Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

CH12. Chemická kinetikaMgr. Aleš Chupáč, RNDr. Yvona Pufferová

Gymnázium, Havířov-Město, Komenského 2, p.o.

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „PODPORA CHEMICKÉHO A FYZIKÁLNÍHO

VZDĚLÁVÁNÍ NA GYMNÁZIU KOMENSKÉHO V HAVÍŘOVĚ“

Soubor prezentací: CHEMIE PRO I. ROČNÍK GYMNÁZIA

Reakční kinetika

zabývá se studiem průběhu chemických reakcí

• sleduje reakční rychlost (rychlost přeměny reaktantů na produkty)

• sleduje její závislost na faktorech, které reakční

rychlost ovlivňují (koncentrace, teplota, tlak, skupenství, katalyzátory, velikost styčných ploch…..)

Rozdělení reakcí

• 1. izolované – probíhají v soustavě samy• 2. simultánní - probíhají v soustavě současně

a) zvratné A B ve stejném okamžiku vznikají z reaktantů produkty a z produktů

reaktanty C A + B D

b) paralelní A + B D A + C E

společné reaktanty, různé produkty ( alespoň z části)

c) následné A B C produkt se stává reaktantem následující reakce

Teorie reakční kinetiky

• SRÁŽKOVÁ TEORIE (KINETICKÁ TEORIE)

• TEORIE AKTIVOVANÉHO KOMPLEXU

(TEORIE ABSOLUTNÍCH REAKČNÍCH RYCHLOSTÍ)

Srážková teorie = předpoklady

• tzv. účinná(efektivní) srážka:

• a) vhodná prostorová orientace • b) dostatečná kinetická energie (minimální energie,

kterou musí mít částice, aby došlo k účinné srážce) = aktivační energie EA (kJ/mol)

EA = nejmenší energie potřebná k rozbití vazby• c) vhodné pH

Prostorová orientace molekul

O C O

N

O

Účinná (efektivní) srážka

CO + NO2 CO2 + NO

Neúčinná (neefektivní) srážka

O C

O

NO

obr.č. 1 Prostorová orientace molekul

Vliv teploty

• s růstem teploty se zvyšuje počet molekul, jejichž energie dosahuje EA urychlí se průběh reakce

• snížením teploty opak

obr.č.2 Vliv teploty na počet molekul, které se účastní reakce

Reakční teplo ∆H = EA – EA´

obr. č. 3 Změna energie soustavy v průběhu chemické reakce (exotermní)

EA Aktivační energie reakce přímé EA´ Aktivační energie reakce zpětné

EA EA´

H

Molekuly výchozích látek

Molekuly produktů

E kJ/mol

Průběh reakce

Reakční koordináta

Teorie aktivovaného komplexu

• aktivní srážka• při postupném přibližování molekul se současně:

oslabují původní vazby v molekulách reaktantů (energie se spotřebovává) začínají se vytvářet vazby nové (energie se uvolňuje)

• vzniká tak nový nestálý celek…aktivovaný komplex (AK)

obr. č. 4 Vznik aktivovaného komplexu

Rovnice a schéma• Rovnice: A2 + B2 A2B2* 2AB • Schéma: A B A B A – B

+ : :

A B A B A – B • Příklad: H2 + I2 H2I2* 2 HI

obr. č. 5 Vznik aktivovaného komplexu

Reakční koordináta

E

EA(AK)

Reaktanty ProduktyReakce

∆H

EA (Srážková teorie)

Aktivační energie nutná k vytvoření AK -mnohem nižší hodnota než energie potřebná k úplnému rozštěpení vazeb výchozích látek

∆H (reakční teplo) je v obou teoriích stejné-nezávisí na cestě

EA = EAK – EREAKTANTŮ

A2 + B2

A B : :A B

2AB

obr. č. 6 Graf rozdílných hodnot aktivační energie podle srážkové teorie a teorie AK

Reakční rychlost (rychlost chemické reakce)

je definována jako:časový úbytek molární koncentrace některého z reaktantů, nebo časový přírůstek molární koncentrace některého z produktů, dělených jeho stechiometrickým koeficientemjednotka: mol.dm–3.s–1

v =-Δ[A]

a.Δt =

-Δ[B]

b.Δt =

Δ[C]

c.Δt =

Δ[D]

d.Δt

aA + bB (reaktanty) ↔ cC + dD (produkty)

