úvod
Výbuch trvá zlomok sekundy, šumienka vo vode sa rozpustí za minútu a hrdzavý klinec vzniká celé mesiace. Chemické reakcie prebiehajú veľmi rozdielne rýchlo. Rýchlosť však nie je daná raz navždy: tú istú reakciu vieme zrýchliť aj spomaliť. V tejto lekcii zistíš, čo všetko na rýchlosť vplýva a prečo.
teória
Rýchle a pomalé reakcie
- Veľmi rýchle: výbuch zmesi vodíka a kyslíka, ohňostroj, neutralizácia kyseliny zásadou alebo vznik zrazeniny po zmiešaní dvoch roztokov.
- Stredne rýchle: šumienka vo vode, vápenec v octe, pečenie koláča.
- Pomalé: hrdzavenie železa, kysnutie mlieka, rozklad plastovej fľaše v prírode za stovky rokov alebo rast kvapľov v jaskyni.
Ako rýchlo reakcia beží, zistíme podľa toho, ako rýchlo ubúdajú reaktanty alebo pribúdajú produkty. Môžeme merať objem plynu v striekačke, úbytok hmotnosti otvorenej banky na váhach, zmenu farby alebo teploty. Pri jódových hodinách sa meria čas, kým roztok náhle zmodrie.
Rýchlosť reakcie je zmena koncentrácie reaktantu alebo produktu za jednotku času. Priemerná rýchlosť za čas Δt je v = Δc / Δt a udáva sa v mol/(l·s). Keď koncentrácia kyseliny klesne za 20 s z 1,00 mol/l na 0,80 mol/l, priemerná rýchlosť je 0,20 mol/l / 20 s = 0,010 mol/(l·s). Rýchlosť sa udáva kladná, aj keď koncentrácia reaktantu klesá.
Rýchlosť s časom klesá, lebo reaktanty ubúdajú. Na grafe množstva produktu v čase je to vidno ako krivku, ktorá stúpa čoraz pomalšie. Okamžitá rýchlosť v danom čase je strmosť krivky v tom bode. Pri porovnávaní látok s rôznymi koeficientmi treba zmeny koncentrácií prepočítať podľa rovnice: pri 2 H₂O₂ → 2 H₂O + O₂ vzniká kyslík polovičnou rýchlosťou, akou ubúda peroxid.
teória
Prečo sa častice musia zraziť
Častice látok sa neustále pohybujú. Reagovať môžu, len keď sa stretnú a zrazia. Čím viac zrážok za sekundu, tým rýchlejšie reakcia beží. Všetko, čo rýchlosť mení, vlastne mení počet zrážok alebo ich silu.
Predstav si ihrisko plné detí so zaviazanými očami. Čím viac detí je na ihrisku a čím rýchlejšie behajú, tým častejšie do seba narazia. Rovnako je to s časticami v roztoku.
Zrážková teória: k reakcii vedie len účinná zrážka, pri ktorej majú častice dostatočnú energiu, aspoň takú, ako je aktivačná energia reakcie, a sú vhodne natočené k sebe. Účinná je len nepatrná časť všetkých zrážok. Ako aktivačnú energiu znižuje katalyzátor, vysvetľuje lekcia Katalyzátory a inhibítory.
teória
Koncentrácia
Keď je v rovnakom objeme viac častíc reaktantu, zrážajú sa častejšie a reakcia beží rýchlejšie. Vápenec v koncentrovanom octe šumí oveľa prudšie ako v zriedenom. Tlejúca trieska vo vzduchu len tlie, ale v čistom kyslíku vzbĺkne plameňom, lebo kyslíka je v ňom asi päťkrát viac.
Pri plynoch zvýšime koncentráciu aj tlakom. Keď plyn stlačíme na polovičný objem, jeho koncentrácia sa zdvojnásobí a molekuly sa zrážajú častejšie.
teória
Teplota
Pri vyššej teplote sa častice pohybujú rýchlejšie. Zrážajú sa častejšie a hlavne prudšie, takže viac zrážok vedie k reakcii. Preto:
- jedlo v chladničke sa kazí pomalšie a v mrazničke ešte pomalšie,
- v tlakovom hrnci, kde voda vrie asi pri 120 °C, je mäso uvarené oveľa skôr,
- mlieko v teplej kuchyni skysne rýchlejšie ako v pivnici,
- jódové hodiny v teplej vode „odtikajú“ skôr ako v studenej.
