background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

KINETYKA CHEMICZNA 

I KATALIZA

Postęp  reakcji  chemicznej,  definicja  szybkości  reakcji. 
Równanie  kinetyczne  i  rząd  reakcji.  Wykres  przebiegu 
energetycznego  reakcji  egzo-  i  endotermicznej.  Reakcje 
elementarne jedno-, dwu- i trójcząsteczkowe. 

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Kinetyka chemiczna:

– badanie przebiegu reakcji w czasie

– badanie szybkości reakcji

– ustalenie mechanizmu reakcji

– badanie wpływu różnych czynników 

  na szybkości reakcji

background image

 

 

υ

1

 ≈  − 

Δn(O

2

Δt 

υ

2

 ≈  − 

Δn(H

2

Δt 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Szybkość reakcji chemicznej = 

zmiana liczności (stężenia) reagenta 

czas 

O

2

 + 2H

2

 = 2H

2

O

υ

1

υ

2

υ

3

υ

3

 ≈  + 

Δn(H

2

O) 

Δt 

Szybkość 

υ

i

 powinna 

być zawsze dodatnia

Δn(substrat)<0

gdyż substratów 

ubywa podczas reakcji

UWAGA! W określonym czasie, 

zmiana Δn(H

2

i Δn(H

2

O) 

jest dwa razy większa niż Δn(O

2

)

 υ

2

 = υ

3

 = 2υ

1

Szybkość reakcji υ

i

 nie powinna 

zależeć od wyboru reagenta !

POSTĘP REAKCJI

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Postęp reakcji 

Δξ

 =

 

Δn

i

v

i

v

i

 

– współczynnik stechiometryczny 

reagenta

 „i

J ≈

Δξ

Δt 

Szybkość reakcji 

dlaczego „” ?

n

t

υ

Δn

i

Δt·v

i

Δt’

Δn

Δn’

Δt

Δn’

Δt’

Δn

Δt

różna od

Wartość

Δt

!

Dokładne obliczenie szybkości w 
określonym punkcie wymaga aby 

Δt 

było jak najmniejsze, 
a najlepiej nieskończenie małe 

dt

 – 

zmianę liczności oznaczamy wtedy jako 

dn

J =

dt 

SZYBKOŚĆ REAKCJI 

=

dn

i

dt·v

i

t

o

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

J =

dt 

SZYBKOŚĆ REAKCJI 

=

dn

i

dt·v

i

Jeżeli reakcja przebiega w stałej objętości V:

dc =

dn

c =

n

SZYBKOŚĆ 

REAKCJI 

= r =

J

dc

i

dt·v

i

Pomiar szybkości reakcji 

r

 – śledzenie stężenia jednego z reagentów

− zmiana barwy reagenta

− zmiana pH roztworu

− zmiana ciśnienia całkowitego 

(reakcje w fazie gazowej)

− zmiana przewodnictwa 

elektrycznego roztworu

− zmiana właściwości optycznych 

(pomiar skręcalności optycznej)

− zmiana masy

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Od czego zależy SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ ?

Liczba zderzeń w określonym czasie jest proporcjonalna do stężeń 

reagentów

Przereagowanie substratów wymaga zderzenia się ich 
cząsteczek

Zatrzymane kadry filmu

Krótki film

Substraty......zderzenie...

...produkty

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

RÓWNANIE KINETYCZNE REAKCJI

r = k·[A]

α 

[B]

β

 [C]

γ

 ...

A, B, C - substraty

α, β, γ

  - rząd reakcji względem reagenta A, B, lub C

n = α + β + γ + ...

  -  ogólny rząd reakcji

k – 

stała szybkości reakcji

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNEJ 

 w danej temperaturze jest 

proporcjonalna do iloczynu stężeń 

molowych substancji wchodzących 

w reakcję.

Liczba zderzeń w określonym czasie jest proporcjonalna do stężeń 

reagentów

... w1863 roku...

... norwescy chemicy 
Cato Guldberg (1836-
1902) 
i Peter Waage (1833-
1900)... 

... sformułowali PRAWO DZIAŁANIA MAS mówiące, że...

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Z równania... 

Większość reakcji przebiega etapami w których 

biorą udział od 1 do najwyżej 3 cząsteczek. 

Są to tzw. reakcje elementarne.

2NO + 2H

2

 = N

2

+ 2H

2

O

...wynikałoby, że jednocześnie 
muszą zderzyć się 4 cząsteczki 
( 2NO + 2H

2

 ). 

