Bevezetés a reakciókinetikába

Kémiatanulás közben az ember gyakran találkozik reakciókkal. Igazából mindig reakciókat látunk. Például ha veszünk hidrogéngázt, ami kétatomos molekulákból áll, mivel a hidrogénatomok kötést alkotnak egymással, és veszünk jódgőzt, I₂-t, ha ezeket összekeverjük, reagálni fognak. Ha van 2 mól hidrogénatom és 2 mól jódatom, akkor 2 mól hidrogén-jodidot kapunk. Szép és egyszerű, úgy tűnik, mintha csak simán, minden felhajtás nélkül megtörténne. De tudjuk, hogy a valóság nem ilyen. Nem zajlik le a folyamat egy pillanat alatt, nem úgy történik, hogy veszünk egy kis hidrogént meg jódot, és varázsütésre hidrogén-jodiddá változnak. Ez egy hosszabb folyamat, a gázállapotú részecskék ide-odapattognak, valahogyan egymásba kell ütközniük, széttörni a meglevő kötéseket, és kialakítani újakat. Ezt fogjuk most tanulmányozni. A reakciók előrehaladásával és sebességével foglalkozó tudományág a reakciókinetika. Bonyolult szó, de bizonyára ismered már, hiszen a kinetikus energiáról sokat beszéltünk. Reakciókinetika. A reakciók folyamatának és sebességének tanulmányozása. Milyen gyorsan, és hogyan játszódnak le? Gondolkodjunk el, találjuk ki, hogyan egyesülhet a hidrogén és a jód. Vizsgáljuk meg, hogy néz ki a hidrogén! A periódusos rendszerből látjuk, hogy a hidrogénnek egy vegyértékelektronja van. Két hidrogénatom ezeket megoszthatja egymással. A jódnak 7 vegyértékelektronja van, ha egyet megosztanak, szintén telítetté válnak. Nézzük át most! A hidrogénnek van egy elektronja. A másik hidrogénnek is egy. Ha kötést alkotnak, ezeket megosztják. Ez a hidrogén úgy tehet, mintha ez az elektron is az övé volna, ez a hidrogén úgy tehet, mintha ez az elektron is az övé volna, és így most örülnek. Mindkettő úgy érzi, hogy telített az 1s alhéja. Ugyanez van a jódoknál is. Két jódatom, mindkettőnek van hét vegyértékelektronja. Halogének, ezt már tudod. A halogének a 7. csoport elemei, 7 vegyértékelektronjuk van, ennek van itt egy, ennek meg itt. Ha ez úgy tehet, mintha ez az elektron az övé volna, akkor jó neki, megvan a nyolc vegyértékelektronja. Ha ez úgy tehet, mintha ez az elektron az övé volna, ugyanez a helyzet. Szóval itt egy kötés, ezért áll kétatomos molekulákból a hidrogéngáz, és a jód is hasonló. Gáz halmazállapotban sok-sok ilyen részecske mozog, és ütközik egymásnak. A hidrogén valahogy így néz ki, ez a két gömb a két atom, melyek összekapcsolódnak. Ezek a köztük levő elektronok kötik őket össze. A jód valahogy így néz ki, jóval nagyobb molekula. Amikor ilyen kötés van, az szintén kovalens kötés, megosztott elektronokkal, minden a valószínűségeken alapul. Ahhoz, hogy ez a két molekula átalakuljon ezzé, ezeknek a kötéseknek föl kell bomlaniuk, és új kötéseknek kell kialakulniuk. Aminek történnie kell... ezeknek, amikből egy csomó van... rajzolhatnék nagyon sokat, vagy csak másolom és beillesztem... szóval van egy csomó hidrogénmolekula, és valamennyi jódmolekula is körülöttük. Ahhoz, hogy hidrogén-jodid keletkezzen, ütközniük kell. Ráadásul pont megfelelően kell ütközniük. Bárcsak meg tudnám mutatni... Mondjuk, hogy ez mozog, én csak arrébb teszem, de valójában mozog. El kell találnia ezt a hidrogénmolekulát, ráadásul pont megfelelően. Ha sikerül megfelelően eltalálnia, elegendő energiával ütköznie, akkor egyszer csak... mondjuk, hogy itt eljutunk ehhez, ezek az elektronok azt mondják, hogy „jó így megosztva lenni, stabil konfigurációban vagyunk, megtöltjük az 1s alhéjat, de nézd csak... itt ez a jód a közelben, és nagyon akar engem, jóval nagyobb az elektronegativitása, mint nekem, a hidrogénnek.” Valahogy vonzódhatnak arrafelé, nem tudják, hol akarnak lenni, itt a hidrogének között, vagy itt ezek között. Így magasabb energiaszintre kerülnek. És hasonlóképp ezek is azt mondják, hogy „talán jobb volna... nem kell itt lennem, hazamehetek a saját atomomhoz, ha ez idejön. Ekkor ugyanis