Kinetika chemick²ch reakcφ Autor:Jana KuΦerovß
Chemici na zßklad∞ pokus∙ zjistili, ₧e doba nutnß k uskuteΦn∞nφ urΦitΘ chemickΘ
reakce nenφ v₧dy stejnß a zßvisφ p°edevÜφm na koncentraci v²chozφch lßtek, na
teplot∞ p°i kterΘ reakce probφhß a na p°φtomnosti nebo nep°φtomnosti katalyzßtor∙.
╪eÜenφm t∞chto problΘm∙ se zab²vß reakΦnφ kinetika.
Chemickß reakce je d∞j, jeho₧ podstatou jsou srß₧ky molekul reaktant∙, po nich₧
nßsleduje zßnik n∞kter²ch vazeb a vytvo°enφ vazeb nov²ch. Mezi Φßsticemi plynn²ch
lßtek dochßzφ v porovnßnφ s lßtkami kapaln²mi, p°φpadn∞ tuh²mi k obrovskΘmu
mno₧stvφ srß₧ek. Z toho vypl²vß, ₧e v plynnΘm skupenstvφ by m∞ly vÜechny reakce
probφhat relativn∞ rychle. Bohu₧el tomu tak ale nenφ. Jestli₧e smφsφme za normßlnφch
podmφnek nap°φklad vodφk s chlorem, ke srß₧kßm mezi molekulami obou plyn∙ dojde,
ale molekuly chlorovodφku prakticky nevznikajφ. ReakΦnφ kinetika objas≥uje tento
jev n∞kolika teoriemi.
TEORIE AKTIVN═CH SR┴ÄEK
Ta vychßzφ z p°edpokladu, ₧e pro uskuteΦn∞nφ chemickΘ reakce je nutnß srß₧ka
mezi molekulami reagujφcφch lßtek. Porovnßnφ skuteΦnΘ reakΦnφ rychlosti s poΦtem
srß₧ek za jednotku Φasu sv∞dΦφ o tom, ₧e jen zlomek z celkovΘho poΦtu srß₧ek
je ·Φinn² a vede ke vzniku produkt∙. Bylo zjiÜt∞no, ₧e reakce prob∞hne pouze
tehdy, srazφ-li se Φßstice, kterΘ majφ dostateΦnou energii. Minimßlnφ energie,
kterou musφ Φßstice mφt, aby srß₧ka mezi nimi byla ·Φinnß, se naz²vß aktivaΦnφ
energie. Podle teorie aktivnφch srß₧ek je velikost aktivaΦnφ energie dßna souΦtem
energiφ vÜech zanikajφcφch vazeb.
Na reakΦnφ koordinßt∞ je zaznamenßn pr∙b∞h chemickΘ reakce sm∞rem od reaktant∙
k produktßm a na ose y energie reagujφcφch a vznikajφcφch Φßstic. Rozdφl mezi
energiφ reaktant∙ a maximem na k°ivce odpovφdß aktivaΦnφ energii reakce E .
Energetick² rozdφl mezi maximem k°ivky a vznikl²mi produkty je aktivaΦnφ energiφ
zp∞tnΘ reakce E .
ReakΦnφ teplo je rozdφl mezi aktivaΦnφ energiφ p°φmΘ a zp∞tnΘ reakce a urΦuje
tepelnΘ zabarvenφ chemickΘ reakce.
Molekuly tvo°φcφ urΦitou soustavu majφ r∙zn∞ velkou energii tepelnΘho pohybu.
V ka₧dΘm systΘmu se vyskytujφ molekuly s velmi vysokou i velmi nφzkou energiφ,
ale v∞tÜina molekul mß energii blφ₧φcφ se urΦitΘ hodnot∞. SystΘmy jsou ale tvo°enΘ
obrovsk²m poΦtem molekul a proto lze pro rozlo₧enφ jejich energiφ v zßvislosti
na teplot∞ vyu₧φt statistiku a s jejφ pomocφ zφskat nßsledujφcφ k°ivku, z nφ₧
je patrnΘ, ₧e:
n p°i vyÜÜφch teplotßch se maximum k°ivky posouvß k vyÜÜφm energiφm
n s r∙stem teploty se zvyÜuje poΦet molekul, jejich₧ energie dosahujφ aktivaΦnφ
energie, proto takΘ zv²Üenφ teploty v²chozφch lßtek zrychlφ pr∙b∞h chemickΘ
reakce.
n dostateΦn²m snφ₧enφm teploty lze zastavit pr∙b∞h jakΘkoliv reakce.
Mß-li prob∞hnout chemickß reakce, musφ mφt reagujφcφ Φßstice p°i srß₧ce nejen
dostateΦnou enegii, ale takΘ vhodnou prostorovou orientaci.
Teorie aktivnφch srß₧ek byla aplikovßna na celou °adu chemick²ch reakcφ, ale
zφskanΘ v²sledky Φasto neodpovφdaly experimentßlnφm poznatk∙m. P°φΦina rozporu
spoΦφvß v tom, ₧e srß₧ku reagujφcφch Φßstic nelze p°irovnat k mechanickΘ srß₧ce
pevn²ch koulφ. Proto byla vytvo°ena novß teorie, kterß respektuje postupnΘ zm∞ny
vazebn²ch pom∞r∙.
