IX. SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH

1. Definicja szybkości reakcji chemicznej

Rozpatrzmy reakcję chemiczną przebiegającą w fazie gazowej:

2NH₃ = N₂ + 3H₂

Jako szybkość reakcji można uznać pochodne:

Możemy zapisać, że:

Wprowadźmy pojęcie postępu reakcji (ξ):

gdzie: ξ(ksi) - postęp reakcji

ν (ni) - współczynnik stechiometryczny

Szybkość reakcji:

dla V = const.

2. Od czego zależy szybkość reakcji chemicznej? Cząsteczkowość i rzędowość reakcji.

Dla reakcji:

a ⋅ A + b ⋅ B + c ⋅ C = .........

gdzie k - stała szybkości reakcji

c_A, c_B, c_C - stężenia substratów A, B i C

Cząsteczkowość reakcji wynosi:

a + b + c

W rzeczywistości zdarza się, iż wyznaczone doświadczalnie współczynniki potęgowe nie wynoszą a, b i c lecz przyjmują inne wartości.

Załóżmy iż wynoszą one α, β, γ

α, β, γ - rzędy reakcji w stosunku do reagentów A, B i C.

n = α + β + γ ogólny rząd reakcji

n może być: 0, 1, 2

↑ ↑ ↑

reakcja rzędu: 0" "1" "2"

Rząd reakcji może też być ułamkowy lub nawet ujemny.

Jaka jest cząsteczkowość i rzędowość wybranych reakcji?

Przykład 1:

1NO_(g) + 1O_3(g) = 1NO_2(g) + 1O_2(g)

Cząsteczkowość tej reakcji wynosi 2 (a = 1, b = 1, a + b = 2)

Eksperymentalnie ustalono, że:

r = k ⋅ c_NO ⋅ c_O3

A więc rzędowość tej reakcji wynosi też 2 (α = 1, β = 1, α + β = n = 2)

Tutaj rzędowość pokrywa się z cząsteczkowością reakcji !

Przykład 2:

4HBr_(g) + O_2(g) = 2H₂O_(g) + 2Br_2(g)

Cząsteczkowość tej reakcji wynosi 5 (4 + 1 = 5)

Doświadczalnie ustalono, że:

r = k ⋅ c_HBr ⋅c_O2

A więc rzędowość tej reakcji wynosi n = 1 + 1 =2 (n ≠ 5)

Tutaj rzędowość nie pokrywa się z cząsteczkowością reakcji !

Oznacza to, że reakcja ta przebiega poprzez kilka etapów.

Ustalono, że reakcja ta przebiega poprzez 3 etapy:

(1) HBr + O₂ = HOOBr (etap powolny)

(2) HOOBr + HBr = 2HOBr (etap szybki)

(3) 2HOBr + 2HBr = 2H₂O + 2Br₂ (etap szybki)

4HBr + O₂ = 2H₂O + 2Br₂ po dodaniu stronami

Szybkość sumaryczna reakcji chemicznej zależna jest od szybkości etapu najwolniejszego (w tym przypadku od reakcji (1))

Badania kinetyczne prowadzą do poznania mechanizmu reakcji.

3. Zmiana energii w czasie reakcji chemicznej

Jak zmienia się energia zespołu zderzających się cząsteczek w reakcji? Dla reakcji egzotermicznej:

CO + NO₂ = CO₂ + NO ΔH^θ = -226 kJ/mol

Aktywny kompleks jest produktem pośrednim o bardzo krótkim okresie życia.

Schematycznie można to przedstawić następująco:

C O₂ C O₂ C O₂

+ ⇔ ⇔

O N O N O N

substraty kompleks produkt

aktywny

(T_1/2 = 10^-10s)

Szybkość reakcji związana jest z wartością potrzebnej do jej przebiegu energii aktywacji. Im wyższa jest ta energia, tym wolniej przebiega reakcja.

4. Wpływ temperatury

Równanie Arrheniusa:

Wzrost temperatury zawsze zwiększa szybkość reakcji chemicznej!

Szybkość reakcji chemicznej rośnie wraz z temperaturą wykładniczo!

5. Kataliza, katalizator

Katalizator jest to substancja, która przyspiesza reakcję chemiczną, a po zakończeniu reakcji pozostaje w stanie niezmienionym. Zjawisko przyspieszania reakcji chemicznej przez katalizatory nazywamy katalizą

Katalizator nie zwiększa wydajności reakcji.

Katalizator obniża energię aktywacji reakcji chemicznej.

Przykład katalizatora stałego dla reakcji:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

Energia aktywacji reakcji bez katalizatora 335 kJ/mol

z katalizatorem osmowym 195 kJ/mol

z katalizatorem wolframowym 165 kJ/mol

Enzymy pełnią rolę katalizatorów procesów biologicznych.

Inhibitor - działa odwrotnie niż katalizator, tzn.

podwyższa energię aktywacji, (np. inhibitory korozji).

Inhibitor obniża więc szybkość reakcji chemicznej.

Koniec rozdziału IX-go.

Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w

12 / 12

Rozdział IX. Szybkość reakcji chemicznych

gdzie:

E_A - energia
aktywacji

R - stała

gazowa

T -temperatura

k

T

---