ABY ZASZŁA REAKCJA:

ABY ZASZŁA REAKCJA:

1)

1)

Drobiny muszą się zderzyć

Drobiny muszą się zderzyć

2)

2)

Zderzenie musi być efektywne

Zderzenie musi być efektywne

3)

3)

Aby było efektywne drobiny muszą

Aby było efektywne drobiny muszą

mieć odpowiednią energię

mieć odpowiednią energię

4)

4)

Drobiny muszą być odpowiednio

Drobiny muszą być odpowiednio

zorientowane wzglądem siebie

zorientowane wzglądem siebie

Drobiny muszą się zderzyć

Drobiny muszą się zderzyć

Zgodnie z tą teorią cząsteczki mogą z sobą reagować
gdy zbliżą się do siebie na dostatecznie małą odległość
tzn. gdy się zderzą. W wyniku oddziaływania pomiędzy
elektronami dochodzi do zerwania wiązań w
cząsteczkach substratów i utworzenia nowych,
charakterystycznych dla produktów reakcji. Nie
wszystkie zderzenia prowadzą do powstania nowych
cząsteczek (produktów), a więc nie wszystkie
prowadzą do zajścia reakcji chemicznej.

Zderzenie musi być

Zderzenie musi być

efektywne

efektywne

Aby reakcja zaszła, cząsteczki muszą zderzyć się z dostatecznie dużą
energią, wówczas dochodzi do przegrupowania atomów w cząsteczkach
i przebudowy struktury wiązań. Zderzenia takie nazywane są
zderzeniami efektywnymi (aktywnymi), a energia jaką muszą mieć w
sumie cząsteczki substratów aby do takiego zderzenia doszło, nie może
być mniejsza od pewnej wartości progowej nazywanej energią
aktywacji.

Warunek o odpowiedniej wartości energii musi być zawsze
zachowany aby reakcja mogła zachodzić, jest to więc
warunek konieczny. Nie zawsze jednak jego spełnienie jest
wystarczające do zajścia reakcji. O możliwości zajścia
reakcji decyduje również wzajemne ułożenie cząsteczek
względem siebie, a wiec ich orientacja w przestrzeni. Biorąc
jako przykład reakcję syntezy jodowodoru można pokazać
(Rysunek 2), że w zależności od tego jak cząsteczki jodu i
wodoru ustawią się względem siebie reakcja chemiczna
może zajść lub nie.

Gdyby każde zderzenie prowadziło do reakcji, w warunkach
normalnych reakcja ta przebiegałaby bardzo szybko, natomiast w
rzeczywistości zachodzi z niezauważalną szybkością.

Drobiny muszą być

Drobiny muszą być

odpowiednio zorientowane

odpowiednio zorientowane

Drobiny muszą mieć

Drobiny muszą mieć

odpowiednią energię

odpowiednią energię

W sensie fizycznym energię aktywacji

W sensie fizycznym energię aktywacji

rozumie się jako pokonanie pewnej

rozumie się jako pokonanie pewnej

bariery energetycznej. W zwykłych

bariery energetycznej. W zwykłych

warunkach liczba cząsteczek

warunkach liczba cząsteczek

posiadających to minimum jest mała

posiadających to minimum jest mała

i dlatego reakcje przebiegają powoli.

i dlatego reakcje przebiegają powoli.

Cząsteczki uboższe w energię po akcie

Cząsteczki uboższe w energię po akcie

zderzenia mogą odbić się elastycznie

zderzenia mogą odbić się elastycznie

i nie wejść w reakcję.

i nie wejść w reakcję.

