R YCHLOST CHEMICKÉ REAKCE RNDr. Marta Najbertová

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Název školy Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Adresa školy Sokolovská 1638 IČO Operační program Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost Registrační číslo CZ.1.07/1.1.28/ Označení vzdělávacího materiálu K_INOVACE_1.CH.06 Vzdělávací oblast Člověk a příroda Vzdělávací obor Chemie Tematický okruh Rychlost chemické reakce Zhotoveno Ročník Vyšší stupeň osmiletého gymnázia a čtyřleté gymnázium (RVP – G) Anotace Materiál je určen jako studijní materiál v předmětu chemie. Je zaměřen na problematiku rychlosti přechodu reagujícího systému a faktory, které rychlost chemické reakce ovlivňují. Primárně je koncipován pro seminář chemie, lze jej využít i v hodinách chemie.

Reakční kinetika Reakční kinetika je oddíl fyzikální chemie, zabývající se časovým průběhem chemických reakcí. Formální reakční kinetika – zavádí a definuje pojem rychlost reakce v závislosti na změnách koncentrace látek v systému. Charakterizuje vliv jednotlivých faktorů (koncentrace, teplota, tlak, skupenství, velikost povrchu, katalyzátor) na rychlost chemické reakce. Reakční mechanismy – zkoumá mikromechanismy reakce – jakým způsobem systém z výchozího stavu přechází do rovnovážného stavu, vysvětluje vliv dílčích kroků ( dílčích reakcí) na průběh reakce. Zavádí pojem molekularita reakce.

Rychlost chemické reakce Rychlost chemické reakce (okamžitá rychlost) je definována jako změna látkového množství jedné z reagujících látek v definovaném velmi krátkém časovém okamžiku vztažená na stechiometrický koeficient látky. = časová změna látkového množství složky – u výchozích látek znaménko -, u produktů + = jednotkový stechiometrický koeficient Pro reakci aA + bB cC + dD lze psát

Rychlost chemické reakce Rychlost chemické reakce je vhodné pro řadu výpočtů definovat ve vztahu k jednotkovému objemu. Vztah má pak podobu Pro reakce, probíhající za konstantního objemu, lze provést úpravu dosazením vztah má podobu Rychlost chemické reakce v jednotkovém objemu je časová změna koncentrace reagující látky v definovaném velmi krátkém časovém okamžiku vztažená na stechiometrický koeficient látky.

Rychlost chemické reakce Probíhá–li izolovaná homogenní reakce α A + β B lze z předchozího odvodit vztah = rychlostní konstanta = koncentrace látek α, β = reakční řád složky – u jednoduchých reakcí se rovná stechiometrickým koeficientům. Reakční řád složky může být i nula – rychlost reakce pak na koncentraci této látky nezávisí. Pro reakce v plynném skupenství je koncentrace látek nahrazena parciálními tlaky

Arrheniova rovnice Vyjadřuje vliv teploty na rychlost chemické reakce. U elementárních reakcí hodnota k s teplotou stoupá. Z = frekvenční faktor – vyjadřuje pravděpodobnost účinné srážky -E* = aktivační energie R = univerzální plynová konstanta T = termodynamická teplota (jediná proměnná) e = Eulerovo číslo (základ exponenciální funkce)

Rozsah reakce, stupeň přeměny Výše uvedená rychlostní rovnice popisuje děj z hlediska všech zúčastněných složek. V praxi je vhodné popisovat změny v soustavě z hlediska jedné z látek. Rovnovážný rozsah reakce – změna látkového množství dělená stechiometrickým koeficientem – pro výchozí látky záporná hodnota. n A – výchozí látkové množství látky A n 0A – rovnovážné látkové množství látky A α – rovnovážné látkové množství látky A Rovnovážný stupeň přeměny (konverze) – podíl změny látkového množství a výchozího látkového množství – pouze pro výchozí látky.

