Rychlokurz chemie
Rychlokurz chemie (30/43) · 8:57

Chemická kinetika Chemická kinetika je vlastně takové demoliční derby v mikroskopickém světě. Nevěříte? Pojďte se v tomto videu dozvědět více.

Byli jste někdy na demoličním derby? V podstatě je to pár lidí jezdící auty na poli pokoušejících se nabourat do ostatních, zatímco se sami pokoušejí uhýbat ostatním. Cílem je pochopitelně poškodit auta ostatních tak, že se stanou nepojízdnými. Řidič posledního pojízdného auta vyhrává Vy už ale znáte rychlokurz chemie natolik, že víte, že bych o tom asi nemluvil, kdyby to nemělo něco společného s chemií. A ano, má, chemické reakce fungují v podstatě stejně. Atomy a molekuly se pohybují v prostředí a sem tam do sebe narazí. Když to udělají správně, tak mezi nimi proběhne reakce. A když se to stane dostkrát, tak se koncentrace reagujících molekul sníží. zatímco koncentrace produktů se zvýší, tím vyhrají. Ale není to tak snadné, jak to zní, ať už pro demoliční derby, nebo pro chemikálie. V obou případech nastane mnoho kolizí, jejichž výsledek je v podstatě nulový. Srážka dvou molekul ještě neznamená, že reakce skutečně proběhne, Stejně jako náhodné narážení do auta neznamená, že ho vyřadíte z derby. Takže, kdy je kolize efektivní? Náraz musí mít dost síly a musí být do správného místa. Odvětví chemie, které studuje, jak kolize ovlivňují rychlost reakce, je kinetika. A podle mně je stejně vzrušující a o dost užitečnější než demoliční derby. Kdyby tak i na hodinách chemie prodávali občerstvení jako na derby. Kinetika Takže, když chemické reakce fungují jen, když do sebe částice vrazí správně a silně, jak silně do sebe musí vrazit? Každá reakce potřebuje určité množství energie, aby začala probíhat. Té říkáme aktivační energie Molekuly potřebují narazit s tímto množství energie, aby je náraz rozbil a potom znovu složil nějak jinak. Bez toho nic neproběhne. Je to jako kopec, který molekuly musí překonat, aby mohly pokračovat dál. Kde vezmou tuto energii? No z kinetické energie, tedy samotné rychlosti částic. Jako u aut v děmoličním derby, vše ostatní je stejné. Čím rychleji se částice pohybuje, tím silnější bude náraz. Ale i když do sebe narazí silně, stejně to může být k ničemu, pokud do sebe nenarazí správně. Stejně jako náraz do zadku nějakého auta ho nezastaví, není tam motor. Stejně tak můžete zapínat suchý zip, ale pokud není správně natočený, tak se to nepovede To samé je i s molekulami. Například oxid dusnatý vedlejší produkt spalování benzínu a proto něco, co můžete cítit na demoličním derby. Za správných podmínek reaguje s vodíkem na dusík a vodu. Ale molekuly do sebe musí narazit správně. Aby vzniklo N2, dvě NO do sebe musí narazit tak, že dusíky jsou u sebe. A abychom dostali H2O, molekula H2 musí narazit do NO na straně, kde je kyslík. A stejně jako se suchým zipem otočeným špatnou stranou můžete vrážet s N do H2 celý den a stejně žádnou vodu nedostanete. Takže řekněme, že máme dostatek správných, efektivních srážek mezi molekulami. Reakce by měla probíhat bez dalších problémů, že? Ano i ne. Když jsou energetické předpoklady naplněny, reakce probíhat bude, ale její rychlost může být jak neuvěřitelně rychlá, tak extrémně pomalá. Reakční rychlost je vlastně rychlostí, se kterou klesá koncentrace reaktantů a musí být určena experimentálně Nemůže být vypočtena ze změny energií, ani žádného jiného termodynamického faktoru. Jeden užitečný pohled na reakční rychlost je rychlostní rovnice. Ta popisuje závislost mezi počáteční koncentrací reaktantů a rychlostí, kterou reakce probíhá. Rychlostní rovnice pro reakci vypadá asi takto. Rychlost se rovná konstantě "k" krát koncentrace reaktantů umocněných na jisté koeficienty. Všimněte si, že používáme pouze reaktanty, ne produkty. Rychlostní rovnice pro naší reakci poté bude k krát koncentrace oxidu dusného umocněná na nějaké číslo krát koncentrace vodíku, taktéž umocněná na nějaké číslo. Asi teď přemýšlíte o všech těch "umocněná na nějaké číslo". Takže, jaké číslo? Tohle je úplně správná otázka. Exponenty v této rovnici jsou problém i pro profesionální chemiky a inženýry. Protože, jak jsem už řekl, mohou být určeny pouze experimentálně. Je to celkem složité, ale my zvládneme, koukejte. Řekněme, že jsme provedli reakci několika různými způsoby a pokaždé spočetli rychlost. Řekněme, že pro první reakci jsme dostali rychlost 0,006 molů na litr na sekundu. A potom jsme reakci