ΔtdDΔC

ΔtcCΔC

ΔtbBΔC

ΔtaAΔC

v

V

nAC A

A

nA … látkové množstvíV … objem, v němž je látka rozpuštěná

Molární koncentrace:

Úkol

• Na základě uvedené rovnice zapiš:

Cr2O3 + 3 H2 2 Cr + 3 H2O

a) reakční rychlost reakce přímé pro H2

b) reakční rychlost reakce zpětné pro Cr2O3

c) reakční rychlost reakce přímé pro Crd) reakční rychlost reakce zpětné pro H2O

Faktory ovlivňující rychlost chemické reakce

koncentrace teplota

skupenství reakční mechanismus

tlak velikost povrchu

katalyzátory

Vliv koncentrace

• 1. ZÁKON CHEMICKÉ KINETIKY:rychlost chemické reakce je přímo úměrná součinu molárních koncentrací reagujících (výchozích) látek

aA + bB cC + Dd

• kinetická rovnice: v1 = k1·[A]a ·[B]b = k . cAa . cB

b

v2 = k2·[C]c ·[D]d

• k = konstanta úměrnosti, je závislá na teplotě, nazývá se rychlostní konstanta

Vliv koncentrace

aA + bB cC + Dd

• kinetická rovnice: v1 = k1·[A]a ·[B]b = k . cAa . cB

b

v2 = k2·[C]c ·[D]d

• a,b…stechiometrické koeficienty• a + b …celkový řád reakce = molekularita

• Zvýšením koncentrace reaktantů se zvýší rychlost reakce

Úkol

• Zapiš kinetickou rovnici pro syntézu MgO z prvků.

• 2Mg + O2 2MgO

• v = k . Mg2 . O21 = k . c Mg

2 . cO21

Molekularita reakce

• číslo, které udává počet částic, které se musí srazit, má-li dojít k chemické reakci

• nejběžnější jsou reakce bimolekulární (A+B), jsou i monomolekulární, trimolekulární jsou už jen

výjimkou

βα BAkv

Molekularita reakce

• , … exponenty molárních koncentrací příslušných výchozích látek

– jejich hodnoty se pro danou reakci určují experimentálně– v těch nejjednodušších případech se někdy rovnají

stechiometrickým koeficientům daných látek (a,b)

• r … řád reakce r = + např. pokud + = 1 reakce prvního řádu

βα BAkv

Úkol 1 – vliv koncentrace

Na internetové stránce http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=_7qpolD2Jqk&feature=endscreen

si prohlédni uvedené video, příslušné reakce zapiš chemickými rovnicemi a vysvětli vznik různých produktů.

Vliv teploty

• 2. ZÁKON CHEMICKÉ KINETIKY

• van´t Hoffovo pravidlo:

• zvýšením teploty o 10° C se reakční rychlost u většiny reakcí zvýší 2x až 4x

obr. č. 7 Jacobus Henricus van't Hoff nizozemský chemik.

Vliv teploty

• Arrheniova rovnice vyjadřuje závislost rychlostní konstanty na teplotě

k = A. e –EA

/RT

A – rychlostní konstanta, předexponenciální faktor

EA

– aktivační energie (J)

R– univerzální plynová konstanta, R = 8, 314 J/ K. mol

T – absolutní teplota (K)

e – základ přirozeného logaritmu, e = 2,718

• S rostoucí teplotou se hodnota rychlostní konstanty zvyšuje, a tím roste i rychlost reakce

obr.č.8 Svante August Arrhenius švédský fyzik a chemik

Úkol 2 – vliv teploty

Zhlédni video na internetové stránce http://www.youtube.com/watch?v=rAL83xoH-fc

popiš vlastními slovy průběh reakce a vliv daného faktoru.

Vliv reakčního mechanismu

• probíhá– li reakce pomocí dílčích reakcí, pak výsledná rychlost závisí na nejpomalejší z nich

• nejrychleji reagují plyny• nejpomaleji pevné látky

Vliv skupenstvíVliv skupenství

Vliv tlaku

• uplatňuje se u reakcí v plynné fázi, ↑p↓V↑koncentrace;

• stavová rovnice plynů:p.V = n.R.T

• uplatňuje se u heterogenních reakcí

pV = konst.

