KINETYKA CHEMICZNA
KINETYKA CHEMICZNA
P.Łukowski, 2
Definicja szybkości reakcji chemicznej
Reakcja chemiczna: substraty → produkty
Szybkość reakcji chemicznej ≡
szybkość, z jaką zmienia się
stężenie produktów lub substratów:
dt
dc
v =
c – stężenie, t – czas
Jest to szybkość chwilowa, czyli zgodnie z definicją
pochodnej, zmiana stężenia reagenta w nieskończenie
krótkim czasie (∆t → 0)
t
∆
t → 0
∆
c
c
t
c
prod
c
substr
Definicja szybkości reakcji chemicznej
W czasie reakcji stężenie substratów maleje, a produktów
rośnie. Jednak szybkość nie może być liczbą ujemną.
dt
dc
v
dt
dc
v
substr
prod
−
=
=
lub
P.Łukowski, 3
P.Łukowski, 4
Graficzna interpretacja szybkości reakcji chemicznej
t
c
Z definicji pochodnej: wartość pochodnej w danym
punkcie jest równa tangensowi nachylenia stycznej
do wykresu tej funkcji w danym punkcie.
α
v = tg α
P.Łukowski, 5
Szybkość średnia
c
t
∆
c
∆
t
Szybkość wyznaczona przez zmianę stężenia reagenta
w dowolnym skończonym przedziale czasu jest szybkością
średnią w tym przedziale (np. w czasie całej reakcji).
Od czego zależy szybkość reakcji chemicznej?
- stężenia substratów,
-
temperatury,
- obecności katalizatorów
oraz:
•
dla ciał stałych – od stopnia rozdrobnienia,
•
dla cieczy – od intensywności mieszania
•
dla gazów – od ciśnienia
P.Łukowski, 6
P.Łukowski, 7
Zależność szybkości reakcji od stężenia reagentów
v = k ⋅⋅⋅⋅ c
A
a
⋅⋅⋅⋅
c
B
b
aA + bB → produkty
k – stała szybkości reakcji w danej temperaturze
P.Łukowski, 8
Zależność szybkości reakcji od temperatury
A + B → AB
rzeczywisty przebieg reakcji:
A + B → {A + B} → AB
{A + B} – zespół reaktywny
Energia zespołu reaktywnego jest większa, niż energia
substratów i energia produktów.
Różnica między energią zespołu reaktywnego a energią
substratów ≡ energia aktywacji, E
a
P.Łukowski, 9
A + B
{A + B}
AB
energia aktywacji, E
a
energia produktów
energia substratów
Zależność szybkości reakcji od temperatury
Reakcja endoenergetyczna
A + B
{A + B}
AB
energia aktywacji, E
a
energia produktów
energia substratów
Reakcja egzoenergetyczna
Zależność szybkości reakcji od temperatury
Wzór Arrheniusa:
k
0
– stała w warunkach standardowych
Szacunkowa, empiryczna reguła van’t Hoffa:
czyli szybkość reakcji wzrasta około dwukrotnie przy
wzroście temperatury o 10°, i spada dwukrotnie przy
spadku temperatury o 10°.
P.Łukowski, 10
Kataliza
Katalizator – substancja zmieniająca szybkość
reakcji, ale nie ulegająca przemianom w tej reakcji.
A + B → AB
czas reakcji t
1
A + B + K → ABK
czas reakcji t
2
ABK → AB + K
czas reakcji t
3
t
2
+ t
3
<< t
1
Katalizator nie zmienia stanu równowagi ani
wydajności reakcji, a jedynie jej szybkość!
P.Łukowski, 11
Kataliza
A + B
A + B + K
{A + B}
{A + B + K}
E
AB
AB + K
Katalizator zmniejsza
energię aktywacji ⇒
przyspiesza reakcję
Katalizator ujemny ≡ inhibitor
zwiększa energię aktywacji ⇒
spowalnia reakcję
P.Łukowski, 12
Szybkość reakcji heterogenicznych (wielofazowych)
Reakcje heterogeniczne są wieloetapowe:
- transport substratów (dyfuzja) do strefy reakcyjnej
- właściwa reakcja
- transport produktów od strefy reakcyjnej w głąb
reagujących faz
O szybkości reakcji heterogenicznej decyduje
najwolniejszy z jej etapów.
W przypadku reakcji między ciałami stałymi, najczęściej
jest to dyfuzja.
P.Łukowski, 13
A
B
A
B
AB
A
B
A
B
AB
AB
Mechanizm reakcji w układzie wielofazowym
AB
AB
P.Łukowski, 14