Свободна лаборатория · 14–18 години

Хълмът на реакцията

Защо нагряването ускорява реакциите толкова силно, а катализаторът — без да загрява нищо? Прочети, после провери сам в симулацията.

Не всеки удар е реакция

Молекулите в течност или газ се движат и непрекъснато се удрят. За да реагират, при удара те трябва да имат достатъчно енергия, за да „изкачат хълма“ — енергията на активиране. Повечето удари нямат толкова енергия: молекулите просто отскачат.

Колко са успешните? При стайна температура и среден хълм (50 kJ/mol) реагира около 1 на 576 милиона удара. Затова във филма на симулацията има „лупа“: тя показва само малка част от ударите, иначе нямаше да видиш нито един успешен.

Малко нагряване — почти двойна скорост

  • При нагряване с 10 °C (от 25 до 35 °C) всички удари стават едва с около 2 % повече.
  • Но успешните удари — тези с енергия над хълма — стават почти два пъти повече. Скоростта расте заради енергията на ударите, а не заради броя им.
  • За 10 пъти по-бърза реакция при среден хълм трябва нагряване с около 37 °C, не „десет пъти по-горещо“.

Правилото „+10 °C — два пъти“ е приблизително

При среден хълм около стайна температура то почти важи. При нисък хълм нагряването помага по-малко (около 1,7 пъти), при много висок — повече (около 3,8 пъти), а при същия хълм между 80 и 90 °C — около 1,6 пъти. И още: от 20 до 40 °C числото в градуси се удвоява, но реакцията става около 3,8 пъти по-бърза — скоростта не е пропорционална на градусите Целзий.

Какво прави катализаторът

Катализаторът дава на реакцията друг път с по-нисък хълм. Той не дава енергия и не загрява: средната енергия на молекулите и термометърът остават същите. Просто много повече удари стигат по-ниския връх. Снижаване с 10 kJ/mol при стайна температура ускорява около 56 пъти. Катализаторът не се изразходва в реакцията.

Хладилникът и много високите хълмове

Охлаждане от 25 на 15 °C забавя реакцията около два пъти — затова храната в хладилника се разваля по-бавно. А реакция с много висок хълм при стайна температура би траела хиляди години: тя не е спряла, просто никой не би я дочакал.

Знаеш ли, че… делът на ударите с енергия поне колкото хълма е e−Eₐ / (R·T), а броят на всички удари расте само с корен квадратен от температурата в келвини.

Какво опростява симулацията

  • Веществата са измислени: A и B. Мащабът на времето е избран така, че при среден хълм и 25 °C реакцията да трае 10 минути. Отношенията между два опита са по модела.
  • Реакцията е в една стъпка и само напред; хълмът не зависи от температурата. Ориентацията на молекулите при удара е пренебрегната.
  • Филмът показва малка част от ударите; числата в броячите са верни.

Безопасност

  • Не нагрявай химични вещества у дома, за да провериш правилото. Опитите със скорост на реакция се правят в училищната лаборатория с учител, с очила и ръкавици.
  • Безопасен опит у дома, само с възрастен: еднаква ефервесцентна таблетка в чаша студена и в чаша топла (не вряла) вода. Гледай коя свършва по-бързо. Течността не се пие.

Енергийният хълм е класическа учебна картина и се среща в много учебни материали.