KINETIKA CHEMICKÝCH REAKCÍ

Úkol 1. Vymyslete vlastní definici reakční kinetiky a zapište si ji zezadu do sešitu. Porovnejte ji s definicí, kterou si vyhledáte v učebnici. Reakční kinetika se zabývá studiem průběhu chemických reakcí, sleduje reakční rychlost a její závislost na faktorech, které reakční rychlost ovlivňují.

Reakční kinetika zabývá se studiem průběhu chemických reakcí sleduje reakční rychlost a její závislost na faktorech, které reakční rychlost ovlivňují

Úkol 2. Co je to chemická reakce? Co je nutno splnit, aby k reakci došlo? Chemická reakce je chemický děj, při kterém zanikají některé (popř. všechny) vazby mezi atomy v molekulách výchozích látek a vznikají vazby nové. K vysvětlení průběhu reakce a vyslovení podmínek slouží srážková teorie a teorie aktivovaného komplexu.

Srážková teorie Efektivní (účinná) srážka a) vhodná prostorová orientace částic b) částice mají dostatečnou kinetickou energii Aby se vytvořily nové vazby mezi atomy, musí se tyto atomy setkat. Setkávají se právě při srážce. Srážka samotná však nestačí, předvedeme si to na pokusu s kuličkami. (Různě barevné a velké kuličky v ohrádce, stačí dvě a dvě, snahou je, aby se kuličky srazily.) A kdy do sebe začali narážet? Až když se jim dodala energie v podobě pohybu ohrádky.

Srážková teorie vhodná prostorová orientace částic: H2 I2 Účinnou srážkou je rozuměno srážku, kdy vznikne požadovaný produkt. Kolikrát se srazili dvě různé kuličky? H2 I2 účinná srážka neúčinná srážka

Dostatečná kinetická energie reakce reaktanty produkty EA EA' DH Kinetická energie je minimální energie, kterou musí částice mít, aby došlo k účinné srážce. Na grafu je vidět počáteční energie výchozí látky, je vidět energetický val, který musí látka překonat. Jde o energii potřebnou k zániku stávajících vazeb a vytvoření vazeb nových. Tato energie je nazývána aktivační energií EA (přičemž aktivační energii zpětné reakce označujeme EA´). V tomto konkrétním případě mají produkty nižší aktivační energii než výchozí látky. Rozdílem těchto energií (přímé a zpětné) je reakční teplo H. Podle velkosti H dělíme reakce na exotermní a endotermní.

Reakce Exotermní Energie produktů je nižší než výchozích látek Endotermní Energie produktů je vyšší než výchozích látek ∆H > 0 Exotermní reakce – energie produktů je nižší než výchozích látek. Produkty jsou stabilní. Endotermická reakce – energie produktů je vyšší než energie výchozích látek. Produkty endotermních reakcí jsou málo stabilní, mají snahu se rozložit.  

Úkol 3. Nakresli graf exotermní a endotermní reakce.

Úkol 3. – řešení Exotermní reakce Endotermní reakce E produkty reaktanty produkty časový průběh reakce DH > 0 DH < 0

Teorie aktivovaného komplexu časový průběh reakce E reaktanty produkty aktivovaný komplex DH

Reakční rychlost Nyní již víme jakými mechanismy vznikají produkty, jakou rychlostí však? To nám říká reakční rychlost.

Rychlost chemické reakce Kinetická rovnice v = k [A]a [B]b Z původní rovnice lze odvodit vztah mezi rychlostí reakce a koncentrací výchozích látek. Získáme kinetickou rovnici.

Úkol 4. Jaké faktory mohou ovlivňovat rychlost chemické reakce? Vycházej ze své praxe a teorií reakční kinetiky.

Faktory ovlivňující reakční rychlost: Koncentrace Teplota Katalyzátory Velikost styčné plochy

Úkol 5. Rozdělte se do 8 skupin a proveďte pokusy, vyplňte tabulky a svá pozorování postupně prezentujte. Vyvoďte závěry a nadiktujte je svým kolegům.

Vliv koncentrace v = k [A]a [B]b a + b = řád reakce k – rychlostní konstanta Jak již bylo řečeno, rychlost chemické reakce je dána koncentrací výchozích látek. Tuto závislost lze vyjádřit kinetickou rovnicí. Rychlost není možno předpovědět a proto se zjišťuje experimentálně. Experimentálně se zjišťuje i řád reakce. Řád reakce totiž odpovídá součtu stechiometrických koeficientů pouze u jednoduchých reakcí. Proto se obecně v rovnici používají exponenty a a β.