Zderzenie się 4 ( i więcej) odpowiednich 
cząsteczek jest bardzo mało prawdopodobne

Cząsteczkowość reakcji – liczba 

cząsteczek (albo atomów, 
jonów, rodników) biorących 
udział w reakcji. 

Przereagowanie substratów wymaga zderzenia się ich 
cząsteczek.

ilu cząsteczek ?

background image

 

 

Reakcja elementarna 

dwucząsteczkowa 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

REAKCJE ELEMENTARNE

2NO + 2H

2

 = N

2

+ 2H

2

O

Reakcja 

przebiega w dwóch etapach: 

Reakcja elementarna 

trójcząsteczkowa 

2NO + H

2

 = N

2

+ H

2

O

2

r

1

 = k

1

 ·[NO]

[H

2

]

H

2

O

2

 + H

2

 = 2H

2

O

r = k ·[Br

2

]

W przypadku reakcji 

elementarnej, rzędy 

reakcji względem 

poszczególnych 

substratów są równe ich 

współczynnikom 

stechiometrycznym. 

Równanie kinetyczne 
reakcji

2NO + 2H

2

 = N

2

+ 2H

2

O

r = k ·[NO]

[H

2

]

WOLNO

SZYBKO

– dlaczego nie 2 ?

O ogólnej szybkości reakcji 

decyduje jej najwolniejszy etap 

i jego rzędowości występują

w końcowym równaniu kinetycznym 

Reakcja elementarna 

jednocząsteczkowa 

Br

2

 = 2Br

r

2

 = k

2

 ·[H

2

O

2

]

 

[H

2

]

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Czy każde zderzenie cząsteczek substratów 

kończy się ich przereagowaniem ?

Obserwacja 
praktyczna:

Po odkręceniu kurka gaz się nie pali.

Gaz trzeba zapalić!

Dlaczego ?

– trzeba dostarczyć 

trochę energii (płomień zapałki, iskra).

background image

 

 

„mocne” zderzenie

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Czy każde zderzenie cząsteczek substratów 

kończy się ich przereagowaniem ?

NIE !

Aby zaszła reakcja chemiczna 

zderzenie cząsteczek substratów musi być aktywne 

– cząsteczki muszą mieć dostatecznie dużą energię

Przykład:

  

H

2

 + Cl

2

 = 2HCl

zderzenie nieaktywne

zderzenie aktywne

substraty

substraty

substraty

produkty

„lekkie” zderzenie

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Kiedy zderzenie jest aktywne?

Reakcja:

  

CO + NO

2

 = CO

2

 + NO

C

O

O

UWAGA!  Wiązania 

π

 prostopadłe do rysunku zostały pominięte

Energia

kinet.

cząst.

odpychanie się 

chmur elektronowych

N

O

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Kiedy zderzenie jest aktywne?

Reakcja:

  

CO + NO

2

 = CO

2

 + NO

C

O

O

UWAGA!  Wiązania 

π

 prostopadłe do rysunku zostały pominięte

Energia

kinet.

cząst.

odpychanie się 

chmur elektronowych

N

O

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Kiedy zderzenie jest aktywne?

Reakcja:

  

CO + NO

2

 = CO

2

 + NO

C

O

O

UWAGA!  Wiązania 

π

 prostopadłe do rysunku zostały pominięte

Energia

kinet.

cząst.

N

O

nowe wiązania

C – O  358 

kJ/mol

N – O  201 

kJ/mol

KOMPLEKS 

AKTYWNY

Kompleks aktywny ma nadmiar 

energii, której się pozbywa poprzez 

zerwanie

 słabszych wiązań N−O

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Kiedy zderzenie jest aktywne?

Reakcja:

  

CO + NO

2

 = CO

2

 + NO

C

O

UWAGA!  Wiązania 

π

 prostopadłe do rysunku zostały pominięte

Energia

kinet.

cząst.

N

O

nowe wiązania

C – O  358 

kJ/mol

N – O  201 

kJ/mol

KOMPLEKS 

AKTYWNY

Kompleks aktywny ma nadmiar 

energii, której się pozbywa poprzez 

zerwanie

 słabszych wiązań N−O

CO

2

NO

PRODUKTY REAKCJI

O

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Jaką energię musza mieć cząsteczki aby zderzenie było aktywne?

E

droga reakcji

PRODUKTY

ΔE 

– energia reakcji = 

ΔH

O

 

– entalpia reakcji 

E

a

 – energia aktywacji 

– energia niezbędna do utworzenia kompleksu 
aktywnego
 

E

a

ΔE

Odp:

 

E

a

SUBSTRATY

background image

 

 

E

liczba 

cząstek

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Jak podnieść energię cząsteczek do wartości E

a

?