opakovali se stejným množstvím oxidu dusnatého, ale tentokrát jsme zdvojnásobili množství vodíku. A zjistili jsme, že rychlost reakce je 0,00012 molů na litr na sekundu. A co nám to říká? No, zdvojnásobení množství vodíku zdvojnásobí rychlost. Což znamená, že reakční rychlost je přímo úměrná koncentraci vodíku. To se v rychlostní rovnici dá vyjádřit tak, že exponent u vodíku bude 1. Na závěr uděláme ještě jeden pokus s původním množstvím H2 a dvojnásobným NO. Tentokrát zjistíme, že rychlost je 0,048 mol na litr na sekundu. Zdvojnásobení množství NO vedlo k osminásobnému zvýšení rychlosti A to lze vyjádřít matematicky tak, že exponent u NO bude 3. To znamená, že finální zápis rovnice bude: k krát koncentrace vodíku na prvou, což samozřejmě není potřeba psát, krát koncentrace oxidu dusnatého na druhou. O takové rychlostní rovnici říkáme, že je čtvrtého řádu. K tomu dojdeme sečtením exponentů: 3 plus 1, což není žádná složitá matematika, se rovná se 4. Reakce čtvrtého řádu jsou vzácné, většina je nultého, prvního, nebo druhého řádu. Ale ve všech případech je to spočteno tak, jak jsme si ukázali. Pokud jste se už viděli díl o rovnováze, toto vyjádření by vám mělo být povědomé. U rovnováhy využíváme také koncentrace s hranatými závorkami a exponenty a to není to náhoda. Tyto rovnice totiž vychází jedna z druhé. Reakce je v rovnováze, když dopředná a zpětná reakce probíhá stejně rychle, že? Kdybychom tedy vyjádřili rychlost zpětné reakce, měla by stejný tvar jako dopředná. Ale s použítím počátečních koncentrací produktů, a ne reaktantů. Představme si imaginární reakci, ve které A plus B přechází na C plus D. Malá písmena představují stechiometrické koeficienty reaktantů a produktů. Dopředná rychlost je k krát koncentrace A umocněná na nějaký exponent krát koncentrace B umocněná na nějaký exponent. A zpětná rychlost je úplně stejná, jen s C a D místo A a B. Všimněte si, že tyto exponenty nejsou stechiometrické koeficienty reakce. Když napíšeme tyto dvě rovnice dohromady, abychom vyjádřili jejich rovnost a sloučíme obě konstanty, získáme výraz, který vypadá jako vyjádření rovnováhy. Z matematických důvodů nejsou exponenty přenosné, ale, ano, toto je odkud se vzalo vyjádření rovnováhy. Dobré, ne? Když je to tak jednoduché, proč nedojde každá reakce do rovnováhy a nezůstane tam? Občas není zpětná reakce z rozličných důvodů příliš výrazná. Někdy je dopředná reakce tak rychlá, že jakékoli reaktanty jsou hned přeměněny na produkty. Anebo se produkty mohou fyzicky oddělovat, takže nemají šanci se srazit. Například když se produkty separují na plyny a pevné látky. Často je to ale kvůli tomu, že aktivační energie zpětné reakce je tak vysoká, že srážky jsou téměř vždy neefektivní. Protože většina reakcí se neděje najednou, místo toho se skládají z kroků. A stejně jako jiný vícekrokový proces, i reakce jsou tak rychlé jako nejpomalejší krok. A někdy je tento krok opravdu pomalý. Protože určuje, jak rychlé je vše ostatní, nazýváme ho rychlost určujícím krokem. Nejpomalejší krok je ten s nejvyšší aktivační energií. Pokud mají částice problém dostat se přes tuto část energetického kopce, tak budou mít problém dostat se do cíle, nezávisle na rychlosti ostatních kroků. Tedy třeba reakce oxidu dusnatého, o které jsme již mluvili, má ve reálně tři kroky. Nejdřív spolu oxid dusnatý a H2 vytvoří vodu a atomární dusík. Potom dusík zreaguje s další molekulou NO na N2 a atomární kyslík. A nakonec atom kyslíku zreaguje s H2 na vodu. Nejpomalejší krok je zde ten druhý a nezávisle na rychlosti prvního kroku, voda nemůže vznikat dokud nevznikl dusík. Věc se má tak, že někdy nemůžeme na reakci čekat, až proběhne sama od sebe. Někdy jí musíme pomoci. A to je práce pro katalyzátor. Katalyzátor je látka, která snižuje aktivační energii reakce, a tedy jí zrychluje bez toho, aby byla sama změněna. Katalyzátory mají mnoho forem, můžou to být jiné chemické látky, kus kovu, který je v kontaktu s reaktanty, anebo dokonce i přítomný plyn. Jedny z nejběžnějších a nejdůležitějších katalyzátorů jsou enzymy v organismech. Bez nich by mnoho chemických procesů, které naše tělo vykonává, aby nás udrželo naživu, zpomalilo tak, že by se téměř zastavilo, což by vedlo k naší smrti. Takže tady to máte, jak v demoličním derby tak v chemii jde o to, jak silně umíte narazit a jak přesně umíte mířit. Chemie! překvapivě vzrušující, dokonce i bez občerstvení.
video