TEORIA KOMPLEKSU

TEORIA KOMPLEKSU

AKTYWNEGO

AKTYWNEGO

Pomiary wskazują na to, że podczas zderzenia cząsteczek

Pomiary wskazują na to, że podczas zderzenia cząsteczek

H

H

2

2

i I

i I

2

2

nie następuje gwałtowne zerwanie tych wiązań, a

nie następuje gwałtowne zerwanie tych wiązań, a

jedynie ich rozluźnienie. Do rozerwania wiązania H-H i I-I

jedynie ich rozluźnienie. Do rozerwania wiązania H-H i I-I

trzeba dostarczyć energię równa energii dysocjacji

trzeba dostarczyć energię równa energii dysocjacji

cząsteczek H2 i I2, które wynoszą odpowiednio E

cząsteczek H2 i I2, które wynoszą odpowiednio E

H-H

H-H

=

=

436,6kJ/mol i E

436,6kJ/mol i E

I-I

I-I

=151,6kJ/mol. Tymczasem energia

=151,6kJ/mol. Tymczasem energia

potrzebna do tego aby zaszła reakcja

potrzebna do tego aby zaszła reakcja

wynosi zaledwie 171,8kJ/mol, a wiec jest znacznie mniejsza

wynosi zaledwie 171,8kJ/mol, a wiec jest znacznie mniejsza

od sumy energii dysocjacji cząsteczek H

od sumy energii dysocjacji cząsteczek H

2

2

i I

i I

2

2

. W związku z

. W związku z

tym przyjmuje się, że cząsteczki te przekształcając się w

tym przyjmuje się, że cząsteczki te przekształcając się w

cząsteczki H-I muszą przejść przez pewien stan pośredni

cząsteczki H-I muszą przejść przez pewien stan pośredni

(pewien układ atomów) zwany kompleksem aktywnym, w

(pewien układ atomów) zwany kompleksem aktywnym, w

którym następuje osłabienie starych wiązań i częściowe

którym następuje osłabienie starych wiązań i częściowe

utworzenie nowych wiązań. Kompleks aktywny może się

utworzenie nowych wiązań. Kompleks aktywny może się

przekształcić w produkty, bądź rozpaść na wyjściowe

przekształcić w produkty, bądź rozpaść na wyjściowe

substraty reakcji

substraty reakcji

H

H

2

2

(g) + I

(g) + I

2

2

(g) → 2HI(g)

(g) → 2HI(g)

Z powyższych rozważań wynika, że przekształcenie cząsteczek w produkty,
przebiegające przez stadium kompleksu aktywnego wymaga znacznie
mniejszego nakładu energii niż gdyby przebiegało poprzez zerwanie
wszystkich wiązań i wytworzenie swobodnych atomów

Na rysunku przedstawiono porównanie zmian
energii wewnętrznej układu w przypadku gdy
reakcja biegnie przez stan pośredni-kompleks
aktywny, ze zmianami energii w przypadku
gdyby reakcja biegła z dysocjacją cząsteczek
substratów na atomy. Energia wewnętrzna
układu jest energią wynikającą z ruchów i
oddziaływań cząsteczek a także energią
oddziaływań elektronów i jąder tych cząsteczek.
Na wykresie jest widoczne, że średnia energia
cząsteczek substratów nie wystarcza do zajścia
miedzy nimi reakcji chemicznej, dopiero
dostarczenie energii (najczęściej ogrzewa się
mieszaninę reakcyjną) pozwala na uzyskanie
energii wystarczającej do utworzenia kompleksu
aktywnego. Kompleks aktywny przekształcając
się w cząsteczki produktów oddaje nadmiar
energii.
Na podstawie teorii kompleksu aktywnego
można uściślić pojęcie energii aktywacji. Tak
wiec energia aktywacji jest różnicą pomiędzy
wartością energii kompleksu aktywnego i energii
substratów, inaczej mówiąc jest to najmniejsza
wartość energii niezbędnej do utworzenia
kompleksu aktywnego.

Energię potrzebną do utworzenia

Energię potrzebną do utworzenia

kompleksu aktywnego układ może

kompleksu aktywnego układ może

pobierać z otoczenia lub czerpie ją z

pobierać z otoczenia lub czerpie ją z

własnych zasobów energii

własnych zasobów energii

wewnętrznej przez konwersję jednych

wewnętrznej przez konwersję jednych

form energii w inne.

form energii w inne.

Może być ona

Może być ona

„nadmiarowa” w reakcjach

„nadmiarowa” w reakcjach

egzoenergetycznych lub

egzoenergetycznych lub

„niedostateczna” w

„niedostateczna” w

endoenergetycznych.

endoenergetycznych.

Reakcje egzoenergetyczne

(egzotermiczne) są to reakcje
przebiegające z wydzieleniem
nadmiaru energii do
otoczenia (na zewnątrz
układu reakcyjnego). W tym
przypadku energia produktów
reakcji jest niższa od energii
substratów. Zmiana energii
wewnętrznej układu w reakcji
egzotermicznej jest więc
ujemna.

Przykładem reakcji egzoenergetycznej jest
reakcja tworzenia ciekłej wody z gazowych
substratów:

2 H

2

O(g) + O

2

(g) 2H

2

O(c) ΔH = -286 kJ/mol

Co oznacza, że podczas tworzenia się jednego
mola ciekłej wody wydziela się ciepło o wartości
286kJ.

Reakcje endoenergetyczne

(endotermiczne) są to reakcje
przebiegające z pobraniem energii
przez układ reakcyjny z otoczenia.
W takich reakcjach energia
produktów reakcji jest wyższa od
energii substratów. Zmiana energii
wewnętrznej układu w reakcji
endotermicznej jest dodatnia.

Przykładem reakcji endoenergetycznej jest
reakcja syntezy tlenku azotu(II) z gazowych
substratów:

N

2

(g) + O

2

(g) 2NO(g) ΔH = 91 kJ/mol

Co oznacza, że do syntezy jednego mola tlenku azotu należy
dostarczyć 91kJ energii.

KATALIZA

KATALIZA

Katalizator to substancja, która przez zmianę energii aktywacji wpływa

Katalizator to substancja, która przez zmianę energii aktywacji wpływa

na szybkość, sama przy tym nie ulegając zasadniczym zmianom.

na szybkość, sama przy tym nie ulegając zasadniczym zmianom.

Katalizator może tworzyć z
substancjami kompleksy aktywne o
niższej energii aktywacji niż same
substraty, natomiast po rozpadzie
kompleksu aktywnego zostaje
zregenerowany.

Inhibitor, katalizator ujemny,
substancja lub związek
zmniejszający szybkość
niektórych reakcji.

Droga od substratów do produktów przypadku
reakcji katalizowanej jest realizowana w co
najmniej dwu etapach ( tzw. reakcjach
elementarnych) W etapach tych tworzą się
produkty pośrednie w reakcjach, dla których
wartości energii aktywacji są znacznie
mniejsze niż dla reakcji bez katalizatora.

Działanie katalizatora polega na
utworzeniu nowej drogi reakcji, dla
której energia aktywacji ma
mniejszą wartość niż w przypadku
gdyby reakcja biegła bez udziału
katalizatora

Katalizator zmienia w jednakowym stopniu
szybkość reakcji (biegnącej z lewa na prawo)
jak i reakcji do niej do niej odwrotnej (biegnącej
z prawa na lewo), zmniejsza bowiem energię
aktywacji o taka samą wartość energii dla obu
kierunków reakcji. Katalizatory nie wpływają na
położenie stanu równowagi reakcji,
przyspieszają jedynie czas, po którym
równowaga zostaje osiągnięta. Im aktywniejszy
katalizator, tym ten czas jest krótszy.

Istotnymi cechami katalizatorów/inhibitorów są selektywność i
specyficzność. Selektywność jest to zdolność do
przyspieszania/opóźniania tylko niektórych z procesów możliwych w
danym środowisku. Specyficzność- działanie każdego z
katalizatorów/inhibitorów ogranicza się co najwyżej do kilku różnych
reakcji.

Katalizator homogeniczny to taki, który znajduje się w tej samej fazie,
co reagenty (np. rozpuszczony w roztworze), natomiast katalizator
heterogeniczny tworzy odrębną fazę (np. katalizator kontaktowy V

2

O

5

utleniania SO

2

do SO

3

).

Znane są również reakcje, w których rolę
katalizatora pełni jeden z produktów reakcji. Ten
typ katalizy nazywa się autokatalizą. Jej
przykładem jest reakcja redukcji manganianu
(VII) potasu przez kwas szczawiowy w
środowisku kwaśnym:

2 MnO

4

-

+ 5 C

2

O

4

2-

+ 16 H

+

= 10CO

2

+ 2Mn

2+

+ 8 H

2

O

w której to reakcji katalizatorem są powstające jony Mn

2+

.

W przypadku katalizy heterogenicznej
najczęściej mamy do czynienia z katalizatorem
występującym w fazie stałej (stanowi on tzw.
kontakt) oraz reagentami, które znajdują się w
fazie gazowej lub ciekłej.
Jako przykłady katalizy heterogenicznej można
przytoczyć syntezę amoniaku z azotu i wodoru
na katalizatorze żelazowym lub rozkład wody
utlenionej katalizowany przez tlenek manganu
(IV).

Wykonała: Joanna
Kowalczyk