Kinetyka i energetyka reakcji: szybkość, równowaga, efekt cieplny

Kinetyka chemiczna odpowiada na pytanie, jak szybko przebiega reakcja i od czego to zależy. Szybkość mierzy się zmianą stężenia substratu albo produktu w jednostce czasu. Reakcja zwykle przyspiesza, gdy rośnie stężenie substratów, gdy podnosimy temperaturę, gdy ciało stałe jest bardziej rozdrobnione albo gdy w układzie pojawia się katalizator. Zależność szybkości od stężeń zapisuje równanie kinetyczne: szybkość jest iloczynem stałej szybkości i stężeń substratów podniesionych do potęg, które nazywa się rzędami reakcji względem tych substratów. W ogólnym przypadku rzędów nie odczytuje się ze współczynników równania, tylko ustala z danych doświadczalnych, na przykład z tego, jak zmienia się szybkość po podwojeniu stężenia jednego reagenta. Stała szybkości nie zależy od stężeń. Zmienia się z temperaturą i w obecności katalizatora.

Tłumaczy to teoria zderzeń. Reakcja zachodzi tylko przy takich zderzeniach drobin, w których energia jest co najmniej równa energii aktywacji, a drobiny trafiają na siebie odpowiednimi fragmentami. Podniesienie temperatury zwiększa udział takich skutecznych zderzeń, więc w cieplejszym układzie reakcja biegnie szybciej. Katalizator prowadzi reakcję inną drogą, o niższej energii aktywacji, i po jej zakończeniu pozostaje w niezmienionej ilości. Bywa w tej samej fazie co reagenty albo w innej, jak metal, na którego powierzchni reagują gazy. Inhibitor zmniejsza szybkość reakcji. Częstym materiałem w zadaniach jest wykres energii układu w trakcie przemiany: odczytuje się z niego energię aktywacji i efekt energetyczny, porównuje etapy reakcji wieloetapowej albo wskazuje przebieg z katalizatorem.

Druga część działu to statyka, czyli równowaga chemiczna. Gdy na początku w układzie są same substraty, szybkość przemiany w prawo z czasem maleje, a w lewo rośnie, aż obie się zrównają. Od tej chwili stężenia reagentów się nie zmieniają, choć obie przemiany dalej zachodzą. Stan ten opisuje stała równowagi: iloraz iloczynu równowagowych stężeń produktów i iloczynu równowagowych stężeń substratów, każde podniesione do potęgi równej współczynnikowi z równania. Reagentów stałych do tego wyrażenia się nie wpisuje, więc gdy obok gazów w równowadze bierze udział ciało stałe, w ilorazie zostają tylko stężenia gazów. Dla danej reakcji wartość stałej zależy wyłącznie od temperatury. Zadania obliczeniowe każą wyznaczyć stałą ze stężeń równowagowych albo odwrotnie, stężenia przy znanej stałej, co zwykle wymaga zapisania, ile każdej substancji przereagowało lub powstało. Zadania jakościowe pytają, w którą stronę przesunie się równowaga po zmianie stężenia, ciśnienia albo temperatury. Rozstrzyga o tym reguła przekory: układ przeciwdziała narzuconej zmianie. Ciśnienie przesuwa równowagę tylko wtedy, gdy po obu stronach równania jest inna liczba moli gazów, a katalizator położenia równowagi nie zmienia.

Energetyka reakcji opisuje wymianę energii z otoczeniem. Przemiana egzotermiczna oddaje ciepło i ma ujemną zmianę entalpii, endotermiczna pobiera ciepło i zmianę entalpii ma dodatnią. Równanie termochemiczne podaje tę zmianę dla ilości reagentów wynikających ze współczynników, więc przy innej masie czy objętości substancji efekt cieplny przelicza się proporcjonalnie. Entalpię reakcji, której nie da się zmierzyć wprost, liczy się z prawa Hessa. Równania znanych przemian w razie potrzeby odwraca się albo mnoży przez liczbę, a potem dodaje tak, żeby dały szukane równanie. Z ich entalpiami robi się dokładnie to samo: odwrócone równanie dostaje entalpię o przeciwnym znaku, pomnożone ma entalpię pomnożoną przez tę samą liczbę, a na końcu entalpie się sumuje. Do tego samego wyniku prowadzą entalpie tworzenia: od sumy dla produktów odejmuje się sumę dla substratów, a każdą wartość mnoży przez współczynnik z równania. Na jednym wykresie energii widać więc obie strony działu naraz: wysokość bariery, która decyduje o szybkości, i różnicę poziomów substratów i produktów, czyli efekt cieplny.