Rovnovážný stupeň přeměny Z hodnoty α lze usuzovat na průběh reakce: látka vůbec nebo téměř vůbec nezreagovala látka úplně nebo téměř úplně zreagovala Př.: Určete stupeň přeměny dusíku v reakci syntézy na amoniak, jestliže výchozí množství dusíku v systému bylo 100 molů, v okamžiku ustanovení rovnováhy bylo v systému 45 molů dusíku. Stupeň přeměny dusíku je 0,55.

Faktory, ovlivňující rychlost chemické reakce Proměnná s vlivem na rychlost Velikost povrchu reagujících částic TeplotaKoncentrace reagujících částic Parciální tlak Katalyzátor

Vliv teploty Experimentálně bylo dokázáno, že zvýšení teploty o 10 ◦ C u většiny reakcí, které mají poločasy řádově v minutách až hodinách, vede ke zvýšení rychlosti 2-4x (van´t Hoff). Základní podmínkou vzniku chemické vazby je účinná srážka. Vyšší teplota systému znamená zrychlený tepelný pohyb částic, který má za následek: Větší počet srážek za stejnou časovou jednotku. Při srážkách částic se přemění větší množství kinetické energie na tepelnou, snáze se překoná aktivační bariéra. Matematik si může pohrát dosazováním různých hodnot za T s matematickým vyjádřením závislosti.

Vliv koncentrace Ze vztahu by se celkem logicky dalo odvodit, že zvýšení koncentrace jedné nebo obou částic v systému povede přímo úměrně ke zvýšení rychlosti – zvýší se pravděpodobnost srážky za stejnou časovou jednotku. O rychlosti reakce ale rozhoduje i reakční mechanismus, který zohledňuje i reakční řády (α, β), molekularitu reakce a to, zda k přeměně na produkty systému stačí jedna reakce, nebo probíhá v mezistupních. Reakční řád složky (určen experimentálně) může být i nula (koncentrace látky pak nemá na rychlost reakce vliv) nebo nemusí být celočíselný. Molekularita reakce udává, kolik molekul se musí současně srazit, aby došlo k účinné srážce (většina reakcí je bimolekulární).

Vliv koncentrace Reakce AB + C AC + B může probíhat dvojím mechanismem Krok 1AB A + B Krok 2 A + C AC Nejprve musí dojít k rozpadu výchozí látky, následně může dojít k vytvoření produktů. První krok určuje celkovou rychlost reakce a zvýšení koncentrace látky C nemá na rychlost výrazný vliv AB + C AC + B Srážkou obou částic vzniká přímo přechodný komplex, ze kterého rozpadem vznikají produkty. Na rychlost reakce mají vliv koncentrace obou látek. Je–li reakce elementární a reakční řády složek jsou 1, pak zvýšení koncentrace látky vede k urychlení reakce.

Vliv katalyzátorů AB+C+K A..B..K + C ABK+C ABK..C AC + B+K E* c E* 1 E* 2 Katalyzátory jsou látky, které mění průběh reakce. Reakce probíhá ve více krocích, jejichž aktivační energie je nižší. Změna Gibbsovy energie v obou krocích zůstala stejná, Gibbsova energie je stavová veličina, její hodnota nezávisí na průběhu děje.

Gymnázium a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Svitavy Materiál je určen pro bezplatné používání pro potřeby výuky a vzdělávání na všech typech škol a školských zařízeních. Jakékoliv další využití podléhá autorskému zákonu. Zdroje a použitá literatura 1. ATKINS, P. W. a DE PAULA, Julio. Fyzikální chemie. Vyd. 1. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, xxvi, 915 s. ISBN KLIKORKA, Jiří, VOTINSKÝ, Jiří a HÁJEK, Bohumil. Obecná a anorganická chemie: celost. vysokošk. učebnice pro vys. školy chemicko-technologické. 1. vyd. Praha: SNTL, s. 3. Fotografie a vzorce z vlastní databáze autora. Vytvořeny programy ACD FREE 12, Snagit 4. Index of /fch/cz/pomucky/bartovska. ÚSTAV FYZIKÁLNÍ CHEMIE: Fyzikální chemie – přehled studijní literatury [online]. [cit ]. Dostupné z: