Χημείας Θετικής Κατεύθυνσης 3ο κεφάλαιο Χημείας Θετικής Κατεύθυνσης Β΄ Λυκείου H έννοια της ταχύτητας αντίδρασης Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης Νόμος της ταχύτητας Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Θεωρία των συγκρούσεων Για να πραγματοποιηθεί μια αντίδραση πρέπει τα σωματίδια που αντιδρούν να συγκρουστούν αποτελεσματικά, δηλαδή: - να έχουν κατάλληλη ταχύτητα (με άλλα λόγια να έχουν την ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια ώστε να σπάσουν οι αρχικοί χημικοί δεσμοί των αντιδρώντων και να δημιουργηθούν νέοι δεσμοί των προϊόντων) - να έχουν κατάλληλο προσανατολισμό Η ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια λέγεται ενέργεια ενεργοποίησης και συμβολίζεται Εα. Οι αποτελεσματικές συγκρούσεις είναι 1 στις 108 Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ενέργεια ενεργοποίησης Θεωρούμε την αντίδραση: Α2 + 2 Β2 → 2 ΑΒ2 Τα αντιδρώντα απορροφούν την ενέργεια ενεργοποίησης και δημιουργείται ένα ενδιάμεσο σώμα το ενεργοποιημένο σύμπλοκο. Στη συνέχεια σχηματίζονται τα προϊόντα. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Προσανατολισμός Θεωρούμε την αντίδραση: Α2 + Β2 → 2 ΑΒ Παραδείγματα συγκρούσεων → ← μπορεί να είναι αποτελεσματική → ← δεν μπορεί να είναι αποτελεσματική Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Ταχύτητα αντίδρασης Θεωρούμε την αντίδραση: α Α + β Β → γ Γ + δ Δ Ορίζουμε ως μέση ταχύτητα της αντίδρασης ( ) σε χρονικό διάστημα Δt το πηλίκο: Ορίζουμε ως στιγμιαία ταχύτητα της αντίδρασης (υ) σε απειροελάχιστο χρονικό διάστημα dt το πηλίκο: Συνηθισμένες μονάδες της ταχύτητας της αντίδρασης είναι οι εξής: Το σύμβολο [Α] δηλώνει τη συγκέντρωση CA του σώματος Α Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Ταχύτητα αντίδρασης Στην αντίδραση: α Α + β Β → γ Γ + δ Δ Ορίζουμε ως μέσο ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης ή ταχύτητα μεταβολής της συγκέντρωσης κάθε σώματος τα πηλίκα: Επομένως ισχύει η σχέση: Αντίστοιχες σχέσεις ισχύουν για τη στιγμιαία ταχύτητα για χρονικό διάστημα dt Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Καμπύλη αντίδρασης Η γραφική παράσταση της συγκέντρωσης ενός προϊόντος ή ενός αντιδρώντος σε συνάρτηση με το χρόνο λέγεται καμπύλη αντίδρασης. Στο πρώτο διάγραμμα η εφαπτομένη της γωνίας φ δίνει το ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του προϊόντος σε χρόνο Δt, δηλαδή: Στο δεύτερο διάγραμμα η εφαπτομένη της γωνίας ω δίνει το ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του προϊόντος τη στιγμή t1, δηλαδή υ(προϊόντος) = dC/dt Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Καμπύλη αντίδρασης Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα Όταν είναι μεγαλύτερη η συγκέντρωση των αντιδρώντων είναι μεγαλύτερη και η ταχύτητα. (Γίνονται περισσότερες συγκρούσεις στον ίδιο χρόνο). 4 συγκρούσεις 6 συγκρούσεις 9 συγκρούσεις Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα Όταν σε μία αντίδραση υπάρχει στα αντιδρώντα ένα τουλάχιστον αέριο σε μεγαλύτερη πίεση η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη. (Ουσιαστικά είναι μεγαλύτερη η συγκέντρωση του αερίου). λίγες συγκρούσεις πολλές συγκρούσεις Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα Όταν αυξάνεται θερμοκρασία, αυξάνεται ο αριθμός των μορίων που έχουν την ενέργεια ενεργοποίησης και αυξάνεται ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων, άρα αυξάνεται και η ταχύτητα της αντίδρασης. Το χρωματισμένο εμβαδόν δείχνει το πλήθος των μορίων με ενέργεια μεγαλύτερη από την Εα. Στην θερμοκρασία Τ2 που είναι μεγαλύτερη από την Τ1 το εμβαδόν είναι μεγαλύτερο. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται κατά 10 °C, η ταχύτητα πολλαπλασιάζεται με συντελεστή 2 έως 3. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα Όταν αντιδρά ένα στερεό δεν παίζει ρόλο η συγκέντρωσή του (διότι είναι σταθερή αφού καταλαμβάνει η ίδια μάζα πάντα τον ίδιο όγκο). Παίζει ρόλο η επιφάνεια επαφής γιατί μόνο τα επιφανειακά μόρια μπορούν να έλθουν σε επαφή με τα άλλα αντιδρώντα. Όταν το στερεό είναι διαμερισμένο σε μικρά κομμάτια (ακόμα καλύτερα σε σκόνη) η επιφάνεια είναι μεγάλη και η αντίδραση γίνεται με μεγάλη ταχύτητα. μεγάλο κομμάτι αργή αντίδραση μικρά κομμάτια γρήγορη αντίδραση Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα Ορισμένες χημικές αντιδράσεις επιταχύνονται από τις ακτινοβολίες, π.χ. η φωτοσύνθεση, το μαύρισμα του μήλου κ.α. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Καταλύτες Ορισμένες χημικές αντιδράσεις επιταχύνονται από την παρουσία ουσιών που λέγονται καταλύτες. Η παρουσία καταλυτών σε πολύ μικρές ποσότητες επιταχύνει τις αντιδράσεις και στο τέλος οι καταλύτες μένουν ποιοτικά και ποσοτικά αμετάβλητοι. Οι καταλυτικές αντιδράσεις διακρίνονται σε ομογενείς, ετερογενείς και αυτοκαταλύσεις. Ως καταλύτες συμπεριφέρονται διάφορα μέταλλα που έχουν πολλούς αριθμούς οξείδωσης και άλλες ουσίες. Η δράση των καταλυτών μπορεί να ανασταλεί από την παρουσία ορισμένων άλλων ουσιών που λέγονται δηλητήρια των καταλυτών. τέτοια είναι οι ενώσεις HCN, H2S τα βαρέα μέταλλα Pb, Hg κ.α. Επιταχύνουν και τις δύο κατευθύνσεις των αμφίδρομων αντιδράσεων ρισμένες χημικές αντιδράσεις επιταχύνονται από τις ακτινοβολίες, π.χ. η φωτοσύνθεση, το μαύρισμα του μήλου κ.α. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Καταλύτες Όταν ο καταλύτης και τα αντιδρώντα είναι στην ίδια φυσική κατάσταση η κατάλυση λέγεται ομογενής. Το μονοξείδιο του άνθρακα (CO) οξειδώνεται σε διοξείδιο του άνθρακα (CO2) με καταλύτη τους υδρατμούς (Η2Ο(g)). Η2Ο(g) 2 CO(g) + Ο2(g) → 2 CO2(g) Όταν ο καταλύτης και τα αντιδρώντα είναι σε διαφορετική φυσική κατάσταση η κατάλυση λέγεται ετερογενής. Η σύνθεση της αμμωνίας (ΝΗ3(g)) από άζωτο (N2(g)) και υδρογόνο (H2(g)) γίνεται παρουσία στερεών καταλυτών Fe(s), Al2O3(s), K2O(s) Fe(s),Al2O3(s), K2O(s) N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3g) Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Αυτοκατάλυση 5 -OOC-COO- + 2 MnO4- +  6 H+ → 10 CO2 + 2 Mn2+ + 3 H2O Όταν ο καταλύτης είναι ένα προϊόν της αντίδρασης η περίπτωση αυτή λέγεται αυτοκατάλυση. Η οξείδωση των οξαλικών ιόντων (-OOC-COO-) από το ιόντα του υπερμαγγανικού καλίου (MnO4-) καταλύεται από τα ιόντα Mn2+ που παράγονται. Όταν αρχίζει μία αντίδραση αυτοκατάλυσης η ταχύτητα είναι μικρή. Μόλις σχηματίζεται το προϊόν που δρα ως καταλύτης η αντίδραση επιταχύνεται. Μία συνήθης μορφή της καμπύλης αντίδρασης είναι η διπλανή. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Ερμηνεία της δράσης των καταλυτών Οι καταλύτες αυξάνουν την ταχύτητα μιας αντίδρασης γιατί επεμβαίνουν στο μηχανισμό της με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργηθεί μία νέα πορεία, με μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Θεωρία των ενδιάμεσων προϊόντων Έστω η αργή αντίδραση: Α + Β → ΑΒ παρουσία του καταλύτη Κ ακολουθεί έναν άλλο μηχανισμό με μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης που έχει τη μορφή: Α + Κ → ΑΚ γρήγορη (1) ΑΚ + Β → ΑΒ + Κ γρήγορη (2) από τις (1) και (2) έχουμε: Α + Β → ΑΒ γρήγορη Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Θεωρία της προσρόφησης Όταν ο καταλύτης είναι στερεό σε λεπτό διαμερισμό και τα αντιδρώντα αέρια ή υγρά τα μόρια των αντιδρώντων προσροφώνται σε ορισμένα σημεία της επιφάνειας του καταλύτη (τα ενεργά κέντρα) και οι δεσμοί τους εξασθενίζουν ή και διασπώνται. Στα ενεργά κέντρα η συγκέντρωση των αντιδρώντων αυξάνεται και αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης. Fe(s) N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3g) Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Εφαρμογές των καταλυτών Στη χημική βιομηχανία οι περισσότερες αντιδράσεις επιταχύνονται από καταλύτες ώστε να μειωθεί ο χρόνος παραγωγής των προϊόντων. π.χ. η σύνθεση αμμωνίας με τη μέθοδο Haber γίνεται παρουσία σιδήρου. N2(g) + 3 H2(g) → 2 NH3g) Στη βιοχημεία οι καταλύτες είναι οργανικές ουσίες που λέγονται ένζυμα. Οι περισσότερες αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στους οργανισμούς γίνονται με τη βοήθεια των ενζύμων. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Δράση των ενζύμων (βιοκαταλυτών) Τα ένζυμα είναι οργανικές ουσίες που επιταχύνουν βιοχημικές αντιδράσεις. Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των ενζύμων σε σχέση με τους άλλους καταλύτες: Έχουν πολύπλοκη δομή, είναι συνήθως πρωτεϊνικής φύσης με μεγάλες σχετικές μοριακές μάζες της τάξης των 105 έως 106. Έχουν εξειδικευμένη δράση και συνήθως καταλύουν μόνο μία αντίδραση. Τα πρωτεϊνικής φύσεως αδρανοποιούνται σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 50 °C και σε ακραίες τιμές του pH. Είναι πολύ πιο αποτελεσματικά από τους μη βιοχημικούς καταλύτες τη Φυσική ως θερμοδυναμικό σύστημα επιλέγεται συνήθως η ποσότητα ενός αερίου. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Δράση των ενζύμων (βιοκαταλυτών) Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Νόμος της ταχύτητας Οι χημικές αντιδράσεις διακρίνονται σε απλές ή στοιχειώ- δεις και πολύπλοκες. Οι απλές ή στοιχειώδεις αντιδράσεις πραγματοποιούνται σε ένα στάδιο. Οι πολύπλοκες σε δύο ή περισσότερα στάδια, λέμε ότι γίνονται με μηχανισμό. Σε αυτές το πιο αργό στάδιο καθορίζει την ταχύτητα. Θεωρούμε την αντίδραση: α Α + β Β → γ Γ + δ Δ Η στιγμιαία ταχύτητα προσδιορίζεται πειραματικά και είναι της μορφής: υ = k[A]x[B]y (νόμος της ταχύτητας) Τα στερεά παραλείπονται γιατί ξέρουμε δρούν επιφανειακά. Οι εκθέτες x, y λέγονται αντίστοιχα τάξη της αντίδρασης ως προς Α και Β αντίστοιχα, ενώ το άθροισμα x+y λέγεται τάξη της αντίδρασης. Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Νόμος της ταχύτητας Τα στερεά παραλείπονται γιατί ξέρουμε δρούν επιφανειακά. Όταν οι συντελεστές των αντιδρώντων α, β συμπίπτουν με τους εκθέτες x, y η αντίδραση είναι απλή. Η σταθερά αναλογίας k του νόμου της ταχύτητας εξαρτάται από τη φύση των αντιδρώντων και τη θερμοκρασία, επομένως η τιμή της εξαρτάται από αυτούς τους παράγοντες. Η μονάδα μέτρησης της σταθεράς k εξαρτάται από την τάξη της αντίδρασης. Για την απλή αντίδραση: α Α + β Β → γ Γ + δ Δ έχει μονάδα Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr

Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr Νόμος της ταχύτητας Όταν η αντίδραση γίνεται σε στάδια ο νόμος της ταχύτητας καθορίζεται από το πιο αργό στάδιο. Η αντίδραση: 2 Α(g) + Β(g) → Α2Β(g) γίνεται σε στάδια Α(g) + B(g) → AB(g) αργό στάδιο Α(g) + AB(g) → A2B(g) γρήγορο στάδιο 2 Α(g) + Β(g) → Α2Β(g) Από το αργό στάδιο έχουμε: υ = k[Α] [Β] Κων/νος Θέος, kostasctheos@yahoo.gr