Podľa van ‘t Hoffovho pravidla zvýšenie teploty o 10 °C zrýchli mnohé reakcie asi dva- až štyrikrát. Rýchlosť tak rastie s teplotou oveľa strmšie ako samotný počet zrážok, lebo hlavne pribúda zrážok s energiou vyššou ako aktivačná energia.
teória
Veľkosť povrchu
Pri reakcii tuhej látky s kvapalinou alebo plynom reagujú len častice na povrchu. Keď látku rozdrvíme, odkryjú sa nové častice a povrch sa zväčší. Preto:
- triesky vzbĺknu ľahko, ale poleno sa musí rozhorieť,
- chumáč oceľovej vlny v plameni horí, ale klinec nie,
- jemný prach z múky alebo uhlia môže vo vzduchu vybuchnúť, preto sú mlyny a bane chránené pred iskrami,
- potravu žujeme, aby ju tráviace šťavy rozložili rýchlejšie.
Kocka s hranou 1 cm má povrch 6 cm². Keď ju rozrežeme na 1000 kociek s hranou 1 mm, celkový povrch vzrastie na 60 cm², desaťkrát. Pri prášku s časticami veľkými tisícinu milimetra je povrch desaťtisíckrát väčší ako pri pôvodnej kocke.
teória
Katalyzátor
Katalyzátor je látka, ktorá reakciu urýchli, ale sama sa pri nej nespotrebuje. Peroxid vodíka sa rozkladá na vodu a kyslík veľmi pomaly, s trochou burelu alebo jodidu draselného však prudko spení na zubnú pastu pre slona. Katalyzátory v našom tele sa volajú enzýmy. Viac o nich je v lekcii Katalyzátory a inhibítory.
teória
Vyskúšaj si to na vápenci
Vápenec, teda uhličitan vápenatý, reaguje s kyselinou octovou v octe a uvoľňuje oxid uhličitý. Plyn zachytávame v striekačke a z grafu vidíme, ako rýchlo vzniká. Každý pokus ostane v grafe, takže ho môžeš porovnať s ďalším.
vyskúšaj si
Vápenec s octom
Nastav podmienky a spusti prvý pokus. Ďalšie s ním porovnáš.
0 / 00,5 g vápenca a 50 ml octu
Koncentrácia octu
Teplota octu
Vápenec
Najprv spusti pokus s nastavenými podmienkami. Potom zmeň len jednu podmienku, tipni, či bude reakcia rýchlejšia alebo pomalšia, a porovnaj krivky. Keď zmeníš viac vecí naraz, nebudeš vedieť, ktorá rozdiel spôsobila.
Po každom pokuse uvidíš rovnicu reakcie, koncentráciu kyseliny octovej v mol/l a priemernú rýchlosť vzniku plynu za prvých 20 s. Všimni si, že krivky sa na konci blížia k rovnakému objemu, hoci ich strmosť na začiatku je rôzna.
rozšírenie Ako tikajú jódové hodiny
V jódových hodinách prebiehajú v roztoku naraz dve reakcie. Pomalšia z jodičnanu postupne vyrába jód. Rýchlejšia ho však hneď spotrebuje, kým je v roztoku siričitan. Až keď sa siričitan minie, jód zostane v roztoku, so škrobom vytvorí tmavomodrý komplex a roztok v okamihu zmodrie.
Čas do zmodrania závisí od rýchlosti pomalšej reakcie. Keď zvýšime koncentráciu jodičnanu alebo teplotu, hodiny „odtikajú“ skôr. Z toho, ako sa čas mení, chemici počítajú, ako rýchlosť závisí od koncentrácie a teploty.
teória
Časté chyby
- „Rýchlejšia reakcia dá viac produktu.“ Podmienky menia len to, ako skoro reakcia dobehne. Koľko produktu vznikne, určuje množstvo reaktantov.
- „Teplota ovplyvňuje len reakcie plynov.“ Teplo zrýchli aj reakcie v roztokoch a v tuhých látkach, preto mlieko v teple skysne skôr.
- „Väčší kus látky reaguje rýchlejšie, lebo je ho viac.“ Rozhoduje povrch, nie hmotnosť. Rovnaká hmotnosť v prášku zreaguje oveľa rýchlejšie ako jeden kus.
- „Pri porovnaní dvoch pokusov môžem zmeniť viac vecí naraz.“ Spravodlivý pokus mení len jednu podmienku, ostatné ostávajú rovnaké.
- „Rýchlosť reakcie je počas celej reakcie rovnaká.“ S ubúdaním reaktantov rýchlosť klesá. Preto sa udáva priemerná rýchlosť za určitý čas alebo okamžitá rýchlosť v danom čase.
Ako katalyzátor reakciu urýchli a prečo ju inhibítor spomalí, vysvetľuje ďalšia lekcia Katalyzátory a inhibítory.