Rychlost chemické reakce do značné míry závisí na okolní teplotě. Zvýšení teploty podporuje aktivaci molekul a urychlení chemických procesů. Je tedy logické předpokládat, že pokles teploty by měl vést ke zpomalení reakce. Jak přesně a jak silně by však měla být teplota snížena, aby se rychlost reakce snížila 81krát?
Pro odpověď na tuto otázku je třeba vzít v úvahu základní principy kinetiky chemických reakcí. Jedním z nich je arrheniův zákon, který stanoví závislost rychlosti reakce na teplotě podle následujícího vzorce:
k = A * e (-Ea/RT)
kde K je konstanta rychlosti reakce, a je preexponenciální multiplikátor, EA je aktivační energie, R je univerzální plynná konstanta, T je teplota v kelvinech.
Abychom tedy našli teplotu, při které se rychlost reakce sníží 81krát, je nutné najít odpovídající změnu teploty ve vzorci Arrheniova zákona. K tomu lze použít logaritmickou transformaci a vyřešit rovnici:
Principy chemické reakce
Princip chemické reakce je založen na termodynamických zákonech. Zvýšení teploty vede ke zvýšení aktivity molekul a jejich kolizí. Čím vyšší je teplota, tím více molekul má energii dostatečnou k překonání energetické bariéry reakce a vytvoření nových vazeb.
Pokud chceme snížit rychlost reakce, musíme snížit energii kolizí molekul. K tomu je nutné snížit reakční teplotu. Stanovení o kolik stupňů snížit teplotu může být definováno experimentálně, vypočítáno pomocí vzorce nebo odvozeno z údajů chemické rovnice.
Pokud chceme snížit rychlost reakce 81krát, musíme najít teplotu, která sníží energii kolizí molekul 81krát. K tomu můžete použít arrheniusův vzorec:
k = A * exp(-Ea/RT)
- k - rychlost reakce;
- A - preexponenciální faktor (konstanta závislá na povaze reaktantů) odráží počet, orientaci nábojů, frekvenci srážky atomů reagujících částic;
- Ea - aktivační energie;
- R univerzální plynová konstanta;
- T - reakční teplota.
Při řešení rovnice týkající se teploty můžeme najít hodnotu, o kolik stupňů je třeba snížit teplotu, aby se rychlost reakce snížila 81krát, když známe ostatní proměnné.
Snížení teploty v kombinaci s dalšími faktory lze tedy použít ke kontrole a řízení rychlosti chemické reakce.
Teplota a rychlost reakce
Vliv teploty na rychlost reakce
Teplota je jedním z nejdůležitějších faktorů ovlivňujících rychlost chemických reakcí. Zvýšení teploty obvykle vede ke zvýšení rychlosti reakce a snížení ke snížení rychlosti.
Zvýšení teploty zvyšuje průměrnou energii částic, což přispívá k jejich částečnému překonání aktivační bariéry a zvýšení množství částic s dostatečnou energií pro úspěšnou srážku.
Vztah mezi změnou teploty a reakční rychlostí
Vztah mezi změnou teploty a změnou rychlosti reakce je popsán arrheniovou rovnicí:
- k - rychlá reakční konstanta
- A - preexponenciální multiplikátor
- Ea - aktivační energie
- R univerzální plynová konstanta
- T - absolutní teplota
Z arrheniovy rovnice vyplývá, že zvýšení teploty vede k exponenciálnímu zvýšení rychlosti reakce. Pokles teploty také vede k exponenciálnímu snížení rychlosti reakce.
Stanovení poklesu teploty pro snížení rychlosti reakce
Chcete-li snížit rychlost reakce 81krát, musíte určit, o kolik stupňů snížit teplotu. K tomu lze použít arrheniovu rovnici a vyjádřit poměr reakčních rychlostí v procentech:
- ΔT - snížení teploty
Při řešení výsledné rovnice lze určit potřebný pokles teploty, aby se rychlost reakce snížila 81krát.
Změna teploty a rychlosti reakce
Snížení teploty může způsobit zpomalení rychlosti reakce. Určit přesnou hodnotu změny teploty potřebnou ke snížení rychlosti reakce v daném počtu časů lze pomocí Arrheniova vzorce:
k2 = k1 * e^(- Ea / (R * T2))
Kde K1 a K2 jsou reakční rychlosti při teplotách T1 a T2. EA-reakční aktivační energie, R - univerzální plynná konstanta.
Pro snížení rychlosti reakce 81krát je nutné najít teplotu, při které bude rychlost 81krát nižší. Pokud byla původní teplota T1 známa, pak lze pro nalezení požadované teploty T2 použít vzorec:
T2 = T1 - ΔT
Kde ΔT je změna teploty, kterou je třeba určit. Umístěním nalezené hodnoty T2 do Arrheniova vzorce lze najít aktivační energii reakce Ea. Poté, s vědomím Ea, lze určit hodnotu ΔT, která je nezbytná ke snížení rychlosti reakce 81krát.
Vliv velikosti změny teploty
Vliv změny teploty na rychlost reakce
Snížení nebo zvýšení teploty může výrazně změnit rychlost reakce. Je zřejmé, že pokles teploty sníží rychlost reakce, zatímco zvýšení teploty ji zvýší.
K určení vlivu změny teploty na rychlost reakce se používá want-Goffovo pravidlo, které umožňuje odhadnout, kolikrát se změní reakční rychlost při změně teploty o 10 stupňů Celsia. Podle want-Goffova pravidla se u mnoha reakcí rychlost reakce zdvojnásobí, když se teplota zvýší o 10 stupňů Celsia.
Pro snížení rychlosti reakce 81krát je tedy nutné snížit teplotu o 81 * 10 = 810 stupňů Celsia.
Vliv změny teploty na směr reakce
Změna teploty může také ovlivnit směr reakce. Při zvýšení teploty mohou některé reakce probíhat v přímém směru, zatímco při poklesu teploty mohou probíhat v opačném směru.
To je vysvětleno principem Le Châtelet, který tvrdí, že systém, který je v rovnováze, se posune směrem, který kompenzuje změnu vnějších podmínek, v tomto případě změnu teploty.
Velikost změny teploty tedy může změnit rychlost i směr reakce, což je důležitý faktor v chemických procesech.