2.3: عوامل موثر بر سرعت واکنش
- Page ID
- 216180
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)در پایان این بخش، شما قادر خواهید بود:
- اثرات ماهیت شیمیایی، حالت فیزیکی، دما، غلظت و کاتالیز را در سرعت واکنش توصیف کنید
میزان مصرف واکنش دهنده ها و تولید محصولات در طی واکنش های شیمیایی بسیار متفاوت است. پنج عامل موثر بر سرعت واکنش های شیمیایی در این بخش مورد بررسی قرار می گیرند: ماهیت شیمیایی مواد واکنش دهنده، حالت تقسیم (یک توده بزرگ در مقابل بسیاری از ذرات کوچک) واکنش دهنده ها، دمای واکنش دهنده ها، غلظت واکنش دهنده ها و حضور کاتالیزور.
ماهیت شیمیایی مواد واکنش
سرعت یک واکنش بستگی به ماهیت مواد شرکت کننده دارد. واکنش هایی که مشابه به نظر می رسند ممکن است در شرایط یکسان، بسته به هویت واکنش دهنده ها، نرخ های مختلفی داشته باشند. به عنوان مثال، هنگامی که قطعات کوچکی از فلزات آهن و سدیم در معرض هوا قرار می گیرند، سدیم به طور کامل با هوا در طول شب واکنش نشان می دهد، در حالی که آهن به سختی تحت تاثیر قرار می گیرد. فلزات فعال کلسیم و سدیم هر دو با آب واکنش می دهند تا گاز هیدروژن و یک پایه تشکیل دهند. با این حال، کلسیم با سرعت متوسط واکنش نشان می دهد، در حالی که سدیم به سرعت واکنش نشان می دهد که واکنش تقریبا انفجاری است.
حالت های فیزیکی واکنش دهنده ها
یک واکنش شیمیایی بین دو یا چند ماده نیاز به تماس صمیمی بین واکنش دهنده ها دارد. هنگامی که واکنش دهنده ها در حالت های فیزیکی یا فازهای مختلف (جامد، مایع، گازی، محلول) هستند، واکنش فقط در سطح مشترک بین فازها انجام می شود. واکنش ناهمگن بین یک فاز جامد و یک فاز مایع یا گازی را در نظر بگیرید. در مقایسه با سرعت واکنش برای ذرات جامد بزرگ، سرعت ذرات کوچکتر بیشتر خواهد بود زیرا سطح در تماس با فاز واکنش دهنده دیگر بیشتر است. به عنوان مثال، قطعات بزرگ آهن به آرامی با اسیدها واکنش نشان می دهند تا با پودر آهن ریز تقسیم شده (شکل\(\PageIndex{1}\)). تکه های بزرگ چوب می سوزند، قطعات کوچکتر به سرعت می سوزند و گرد و غبار به طرز انفجاری می سوزد.
این ویدئو را تماشا کنید تا واکنش سزیم با آب را در حرکت آهسته ببینید و بحث در مورد چگونگی وضعیت واکنش دهنده ها و اندازه ذرات بر سرعت واکنش تاثیر می گذارد.
دمای واکنش دهنده ها
واکنش های شیمیایی به طور معمول در دماهای بالاتر سریعتر رخ می دهد. هنگامی که غذا روی پیشخوان آشپزخانه باقی بماند، می تواند به سرعت خراب شود. با این حال، دمای پایین داخل یخچال این روند را کند می کند به طوری که همان غذا برای روزها تازه باقی می ماند. مشعل های گاز، صفحات داغ و اجاق ها اغلب در آزمایشگاه برای افزایش سرعت واکنش هایی که به آرامی در دمای معمولی انجام می شوند، استفاده می شوند. برای بسیاری از فرآیندهای شیمیایی، هنگامی که دما 10 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، سرعت واکنش تقریباً دو برابر می شود.
غلظت واکنش دهنده ها
سرعت بسیاری از واکنش ها به غلظت واکنش دهنده ها بستگی دارد. نرخ معمولا زمانی افزایش می یابد که غلظت یک یا چند واکنش دهنده افزایش یابد. به عنوان مثال، کربنات کلسیم (CaCo3) در نتیجه واکنش آن با دی اکسید گوگرد آلاینده خراب می شود. سرعت این واکنش بستگی به مقدار دی اکسید گوگرد در هوا دارد (شکل\(\PageIndex{2}\)). یک اکسید اسیدی، دی اکسید گوگرد با بخار آب موجود در هوا ترکیب می شود تا اسید سولفوریک را در واکنش زیر تولید کند:
\[\ce{SO_2(g) + H_2O(g) \longrightarrow H_2SO_3(aq)} \nonumber \]
کربنات کلسیم با اسید سولفوریک به صورت زیر واکنش نشان می دهد:
\[\ce{CaCO_3(s) + H_2SO_3(aq) \longrightarrow CaSO_3(aq) + CO_2(g) + H_2O(l)} \nonumber \]
در یک فضای آلوده که غلظت دی اکسید گوگرد زیاد است، کربنات کلسیم با سرعت بیشتری نسبت به هوای کمتر آلوده خراب می شود. به طور مشابه، فسفر در اتمسفر اکسیژن خالص بسیار سریعتر از هوا می سوزد، که فقط حدود 20٪ اکسیژن است.
فسفر به سرعت در هوا می سوزد، اما اگر غلظت اکسیژن بیشتر باشد، حتی سریعتر می سوزد. برای دیدن یک مثال این ویدیو را تماشا کنید.
حضور یک کاتالیزور
محلول های آبی نسبتا رقیق پراکسید هیدروژن\(\ce{H2O2}\)، معمولا به عنوان ضد عفونی کننده موضعی استفاده می شود. پراکسید هیدروژن تجزیه می شود تا آب و گاز اکسیژن را با توجه به معادله تولید کند:
\[\ce{2 H_2O_2(aq) \longrightarrow 2 H_2O(l) + O_2(g)} \nonumber \]
در شرایط معمول، این تجزیه بسیار آهسته رخ می دهد. با این حال، هنگامی که رقیق \(\ce{H2O2(aq)}\) بر روی زخم باز ریخته می شود، واکنش به سرعت رخ می دهد و محلول به دلیل تولید شدید گاز اکسیژن کف می کند. این تفاوت چشمگیر ناشی از وجود موادی در بافت های در معرض زخم است که روند تجزیه را تسریع می کنند. موادی که برای افزایش سرعت واکنش عمل می کنند کاتالیزور نامیده می شوند، موضوعی که بعداً در این فصل با جزئیات بیشتری مورد بررسی قرار می گیرد.
واکنش های شیمیایی زمانی رخ می دهد که مولکول ها با یکدیگر برخورد می کنند و تحت یک تحول شیمیایی قرار می گیرند. قبل از انجام فیزیکی یک واکنش در آزمایشگاه، دانشمندان می توانند از شبیه سازی های مدل سازی مولکولی استفاده کنند تا پیش بینی کنند که چگونه پارامترهای مورد بحث در مورد سرعت واکنش تاثیر می گذارند. از واکنش ها و نرخ های PhET تعاملی استفاده کنید تا بررسی کنید که چگونه دما، غلظت و ماهیت واکنش دهنده ها بر سرعت واکنش ها تأثیر می گذارد.