Velikost povrchu

Úkol 3 – specifický povrch

Vyhledej a zhlédni na internetových stránkách http://www.youtube.com/watch?NR=1&v=-oaFN-y6zt4&feature=endscreen

video a popiš svými slovy průběh reakce.

Vliv katalyzátorů

katalyzátor

• látka, která ovlivňuje rychlost chemické reakce (zkracují n. prodlužuje čas k dosažení chemické rovnováhy)• sama se chemickou reakcí nemění• snižuje nebo zvyšuje EA

• účastní se tvorby aktivovaného komplexu

• reakční teplo ( ΔH) katalyzované i nekatalyzované reakce je stejné

Reakční koordináta

Energie

EVL

EP

EA

Reakční koordináta

Energie

EVL

EP ΔHA + B

A – B

A…..B

S katalyzátorem (K)

EA1 EA2

ΔH A + K

A – B + K

A…..K

K…..A…..B

A – K

Vliv katalyzátorů

A + B → A B A + K → A KAK + B → A B + K

Bez katalyzátoru

obr.č.9 Porovnání katalyzované a nekatalyzované reakce

Vliv katalyzátorů

obr.č.10 Působení katalyzátorů

Úkol 4 – vliv katalyzátoru

S pomocí internetových stránek http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=rGP1AWacDxYzhlédni video a popiš průběh pokusu vlastními slovy.

Dělení katalyzátorů I

• pozitivní = snižují EA, reakční rychlost zvyšují

• negativní (inhibitory):

- stabilizátory = reagují s meziprodukty řetězových reakcí a tím řetězovou reakci zastaví

- katalytické jedy = zabraňují působení katalyzátorů (např. organické sloučeniny obsahující síru)

Dělení katalyzátorů II

• homogenní = reaktanty i katalyzátor jsou ve stejné fázi a tvoří spolu směs

často kyseliny a zásady…tzv. acidobazická katalýza – autokatalýza = reakce katalyzovaná některým z meziproduktů

reakce – selektivní katalyzátor = vysoce specifický, vede reakci určitým

směrem (např. biokatalyzátory - enzymy)

• heterogenní = katalyzátor je pevná fáze s velkým povrchem (Pt, Raneyův nikl) reaktanty jsou plyny n. kapaliny reakce probíhá na povrchu katalyzátoru = kontaktní katalýza

Použité informační zdroje Obrázky obrázek nebo animace č.[1,3,6,9] – autor Yvona Pufferová [1] [online]. [cit. 2012-10 -24]. Dostupné z http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/64/Alfred_Werner.jpg [2] MAREČEK, Aleš a Jaroslav HONZA. Chemie: Pro čtyřletá gymnázia. Třetí opravené vydání. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2002, s. 99.

ISBN 80-7182-055-5. [4] [online]. [cit. 2012-10-24]. Dostupné z http://projektalfa.ic.cz/akt.htm [5] [online]. [cit. 2012-10-24]. Dostupné z http://chemie-obecna.blogspot.cz/2011/08/rychlost-chemicke-reakce-aktivacni.html [7] [online]. [cit. 2012-10-24]. Dostupné z http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Vant_Hoff.jpg [8] [online]. [cit. 2012-10-24]. Dostupné z http://cs.wikipedia.org/wiki/Svante_Arrhenius[10] [online]. [cit. 2012-10-24]. Dostupné z http://leccos.com/index.php/clanky/katalyzator

Literatura• MAREČEK, Aleš a Jaroslav HONZA. Chemie pro čtyřletá gymnázia. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2002. ISBN 80-7182-055-5. • BENEŠOVÁ, Marika a Hana SATRAPOVÁ. Odmaturuj z chemie. Brno: Didaktis, 2002. ISBN 80-86285-56-1.

Tato prezentace vznikla na základě řešení projektu OPVK, registrační číslo: CZ.1.07/1.1.24/01.0114 s názvem „PODPORA CHEMICKÉHO A

FYZIKÁLNÍHO VZDĚLÁVÁNÍ NA GYMNÁZIU KOMENSKÉHO V HAVÍŘOVĚ“

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.