TEORIE AKTIVOVAN╔HO KOMPLEXU
Vychßzφ z p°edpokladu, ₧e v pr∙b∞hu chemickΘ reakce musφ soustava projφt stadiem
tzv. aktivovanΘho komplexu. Vytvo°enφ aktivovanΘho komplexu vede k oslabenφ
n∞kter²ch vazeb v molekulßch reaktant∙ a souΦasn∞ ke tvorb∞ vazeb nov²ch. Z
energetickΘho hlediska zde probφhajφ dva protich∙dnΘ d∞je. P°i Üt∞penφ p∙vodnφch
vazeb se energie spot°ebovßvß a p°i vzniku nov²ch uvol≥uje. U teorie aktivovanΘho
komplexu je tedy energetickß bilance vyjßd°enß prost°ednictvφm aktivaΦnφ energie
p°φzniv∞jÜφ a takΘ bli₧Üφ skuteΦnosti ne₧ u teorie aktivnφch srß₧ek.
Nßsledujφcφ schema znßzor≥uje vzßjemn² pom∞r aktivaΦnφch energiφ, kter² byl
zφskßn aplikacφ obou teoriφ na stejnou chemickou reakci. AktivaΦnφ energie nutnß
k vytvo°enφ aktivovanΘho komplexu je mnohem ni₧Üφ ne₧ aktivaΦnφ energie pot°ebnß
k ·plnΘ disociaci molekul v²chozφch lßtek.
VLIV TEPLOTY NA PRUB╠H REAKCE
Na zßklad∞ experimentßlnφch v²sledk∙ dosp∞l van┤t Hoff k zßv∞r, ₧e zv²Üenφ teploty
v²chozφch lßtek o 10 C mß za nßsledek dvoj a₧ Φty°nßsobnΘ zv²Üenφ reakΦnφ rychlosti.
Vzhledem k rychlejÜφmu pr∙b∞hu reakcφ v obou sm∞rech se rychleji ustavφ takΘ
chemickß rovnovßha. Se zm∞nou teploty se vÜak zm∞nφ i hodnota rovnovß₧nΘ konstanty.
To znamenß, ₧e rovnovß₧nß konstanta reakce je funkcφ teploty.
VLIV KATALYZ┴TORU NA PRUB╠H CHEMICK╔ REAKCE
Celß °ada chemick²ch reakcφ mß vysokou aktivaΦnφ energii a jejich realizace
je proto obtφ₧nß. Existujφ vÜak lßtky naz²vanΘ katalyzßtory, kterΘ umo₧≥ujφ
vΘst reakΦnφ systΘm cestou, kterß je energeticky mΘn∞ nßroΦnß.
Katalyzßtory jsou lßtky, kterΘ se v pr∙b∞hu chemick²ch reakcφ nespot°ebovßvajφ,
nemohou posunout chemickou rovnovßhu ani zm∞nit slo₧enφ systΘmu, kter² dosp∞l
do rovnovß₧nΘho stavu. Katalyzßtory pouze sni₧ujφ aktivaΦnφ energii a tφm zkracujφ
Φas pot°ebn² k dosa₧enφ chemickΘ rovnovßhy.
ObecnΘ schΘma pr∙b∞hu chemickΘ reakce za p°φtomnosti katalyzßtoru:
A + K AK A, B - lßtky vstupujφcφ do reakce
AK + B AB + K AB - produkt reakce
K - katalyzßtor
Jako katalyzßtory se pou₧φvajφ nejr∙zn∞jÜφ lßtky - kyseliny, zßsady, kovy,
oxidy, soli aj. Pou₧φvanΘ katalyzßtory majφ r∙znΘ skupenstvφ a s reaktanty mohou
b²t ve stejnΘ, p°φpadn∞ r∙znΘ fßzi. Pokud jsou reaktanty s katalyzßtorem ve
stejnΘ fßzi a tvo°φ spolu homogennφ sm∞s, hovo°φme o katal²ze homogennφ (rozklad
kyseliny mravenΦφ za vzniku vody a oxidu uhelnatΘho). P°i heterogennφ katal²ze
jsou reaktanty a katalyzßtor v r∙znΘ fßzi. Katalyzßtor je v∞tÜinou pevnß lßtka,
zatφmco reaktanty majφ skupenstvφ kapalnΘ nebo plynnΘ. Vzhledem k tomu, ₧e reakce
probφhß na povrchu katalyzßtoru, b²vß pro tento druh katal²zy pou₧φvßno oznaΦenφ
kontaktnφ katal²za (syntΘza amoniaku z dusφku a vodφku).
Krom∞ tzv. pozitivnφch katalyzßtor∙, kterΘ urychlujφ pr∙b∞h chemick²ch reakcφ,
existujφ i negativnφ katalyzßtory, kterΘ v²razn∞ zvyÜujφ aktivaΦnφ energii systΘmu,
a tφm zpomalujφ pr∙b∞h reakce. Negativnφ katalzßtory se n∞kdy oznaΦujφ jako
inhibitory a vyu₧φvajφ se ke zpomalovßnφ ne₧ßdoucφch chemick²ch reakcφ nebo
reakcφ, kterΘ bez jejich p°φtomnosti probφhajφ velmi prudce.
|