meglesz a nyolc vegyértékelektronunk, és ugyanez történik itt is.” Ez a komplex, ami ütközéskor létrejön, ez valójában egy állapot, egy nagy energiájú állapot, a reakció átmeneti állapota. Aktivált komplexnek nevezzük. Csak egy egyszerű rajz volt, de így is lehet rajzolni: a hidrogén kovalens kötésben van a másik hidrogénnel, majd jön a jódatom, amely egy másik jóddal van kovalens kötésben, de egyszer csak ezek is kötésben akarnak lenni, így hát elkezdik létrehozni. Van egy kis vonzás errefelé is. Így is le lehet rajzolni az aktivált komplexet. De ez nagy energiájú állapot, mivel ahhoz, hogy az elektronok átmehessenek abból a kötésből ebbe, vagy ebből abba, vagy vissza, nagyobb energiájú állapotba kell kerülniük. Kevésbé stabil energiaállapotba, mint előtte. De ha van elég energia, megteszik. Onnan, hogy vannak ezek ketten külön, felrajzolom külön, külön a hidrogén, külön a jód. Ebből átmehetnek ide a nagyobb energiájú állapotba. De ha ezt meg tudják tenni, ha az ütközés energiája elég nagy, és van elég mozgási (kinetikus) energiájuk, amikor a megfelelő állásban ütköznek, akkor az aktivált komplexből, ebből a nagyobb energiájú állapotból, a legkisebb energiájú állapotba fognak átmenni, ami a hidrogén-jodid. Lerajzolom a jódot, utána a hidrogént. Ez kisebb energiájú állapot, mint ez. De hogy ide eljussunk, át kell menni a nagyobb energiaszinten. Ehhez energiadiagramot is lehet készíteni. Az x tengelyen legyen a reakció előrehaladása, igazából nem tudjuk, milyen gyorsan halad, de tekintsük ezt valamiféle időnek, ez meg legyen a helyzeti (potenciális) energia. Vastagabb vonalakat akarok rajzolni. Szóval ez a helyzeti energia. Ezt is vastagabbra rajzolom. Ez tehát a helyzeti energia. Az elején tehát itt vagyunk, ez a teljes helyzeti energia, innen indulunk. Ez a H₂ + I₂. A hidrogén-jodid pedig kisebb helyzeti energiánál van. Ez a kisebb helyzeti energia itt lent. Ez a 2 HI. De hogy ide jussunk, el kell érni ezt a nagyobb helyzeti energiát, ide el kell jutniuk az elektronoknak, kell valami energia ahhoz, hogy legalább eldöntsék, mit akarnak kezdeni magukkal. Tehát energiát kell adnunk a rendszernek, illetve nem kell mindig adnunk, de ha magától nincs meg, akkor adnunk kell, hogy elérjék az aktivált állapotot. Szóval itt voltunk. Valamennyi energia van a rendszerben, és ez a hidrogén- és jódmolekulák energiája, illetve az aktivált állapot energiája közötti különbség, ez a távolság, ez az aktiválási energia. Ha valahogy tudunk elegendő energiát adni a rendszernek, akkor ez megtörténik, elegendő energiával fognak ütközni, kötések fognak felbomlani és újak kialakulni. Aktiválási energia. Van, hogy Eₐ-nak írják. Később talán meg is fogjuk mérni reakciók aktiválási energiáját. De az a fontos, hogy megértsük, hogy ez itt van, hogy nem alakulnak át csak úgy maguktól a dolgok. A katalizátorok témájába nem megyek most nagyon bele, de talán hallottad már a katalizátor szót, vagy hogy valami katalizálva van. A katalizátor egy másik anyag, ami a reakcióban szerepet játszik. Most tehát ott tartunk, hogy van H₂ és I₂, melyekből 2 HI lesz. Lehetne katalizátorunk is, most csak +C-vel jelölöm. Nem tudom, mi volna jó katalizátor ehhez a reakcióhoz. A katalizátorok sok-sok különböző módon működhetnek, ezért nem foglalkozunk velük most. De ami biztos: a katalizátor a reakció végére megmarad. Nem használódik el a reakcióban. Ott van a reakció előtt, és utána is. De a reakciót vagy meggyorsítja, vagy csökkenti a reakció lejátszódásához szükséges energiát. Ami nagyjából ugyanaz. Szóval ha van katalizátor, az aktiválási energia kisebb lesz. Lehet például valami olyan molekula, amely más átmeneti állapotot tesz lehetővé, amelynek kisebb a helyzeti energiája, így kevesebb hő vagy kisebb koncentráció is elég lehet a megfelelő irányú ütközéshez, amellyel eljutnak ebbe az állapotba. Így tehát kevesebb energia kell. Most, annak