechanizm reakcji. O tym, co się wtedy dzieje, dowiesz się już niedługo, w każdym razie zmieni się całe równanie kinetyczne, a stała szybkości jest przy takiej zmianie sprawą drugorzędną.

Cóż, to chyba wszystkie najważniejsze informacje o stałej szybkości. Oczywiście, wraz z Marią (jeśli nie wiesz, o co chodzi, robisz zadania domowe – tak trzymaj) zachęcamy do rozwiązywania zadań do domu. Pomogą Ci utrwalić materiał i zmuszą do samodzielnego myślenia (przynajmniej to przyświecało mi, gdy je układałem).

Teoretycznie, gdy wybraną przez nas reakcję prowadzimy w identycznych warunkach, powinno dać się ją opisać jednym równaniem kinetycznym (tym pełnym) i jedną wartością stałej szybkości reakcji. O tym, że nie jest jednak tak różowo, dowiesz się następnym razem…

Zadania do domu

  1. Jak myślisz, jak, ze wzrostem temperatury, zmienia się szybkość reakcji chemicznej? *Czy dotyczy to każdego procesu (wskazówka: procesu, nie pojedynczej reakcji), który możemy zaobserwować (uzasadnij)?
  2. Pewna reakcja opisana jest stałą szybkości reakcji o wartości $k=1,2\cdot 10^{-3}\mathrm{\frac1{s}}$. Którego rzędu jest ta reakcja?
  3. W toku badań kinetycznych stwierdzono, że pewna reakcja drugiego rzędu jest opisana następującą wartością stałej szybkości reakcji: $k=6,49\cdot 10^{-6} \mathrm{\frac{m^3}{mmol\cdot h}}$. Przelicz ją tak, aby była wyrażona w typowych jednostkach (stężenie w $\mathrm{mol\cdot dm^{-3}}$ oraz czas w $\mathrm{s}$).

Pokaż rozwiązania

Rozwiązania

  1. Ze wzrostem temperatury szybkość reakcji rośnie. *W niektórych procesach rzeczywistych może jednak maleć, gdy szybkość reakcji limitującej proces najszybciej rośnie ze wzrostem temperatury.
  2. Jest to reakcja I rzędu.
  3. $k\approx 1,80\cdot 10^{-3}\mathrm{\frac{dm^3}{mol\cdot s}}$

Problem z zadaniem domowym? Potrzebujesz dodatkowych wyjaśnień? Już niebawem znajdziesz tutaj filmik video, dzięki któremu zadania rozwiążemy razem, krok po kroku. Zaglądaj regularnie!