Reakciósebesség (Reaction)

A reakciósebesség azt fejezi ki, hogy időegység alatt és egységnyi térfogatban mekkora anyagmennyiség alakul át. Jelölése: v. A reakciósebesség annál nagyobb, minél gyakoribb valamely reakcióban a molekulák vagy más részecskék kémiai átalakulása. A reakciók sebessége arányos a kiindulási anyagok koncentrációival. A kémiai reakció során vannak kötések, amelyek megszűnnek, más kötések pedig kialakulnak. Egy kötés felbontásához – vagy fellazításához energia szükséges. Az atomoknak azt a csoportját, amelyben a képződő és a megszűnő kötések együtt vannak, aktivált komplexumnak nevezzük. Az aktiválási energia azt fejezi ki, hogy mekkora energia szükséges 1 mol aktivált komplexum keletkezéséhez. A hőmérséklet emelésével megnő a reakciósebesség. A hőmérséklet emelésének hatása nem magyarázható csupán az ütközések számának növekedésével. Sokkal jelentősebb ennél, hogy a hőmérséklet emelésével megnő a nagyobb energiájú molekulák száma is. A megfelelő katalizátor meggyorsítja a kémiai átalakulást anélkül, hogy a folyamat következtében maradandóan megváltozna. A katalizátor gyorsító hatása azzal magyarázható, hogy az átalakulás számára új, kisebb aktiválási energiájú reakcióutat nyit meg. Ugyanakkor a reakcióhőt nem befolyásolja.

A kémiai reakciókban valamilyen kiinduló anyagok reagálnak egymással, miközben termékek képződnek. Ez a folyamat lehet gyors, viszonylag rövid idő alatt végbemenő – úhynevezett pillanatreakció – és nagyon lassan lejátszódó is. Ennek a számszerű jellemzésére használjuk a reakciósebesség fogalmát. A reakciók során általában több kiindulási anyag lép reakcióba és többféle termék képződik a sztöchiometriailag helyes reakcióegyenlet szigorú mennyiségi viszonyai szerint. A kiindulási anyagok anyagmennyisége fokozatosan csökken, a termékek anyagmennyisége pedig növekszik az idő előrehaladtával.

A reakciósebesség jellemzésére az anyagmennyiség időegységre eső megváltozását lenne célszerű használni, azonban ez az adat egy adott reakció esetén – az eltérő sztöchiometriai számok miatt – nem egy, hanem több – bár egymástól nem független – különböző számérték lenne. Ezért vezették be a reakciókoordináta fogalmát, amely a reakcióban szereplő bármelyik komponens anyagmennyiség-változásának és a komponens sztöchiometriai számának a hányadosa, és egy adattal jellemzi a konkrét reakció sebességét.

  REAKCIÓSEBESSÉG A reakciók feltételei:

• A reagáló részecskék ütközése. Egy gázelegyben a molekulák bárhol ütközhetnek egymással. Oldatban is szabadon mozoghatnak az oldott anyag részecskéi. Ha azonban az egyik reagáló anyag szilárd, azaz részecskéi helyhez vannak kötve, reakció csak a felületen lehetséges. A gáz vagy folyadék belsejében végbemenő reakciót homogénnek, a felületen lejátszódó reakciót pedig heterogénnek nevezzük.

  Az ütközések közül csak azok hasznosak, amelyek megfelelő irányból, és elég nagy energiával (aktiválási energia) történnek. A reakciók során a kiindulási anyagoknak nem az összes kötése szakad fel – ez igen nagy energiaszükségletet jelentene, amelyet sem a hőmozgás standardállapotra vonatkozó energiája, sem egyszerű melegítés nem biztosíthatna -, hanem a folyamatok olyan aktivált komplexumon keresztül zajlanak le, amelyben a kötések átrendeződése bekövetkezhet.

Aktiválási energia

Jele: E_a mértékegysége: kJ/mol.

Ha egy kémiai folyamat aktiválási energiája túlságosan nagy, akkor előfordulhat, hogy annak ellenére nem megy végbe – mérhető és megvárható sebességgel – hogy exoterm.   REAKCIÓKINETIKA A reakciókinetika a reakciók sebességével foglalkozik. A reakciósebesség arányos a különböző anyagok időegység alatt bekövetkező koncentrációváltozásával. Az adott reakció sebességét az anyagi minőségen kívül a következő tényezők befolyásolják:

1. KoncentrációA reagáló anyagok koncentrációjának növekedésével nő az összes ütközésszám, így a hasznos ütközések száma általában ugyanilyen mértékben megnövekedik. Egy reakció sokszor több elemi lépésből tevődik össze. Minden egyes elemi reakciólépés sebessége függ az aktivált komplexum létrejöttéhez szükséges anyagok koncentrációjának a sztöchiometriai szám abszolút értékének megfelelő hatványon vett szorzatával.      Példa: CO + NO₂ –> CO₂ + NO v = k[CO][NO₂] v –> reakciósebesség k –> arányossági tényező: reakciósebességi együttható […] –> az adott anyag mol/dm³-ben kifejezett pillanatnyi koncentrációja (A reakciósebesség és a reakcióegyenletben szereplő sztöchiometriai számok között nincs mindig ilyen szoros összefüggés).
2. Hőmérséklet: A reakciósebesség mindig nő a hőmérséklet emelésével. Magasabb hőmérsékleten ugyanis nagyobb a reagáló anyagok energiája, nagyobb hőmozgásuk sebessége, így többször ütköznek (több az összes ütközés) és a nagyobb átlagos energia miatt arányában is több az aktiválási energia értékét meghaladó energiájú ütközés.
3. Katalizátorok: Olyan anyagok, amelyek a kémiai reakciók sebességét úgy növelik, hogy – bár a reakcióban természetesen részt vesznek – végül változatlan állapotban maradnak vissza. A katalizátorok olyan reakcióutat nyitnak meg, amelynek az aktiválási energiája kisebb, és így nőhet a hasznos ütközések aránya az összes ütközéshez képest. Az aktiválási energia csökkentésének mechanizmusa reakciótípusonként és katalizátoronként más és más.

  MEGFORDÍTHATÓ KÉMIAI REAKCIÓK A megfordítható kémiai reakciók esetén a kiindulási anyagokból képződő termékek visszaalakulnak a kiindulási anyagokká. Elvileg minden kémiai reakció megfordítható. A kiindulási anyagok összekeverésének pillanatában az átalakulás (odaalakulás, v₁) sebessége maximális, a visszaalakulásé (v₂) nulla, mivel még nulla a termékek koncentrációja. A folyamat során az átalakulás sebessége csökken (mivel csökken a kiindulási anyagok koncentrációja!), a visszaalakulásé pedig nő (mivel a termékek koncentrációja nő!) mindaddig, amíg a két sebesség egyenlővé nem válik! (lásd. ábra)