alapján, ahogy zajlanak ezek a folyamatok, ahogy a molekulák kölcsönhatásba kerülnek, mit gondolsz, mi minden befolyásolhatja, hogy megtörténik-e egy reakció? Azt már tudjuk, hogy van „pozitív” katalizátor, és van „negatív” katalizátor is, amely lassítja a reakciót. De ha van „pozitív” katalizátor, az csökkenti az aktiválási energiát, így gyorsabb lesz a reakció. Több molekula fog megfelelően ütközni ahhoz, hogy ezen a huplin átjussanak, mivel ez alacsonyabb, ha van katalizátor. Ha növeljük a reagensek koncentrációját, akkor pedig egyszerűen több ütközés történik. Ez csak a valószínűség, minden azon alapul. Amikor az ember felírja a reakcióegyenletet, nagyon szépnek, egyszerűnek, tisztának tűnik, hogy mi történik. De a valóságban csak annyi van, hogy dolgok egymásba ütköznek. A biológia videókban is érdekes lesz ez. Hiszen minden biológiai folyamat igazából kémiai folyamat. Az egész csak egy mellékterméke annak, hogy ezek a dolgok egymásba ütköznek. Könnyű elképzelni, hogy minél nagyobb az ütköző anyagok koncentrációja, annál nagyobb eséllyel lesz megfelelő ütközés és elegendő mozgási energia ahhoz, hogy a reakció bekövetkezzen. Még egy apró megjegyzés: mondhatnánk, hogy „oké, van valamennyi energia, mondjuk ennyi, de hogy jutok át ezen? Hogy fog ez valaha is reagálni?” Emlékezz vissza: a gázokban a molekulák mozgási energiája nem azonos. Némelyik molekulának nagyobb a kinetikus energiája, némelyiknek kisebb, a hőmérséklet csak az átlagot mondja meg. Mindig van esély arra, hogy két kellően nagy energiájú molekula pontosan megfelelően ütközik. Elég a mozgási energiájuk ahhoz, hogy az aktivált állapotba kerüljenek, utána pedig eljuthatnak a kisebb energiájú állapotba, ami itt a hidrogén-jodid. Minden hőmérsékleten megtörténik ez, de természetesen ha melegítjük, akkor nagyobb valószínűséggel. Ez tehát a másik tényező. A hőmérséklet. A hőmérséklet talán a legfontosabb, ez tudja leginkább felgyorsítani a reakciót. Tehát: magasabb hőmérséklet, gyorsabb reakció. Ha a molekulákat nézzük: ha a molekulákban az eredeti kötések gyengék, akkor nagyobb eséllyel reagálhatnak. Vannak további tényezők is, pl. a molekulák alakja, mennyire tudnak az egyes atomok másokkal kölcsönhatni, és ez nagyon fontos lesz majd a biológiában. És végül, talán rá is jöttél, a felület is számít. Ha növeljük a felületet – most gázreakció volt, ahol gyakorlatilag definíció szerint nagy a kölcsönhatási felület, de egyébként, ha nő a felület, a reakció is gyorsul. A reakciósebesség megnő. Hogy tudjuk ezt elképzelni? Már sokszor volt róla szó, gondoljunk a nátrium-kloridra. Szilárd só, adunk hozzá folyékony vizet, lesz belőle oldott nátriumion és oldott kloridion. A só feloldódik. Hogyan történik ez? Ha van egy nagy tömb jég... nem jég, só. Szürkével jelölöm a sót. Ha van egy nagy tömb só, van benne egy csomó nátrium- és kloridion. Körülötte mindenhol víz. A víz csak a felszínen levő ionokkal tud kapcsolatba lépni, és lassan feloldja a sót. Lassan kialakítja a poláris kötéseket. Poláris kötéseket a különböző nátrium- és kloridionokkal. De ha ezt felbontjuk kisebb kockákra, összetörjük, felaprítjuk egészen apró darabokra, akkor a felszín, mellyel a víz kölcsönhatásba léphet, nagyobb lesz, több sóval tud kölcsönhatásba lépni a víz. Így a folyamat gyorsabban zajlik le. Tehát a felület: ha növeljük a kölcsönhatási felületet, a reakció is gyorsul. Ha két folyadékunk van, az egyiket belespriccelhetjük a másikba, apró cseppecskék lesznek, ez is növeli a felületet. Ez egy kis bevezető volt a reakciókinetikába. Remélem, látszik belőle, hogy ezek a reakciók... és szeretném, ha így tudnál gondolni a kémiára, nem pedig bemagolandó képletekként, szóval hogy ezek ütközések, súrlódások az atomok között, valószínűségi alapú és kaotikus, és tényleg át kell gondolni, mi növeli az esélyét annak, hogy ezek a dolgok pont úgy ütközzenek, ahogy a reakcióhoz kell.