E

droga reakcji

PRODUKTY

SUBSTRATY

Energia

kinet.

cząst.

Jaką energię musza mieć cząsteczki aby zderzenie było aktywne?

Odp:

 

E

a

Odp:

 

Podnieść temperaturę

mało cząst. o E>E

a

więcej cząst. o E>E

a

Odp:

 

Podnieść temperaturę

Podniesienie temperatury o 10 
stopni przyspiesza reakcję około 2 
÷ 4 razy.

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

ΔE = ΔH

O

 < 0 

–reakcja egzotermiczna 

Czy zawsze tylko na początku reakcji trzeba dostarczyć energię?

E

s

E

p

ΔE = E

p

 − E

s

E

droga reakcji

PRODUKTY

SUBSTRATY

E

a

ΔE

ΔE > 0 

–reakcja endotermiczna 

ΔE = E

p

 − E

s

Odp: Podczas reakcji endotermicznej energię trzeba 

dostarczać cały czas.

Reakcja 

odwrotna

E

s

E

p

E

SUBST.

PROD.

E

a

ΔE

droga reakcji

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Jak uwzględnić wpływ temperatury w równaniu kinetycznym reakcji?

E

droga reakcji

PRODUKTY

SUBSTRATY

r = k·[A]

α 

[B]

β

 [C]

γ

 ...

k = k

o

· e

–Ea/RT

Jak zwiększyć szybkość reakcji?

1. podwyższyć 

stężenia

 substratów

2. podwyższyć 

temperaturę

3. obniżyć energię aktywacji

skierować reakcję na inną drogę

 zastosować KATALIZATOR 

e = 2,718...

background image

 

 

E

droga reakcji

PRODUKTY

SUBSTRATY

ΔE

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

KATALIZA CHEMICZNA

Katalizator – przyspiesza reakcję chemiczną

– po reakcji pozostaje w stanie niezmienionym

Katalizator przyspiesza reakcję chemiczną poprzez 

skierowanie jej na inną drogę, 
o mniejszej energii aktywacji.

Przykład: rozkład nadtlenku wodoru

2H

2

O

2

 = 2H

2

O + O

2

H

2

O

2

 + I

− 

= H

2

O + IO

H

2

O

2

 + IO

− 

= H

2

O + O

2

 + I

E

a

E

a

k

Katalizator 

I

Wzrost

szybkoś

ci

1

~950

razy

~10

11

razy

Katalizatory biologiczne –
– enzymy

 

np: KATALAZA

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

KATALIZA CHEMICZNA

Kataliza homogeniczna – katalizator w tej samej fazie co reagenty

Przykład: rozkład H

2

O

2

 w obecności I

Kataliza heterogeniczna – katalizator w innej fazie niż reagenty

background image

 

 

Kataliza heterogeniczna – katalizator w innej fazie niż reagenty

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Przykład: 

C

2

H

4

 + H

2

 = C

2

H

6

 w obecności Ni

1. Chemisorpcja na katalizatorze

2. Reakcja na powierzchni katalizatora

3. Desorpcja produktów

Chemisorpcja – adsorpcja 
połączona z wytworzeniem 
wiązań chemicznych 
pomiędzy substancją a 
adsorbentem

Katalizator – 
metaliczny Ni

background image

 

 

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

KATALIZA CHEMICZNA

Katalizator – przyspiesza reakcję chemiczną

Inhibitor – hamuje lub zatrzymuje reakcję chemiczną

(

łac.

 inhibeo - zatrzymuję) 

Inhibitory korozji – środki chemiczne hamujące przebieg 

procesów niszczenia materiałów. 

Inhibitory mogą zmniejszać szybkość postępowania korozji poprzez 
tworzenie warstwy ochronnej na powierzchni metalu (pasywacja).

Druty żelazne po miesiącu przebywania na 
zewnątrz.

Druty pokryte
preparatem
antykorozyjnym.

Druty bez 
zabezpieczenia

Doświadczenie:

background image

 

 

Zablokowanie działania enzymu
przez INHIBITOR

Wykład 10 – KINETYKA CHEMICZNA I KATALIZA

Inhibitory enzymów – substancje wiążące się z centrami 
aktywnym enzymów, blokujące ich katalityczne działanie

ENZYM

INHIBITOR

enzymu

Naturalne działanie enzymu

ENZYM

Substancja

naturalna

Substancja

naturalna

Centrum 

aktywne

enzymu


Document Outline