5. Rychlost chemické reakce, aktivační energie chemického děje, vnější vlivy na rychlost chemické reakce, katalýza, autokatalýza

Rychlost chemické reakce studuje obor, který se jmenuje Reakční (chemická) kinetika. Rychlost chemické reakce je možné pozorovat jako úbytek výchozích látek za jednotku času, nebo jako přírůstek produktů reakce za jednotku času. Rychlost reakce je možné vypočíst pomocí tzv. kinetické rovnice: v = k[A][B], která vychází z reakce: A+B- produkty. Koeficient k je na- zýván rychlostní konstanta a závisí na teplotě a to podle Arrheniovy rovnice k = Ae-Ea/RT, kde A je předexponenciální faktor, Ea aktivační energie, R je univerzální plynová konstanta, e je základ přirozeného logaritmu a T je absolutní teplota v Kelvinech.


Další věcí, kterou se chemická kinetika zabývá, jsou teorie přeměny výchozích látek na produkty. Rozlišujeme dvě základní teorie – Teorii srážkovou a teorii aktivovaného komplexu.

Srážková teorie: Podle této teorie látky reagují srážkou mezi molekulami látek. Tyto látky musí mít dostatečnou kinetickou energii, bez které k reakci nedojde. Kinetická energie molekul musí být větší, než tzv. aktivační energie (zn. EA). Podle srážkové teorie je aktivační energie stejná jako energie potřebná k rozštěpení vazeb mezi atomy molekul výchozí látky. Ne každá srážka vede ke vzniku produktů.
Pokud se zvýší počet srážek, zvýší se i reakční rychlost. Tato teorie má však mnoho nedostatků. Mimo jiné se při dokazování této teorie neshodovaly vypočtené a experimentální výsledky měření.



Teorie aktivovaného komplexu: Teorie aktivovaného komplexu předpokládá, že když se během reakce přibližují molekuly látek, jsou oslabovány vazby mezi atomy molekul. Během toho se však vytváří nové vazby mezi atomy dvou rozdílných molekul, tím vznikne nestálý celek – aktivovaný komplex, meziprodukt v průběhu chemické reakce. V dalším průběhu reakce se buďto zeslabené vazby zcela přeruší a vytvoří se nové vazby (tím nám vzniknou produkty reakce), nebo se aktivovaný komplex rozpadne zpět na výchozí látky.

Vnější vlivy na rychlost chemické reakce jsou teplota a tlak. Někdy jsou chemické reakce podmíněny přístupem světla, jako např. u fotosyntézy. Přesnou závislost rychlosti chemické reakce na tlaku a teplotě udává Arrheniova rovnice k = Ae-Ea/RT. Obecně ale platí, že pokud se teplota prostředí zvýší o 10°C, zvýší se rychlost chemické reakce dvakrát až čtyřikrát.

Reakční mechanismus
• Elementární krok – jeden molekulový děj, který má za následek reakci
• Reakční mechanismus – soubor elementárních kroků, které vedou k celkové chemické reakci
• Reakční meziprodukt – látka, vytvořená v průběhu chem. reakce, která se neobjevuje v chemické rovnici
2 NO (g) + 2 H2 (g) → 2 H2O (g) + N2
Reakční mechanismus:
2 NO → N2O2
H2 + N2O2 → H2O + N2O
H2 + N2O → H2O + N2
N2O2 a N2O jsou meziprodukty.
Součet elementárních rovnic dává celkovou rovnici. Rychlostní rce vyplývá z nejpomalejšího kroku.

Okamžitá rychlost chemické reakce
• Rychlost chemické reakce je v každém okamžiku přímo úměrná součinu koncentrací dosud nezreagovaných látek v reakční směsi.
A + B → C + D
v = k c (A) * c (B)
Faktory ovlivňující rychlost chem. reakce
• Koncentrace látek
• Mechanismus
• Katalyzátor
• Teplota
• Povrch reagujících látek
Katalyzátor
• Látka, která se v průběhu reakce nespotřebovává ani netvoří
• Ovlivňuje rychlost chemické reakce snížením aktivační energie

Katalýza je ovlivňování chemické reakce za pomoci látky zvané katalyzátor. Katalyzátor je látka, která se chemickou reakcí nemění, ale zvyšuje rychlost reakce. Protože katalyzátor není součástí chemické reakce, připisuje se v rovnicích nad šipku. Katalyzátor způsobuje to, že chemická reakce probíhá jiným reakčním mechanismem. Tento mechanismus bývá složitější - jedná se např. o několik dílčích reakcí místo reakce jediné. Tyto dílčí reakce mají menší aktivační energii, proto je reakce rychlejší. Mezi časté katalyzátory patří kyseliny a zásady.
Autokatalýza je katalýza, při které je katalyzátorem jeden z produktů reakce. Tyto reakce probíhají zpočátku pomalu, protože se nejprve musí vytvořit dostatek katalyzační látky. Jakmile je ale katalyzátoru dostatek, chemická reakce se značně zrychlí.