Vliv koncentrace Jaké faktory mohou ovlivňovat rychlost chemické reakce? Uveď jeden a k ní příklad z praxe. Aby došlo k reakci musí se srazit určitý počet částic. Číslo, které udává právě tento počet je molekularita reakce. Nepravděpodobnější a nejčastější jsou bimolekulární reakce, kdy se srazí dvě molekuly.

Vliv koncentrace Na tomto grafu je znázorněno jak rychlost v1 s přibývajícím časem (a tedy úbytkem výchozích látek ) klesá, zatím co rychlost zpětné reakce v2 stoupá, protože produktů stoupá. V určitém čase dojde k vyrovnání rychlostí a tudíž k rovnovážnému stavu, kdy nebude ubývat ani přibývat produktů či výchozích látek (teoreticky, prakticky však neustále dochází k reakci, ta se ovšem navenek neprojeví). Tomuto stavu se říká dynamická rovnováha.

Guldberg-Waageův zákon v1 = v2 k1 [A]a [B]b = k2 [C]c [D]d K je rovnovážná konstanta.

Vliv teploty Arrheniova rovnice: k – rychlostní konstanta EA – aktivační energie reakce J mol–1 R = 8,314 J K–1mol–1 (univerzální plynová konstanta) A – konstanta pro danou reakci Vliv teploty na rychlost chemické reakce vyjadřuje Arrheniova rovnice.

Vliv katalyzátorů Katalyzátor Rozdělení katalyzátorů: Pozitivní Negativní : a) Stabilizátory b) Katalytické jedy Katalyzátor je látka, která zvyšuje rychlost chemické reakce, ale sama se chemickou reakcí nemění. Vlivem katalyzátoru se mění reakční mechanismus a ovlivní tak rychlost reakce pozitivně či negativně. Podle toho dělíme katalyzátory na pozitivní a negativní. Pozitivní zvyšují rychlost chemické reakce, protože snižují aktivační energii. Negativní působí opačně. Dělí se na stabilizátory (reagují s meziprodukty řetězových reakcí a tím řetězovou reakci zastavují) a katalytické jedy, které zabraňují působení katalyzátorů.

Vliv katalyzátorů Tento graf ukazuje jak se vlivem katalyzátoru jeden krok rozdělil do více a snížila se tím aktivační energie.

Vliv katalyzátorů Katalýza: Homogenní: a) autokatalýza b) selektivní katalyzátor Heterogenní Dle skupenství katalyzátoru a výchozích látek dělíme katalýzu na homogenní a heterogenní. Již z názvu vyplývá, že při homogenní katalýze jsou reaktanty i katalyzátor ve stejné fázi. Homogenní katalýzu dále dělíme na autokatalýzu, kde katalyzátorem je jeden z meziproduktů a selektivní katalýzu, kde je katalyzátor velmi specifický a vede reakci určitým směrem. Jsou to například enzymy. Při heterogenní katalýze je katalyzátor většinou v pevné fázi s velkým povrchem a reaktanty jsou plyny či kapaliny.

Úkol 5. Najděte v literatuře různé příklady použití katalyzátorů. V jaké souvislosti se s katalyzátorem setkáte nejčastěji? Katalyzátory v automobilech, katalyzátory na továrních komínech. Použití: Průmyslová výroba amoniaku (Fe) Výroba kyseliny sírové ve druhé fázi (oxidaci oxidu siřičitého) se používá oxid vanadičný.

Dělení reakcí podle reakční kinetiky Izolované Simultánní: Zvratné Bočné Následné (konsekutivní) Reakce izolované probíhají v soustavě samy. Při reakcích simultánních dochází k několika různým reakcím současně. Tyto reakce ještě dále dělíme na zvratné, které probíhají oběma směry a předpokládají se u všech reakcí, které po čase dospějí k rovnovážnému stavu. Reakce bočné se nejvíce vyskytují v organické chemii, kde výchozí látky reagují za vzniku různých produktů. Reakce, kde produkt reakce je výchozí látkou reakce následující se nazývají následné.