Reakční kinetika
Přihlásit se
Reakční kinetika (1/3) · 15:27

Úvod do chemické kinetiky Vysvětlení základních pojmů z chemické kinetiky. Co je to rychlost reakce, aktivační energie, aktivovaný komplex nebo katalyzátor?

Při hodinách chemie se často setkáte s reakcemi. Vlastně se s reakcemi setkáte pokaždé. Třeba plynný vodík, je to dvouatomová molekula, protože vodík se váže sám se sebou v plynném skupenství, a plynný jód, I2. Ten je také v plynném skupenství. Nejjednodušší je říct, že je prostě dáme dohromady, oni nějak zreagují a vytvoří produkt. Když máte 2 moly vodíku a 2 moly jódu, tak vytvoří 2 moly jodovodíku. To je všechno hezké a elegantní a vypadá to jako velmi jednoduchá věc, která proběhne poměrně hladce, ale my víme, že ve skutečnosti to takhle nefunguje. A také víme, že se to nestane okamžitě. Není to tak, že prostě vezmete trochu vodíku, přidáte trochu jódu a nějakým zázrakem se z toho stane jodovodík. V těchto plynech probíhají nějaké procesy, částice se pohybují kolem sebe a musí do sebe nějak narazit, aby porušily vazby, které je nyní váží a vytvořily vazby nové. A přesně to teď budeme studovat. Celý tento obor, který zkoumá průběh reakcí a jejich rychlost, se jmenuje kinetika. Je to takový vědecký název, ale už ho určitě znáte, protože už jsme hodně mluvili o kinetické energii. Kinetika. Kinetika v podstatě studuje, jak rychle a jakým způsobem probíhají chemické reakce. Zkusme si teď selským rozumem domyslet, jak by vodík a jód mohli zreagovat. Podíváme se nejdřív, jak vypadá vodík. Vezmeme si periodickou tabulku. Vodík má jeden valenční elektron. Takže když máme dva vodíkové atomy, mohou je mezi sebou navzájem sdílet. Jód má sedm valenčních elektronů, a pokud dva atomy sdílí mezi sebou jeden, jsou stabilní. Pojďme si to zopakovat. Takže vodík může mít ... určitě má jeden valenční elektron. Poblíž něj může být další atom vodíku, který má jiný valenční elektron. Pokud mezi sebou vytvoří vazbu, elektrony si sdílejí. Tento vodík může předstírat, že má tento elektron. Tento vodík může předstírat, že on má zas tento, a tak jsou oba spokojení. Oběma připadá, že mají zaplněný 1s orbital. Stejné je to u jódu. Máme dva atomy jódu, každý se sedmi valenčními elektrony. Protože to jsou halogeny, jak už víte. Halogeny jsou prvky VII. skupiny, takže mají sedm elektronů. Každý z nich má jeden lichý tady. Tento má radost, když může přestírat, že má tenhle elektron. Má teď osm valenčních elektronů. To samé může předstírat i ten druhý. Vazba mezi atomy je tedy právě zde, a proto tvoří vodík v plynném stavu dvouatomové molekuly, stejně jako jód. Když jsou oba prvky v plynném stavu, několik jejich molekul se kolem sebe pohybuje a naráží do ostatních. Zkusím to nakreslit. Vodík by mohl vypadat nějak takhle. Má dva atomové orbitaly, které jsou spojeny dohromady. Mají mezi sebou dva elektrony, které je drží pohromadě. Jód vypadá asi nějak takhle. Je to mnohem větší molekula, takhle nějak drží pohromadě. Atomy také sdílí elektrony v kovalentní vazbě a všechno je o pravděpodobnosti. Aby se tyto dvě molekuly změnily v tohle, tyto vazby se nějak musí rozbít, aby vznikly vazby nové. Aby k tom došlo, musí se tyto částice, kterých je tu ovšem jako naseto. Mohl bych jich nakreslit více, ale radši je zkopíruji. Pohybuje se tu skupina molekul vodíku a skupina molekul jódu. Aby vznikl jodovodík, musí se tyto molekuly srazit, a to tím správným způsobem. Třeba tahle částice ... předvedu vám to. Řekněme, že se pohybuje. To je dobré, můžu to posouvat a pouštět. Částice se neustále pohybuje a musí se do molekuly vodíku přesně trefit. Možná nějak takhle. Pokud se jí podaří do ní trefit s dostatečnou energií. Dostanou se například do této pozice. Tyto elekrony řeknou, že je fajn, když si je sdílí dva atomy. Mají stabilní konfiguraci, vyplňují 1s orbital. Ale teď mají v blízkosti tenhle jód, který o jeden z nich vážně stojí. Jód má mnohem větší elektronegativitu než vodík, a tak si může vodíkový elektron přetáhnout. Elektronům je jedno, jestli jsou mezi vodíky nebo tady, tak prostě vstoupí do vyššího energetického stavu. Podobně si tihle řeknou, jestli by to nebylo lepší. Nemusí být zde. Mohl by se vrátit do svého atomu, pokud přijde tamten elektron, protože tak jich bude celkem osm valenčních elektronů. To samé se děje i tady. Tento komplex, který se vytvoří při srážce, je ve skutečnosti určitý stav. Je to vyšší energetický neboli transitní stav reakce. Říká se mu aktivovaný komplex. Aktivovaný komplex. Já jsem to znázornil pomocí obrázků, ale dá se to znázornit i takto. Vodík má kovalentní vazbu s jiným vodíkem. Pod ním bude jód v kovalentní vazbě s jiným jódem. Najednou by se tito dva také chtěli svázat a začnou zde působit další přitažlivé síly. Je to další způsob znázornění aktivovaného komplexu. Jedná se o vyšší energetický stav, protože z pohledu elektronu pro přechod z této vazby na tuto vazbu, nebo této vazby na tuto vazbu, nebo zpět musí vstoupit do vyššího energetického stavu. Je to stav méně energeticky stabilní než ten předchozí. Ale dělají tak jenom, když mají dostatek energie. Vycházíme z těchto oddělených částic. Pojďme je nakreslit odděleně. Nějak to tu nakreslím. Samostatný vodík plus samostatný jód. Dostanou se do tohoto vyššího energetického stavu. Ale do vyššího energetického stavu se dostanou jen s dostatkem energie pro srážku a dostatečnou kinetickou energií, aby do sebe narazili ve správném směru. Z aktivovaného komplexu nebo z vyšší energetické hladiny potom přejdou na nejnižší energetickou hladinu. A nejnižší energetická hladina je jodovodík. Jejda! Nejdřív nakreslím jód a pak vodík. Tady se ve skutečnosti nachází v nižším energetickém stavu než tady. Ale aby se sem dostaly, musí projít vyšším energetickým stavem. Znázorním vám to v grafu. Osa X znázorňuje průběh reakce. My ovšem nevíme, jak rychle tato reakce probíhá, ale představme si, že to znázorňuje nějaký časový úsek, a tady máme potenciální energii. Udělám tu čáru trochu silnější. Potenciální energie. Tady to taky zesílím. Takže tady je potenciální energie. Na začátku se nacházíme tady, představte si to jako energie obou sloučenin dohromady. Vycházíme tedy z této hladiny, kde jsou H2 a I2. A s jodovodíkem se dostaneme na nižší potenciální energii, tak si jí znázorníme tady dole. Tady bude 2HI. Aby se ale sem dostaly, musí projít vyšším energetickým stavem, elektrony musí mít určité větší množství energie, minimálně pro to, aby se rozhodly, jak naloží se svými životy. Proto musíme do systému dodat energii. Může k tomu ovšem dojít i bez přidání energie, pokud se tak ovšem neděje, k dosažení aktivovaného stavu se musí energie dodat. Tady se nacházíme v tomto stavu. V systému musí být nějaká energie navíc. A tato energie, rozdíl mezi energií vodíku a jódu a energií nutnou k dosažení aktivovaného komplexu, tento rozdíl, tato vzdálenost, to je aktivační energie. Pokud nějak dokážeme dodat do systému dostatek energie, nastane tato situace. Molekuly se srazí s dostatkem energie, jejich vazby se rozbijí a přemění. Aktivační energie. Píše se jako Ea, energie k aktivaci. Později možná budeme tuto energii u reakcí měřit, nejdůležitější je ovšem, abyste ten princip správně pochopili. Ta energie tam musí být, nelze se prostě dostat samovolně odsud sem. Chtěl bych se ještě stručně zmínit o katalyzátorech. Už jste ten pojem určitě slyšeli, třeba že něco je katalyzováno. Je to v podstatě další činitel, další prvek v takových reakci. My se teď zabýváme reakcí H2 plus I2 a produktem je jodovodík. Mohli bychom tu mít katalyzátor, třeba C, uhlík. Vlastně ani nevím, jestli by tuto reakci katalyzoval. Jak katalyzátory fungují? No, můžou pracovat různými způsoby, proto je teď nechci moc rozebírat. V podstatě je katalyzátor látka, která se nemění. Není v reakci spotřebovávána. Katalyzátor je tu před reakcí a katalyzátor je tu i po reakci. Má ovšem na reakci takový účinek, že ji zrychluje, neboli snižuje energii nutnou pro proběhnutí reakce. Takže s katalyzátorem bude tato aktivační energie nižší. Funguje to tak, že molekula katalyzátoru způsobí jiný transitní stav, s nižší potenciální energií, takže je třeba nižší teplota nebo nižší koncentrace molekul, aby do sebe správně narazily. Je tedy třeba méně energie. Když už teď rozumíme kinetice reakcí, jak spolu molekuly reagují, co podle vás ovlivňuje, jestli k reakci dojde nebo ne? Už víme, že to jsou pozitivní katalyzátory. Existují i negativní katalyzátory, které reakce zpomalují. Nás ale zajímají pozitivní katalyzátory, které snižují aktivační energii, takže reakce zrychlují. Více molekul do sebe naráží správným způsobem, aby přeskočily tento hrbol, protože s katalyzátorem je nižší. Také když zvýšíme koncentraci. Když zvýšíme koncentraci molekul, máme hned více materiálu, který do sebe může narážet. Je tu vyšší pravděpodobnost. Vše je založeno na pravděpodobnosti. Zápis reakce vypadá velmi hezky a jednoduše, zdá se, že to vše probíhá velmi snadno. Jenže ve skutečnosti to tak není, částice do sebe musí narážet. Bude velmi zajímavé to rozebírat v biologii, protože každý biologický proces je ve skutečnosti jenom chemický proces, všechno je jen výsledek srážek těchto částic. Dovedete si představit, že pokud máte vyšší koncentraci částic, které do sebe musí narážet, pak je pravděpodobnější, že do sebe správně narazí, se správným množstvím energie, aby došlo k reakci. Tady bych chtěl ještě něco poznamenat. Řekněme, že v této reakci začínáme na této energii. Ale jak se vůbec dostanu přes tohle? Jak to může zreagovat? Musíte pamatovat, že všechny molekuly v plynu nemají stejnou kinetickou energii. Některé molekuly mají kinetickou energii vyšší, jiné zase nižší. Teplota je jen průměrná hodnota. Proto je tu vždy určitá pravděpodobnost, že dvě molekuly s vysokou kinetickou energií do sebe narazí tím správným způsobem. Mají dostatek energie, aby se dostaly do aktivovaného stavu, a pak přejdou do nižšího energetického stavu, což je právě jodovodík. Může k tomu dojít při všech teplotách, ale je jasné, že čím je teplota vyšší, tím k této reakci dochází častěji. To je tedy další faktor. Teplota. Teplota je nejspíš ten hlavní důvod, proč k reakcím dochází rychleji. Takže všechny tyto činitelé reakce zrychlují. U samotných molekul je důležité, jestli jsou vazby mezi jejich atomy slabé. Potom jsou náchylnější vstupovat do reakcí. Jsou tu ovšem i další vlastnosti: tvar molekuly, náchylnost některých atomů k reakcím s určitými jinými atomy. To je velmi důležité v biologii. Možná jste ještě uvažovali o povrchu. Pokud zvětšíme povrch. Bavili jsme se zatím jen o reakcích plynů, tam je jasné, že povrchové reakce nehrají roli. S rostoucím povrchem roste rychlost reakce. Jak si to máme představit? Vezmeme třeba reakci, kterou už jsme několikrát rozebírali. Pevný chlorid sodný, tedy kuchyňská sůl, a kapalná voda. a vzniká... no, můžeme o tom uvažovat různě, ale my si vezmeme roztok sodných kationtů a chlorných aniontů. Jsou rozpuštěné ve vodě. Jak k tomu dojde? Když byste měli velkou kostku ledu - ne, vlastně soli. Nakreslím sůl šedou barvou. Máme takovouhle kostku soli, která obsahuje spoustu atomů sodíku a chlóru. Pokud je obklopena vodou, budou s ní reagovat pouze molekuly na povrchu, ty se budou pomalu rozpouštět, vytvářet polární vazby. Jsou to dipólové vazby s jednotlivým ionty sodíku a chlóru. Když byste ale tuhle kostku rozbili na menší kostičky, nebo rozdrtili na opravdu malé kousky, najednou by se zvětšil povrch, na kterém by mohly reagovat molekuly vody, mohly by působit na více molekul soli, takže reakce by probíhala rychleji. Pokud zvýšíme povrch, zvýšíme tím i rychlost reakce. Když bychom chtěli zreagovat dvě kapaliny, a rozprašovali bychom jednu kapalinu na druhou, vznikly by drobné kapičky, tím také zvětšíte povrch. Tohle tedy byl úvod do kinetiky. Doufám, že teď chápete princip reakcí. Měli byste o chemii přemýšlet takhle. Nejenže se prostě musíte naučit nějaké vzorce. Jsou to doopravdy srážky a kolize mezi atomy. Vše je o pravděpodobnosti a je to velký chaos. Je třeba přemýšlet o tom, co způsobuje, že částice do sebe častěji a správně narážejí, aby docházelo k reakcím.
video