Transcript ppt
Chemické děje a chemické reakce
Chemický děj
• Chemický děj je proces, při němž dochází ke změnám chemických vazeb mezi stavebními částicemi látek.
Nejčastějším případem chemického děje je chemická reakce.
• Chemické vazby: – Nekovalentní: vystupují v chemických dějích rozpouštění, ředění, krystalisace, sublimace, desublimace, kondensace, vypařování, jsou důležité při purifikačních methodách, jsou velmi slabé • Vodíkové můstky • Van der Waalsovy interakce – Kovalentní: k jejich změnám dochází v rámci chemických reakcí, jsou velmi • Polární silné • Nepolární • Extrémně polární = iontové
Popis chemického děje
•
Stechiometrie
– udává, v jakých poměrech spolu činitelé chemického děje vystupují •
Thermodynamika
– popisuje energetické změny v rámci chemického děje •
Kinetika
– popisuje rychlost chemických dějů •
Mechanismus
etc.) na – popis průběh všech změn (dílčí reakce, úrovni zúčastněných částic chemického děje (atomy, molekuly, ionty)
Zákonitosti chemického děje
•
Zákon zachování hmoty:
během chemického děje se celková hmotnost systému nemění.
–
Hmotnost iontu je kovalentně vázaného atomu i hmotnost v podstatě stejná odpovídajícího volného atomu.
jako hmotnost
•
Zákon zachování energie:
děje energie nevzniká, ani nezaniká, pouze se jedna její forma mění ve formu jinou. Celkový součet energie systému ve všech jejích formách zůstává konstantní.
během chemického
Chemická reakce
•
Chemická reakce
je proces, při kterém nastávají látkové změny, tj. dochází ke změnám ve složení a struktuře látek. Chemické reakce se uskutečňují zpravidla v důsledku vzájemného působení dvou či více látek, ale některé z nich též vlivem energie na látku jedinou.
•
Chemická reakce
je přeskupením chemicky vázaných atomů, při kterém některé vazby zanikají a jiné vznikají.
Chemická reakce
• K chemické reakci dojde: – Pokud se reagující látky dostanou do bezprostředního kontaktu – Pokud má reakce dostatečné energetické podmínky • Chemická reakce se zapisuje chemickou rovnicí, tvořenou chemickými vzorci reaktanty (látky vstupující do reakce) → produkty aA + bB → cC + dD Stechiometrické koeficienty: udávají, v jakých poměrech vystupují jednotlivé látky v reakci. Obvykle nejmenší možná celá čísla.
Chemické rovnice
• Úplné: • Zn (s) + H 2 SO 4(aq) → H 2(g) Zn + 2 HCl → H 2 + ZnSO + ZnCl 2 4(aq) • Iontové: Zn (s) + 2 H + (aq) → Zn 2+ (aq) + H 2(g)
Součet všech atomů daného prvku na levé straně se musí rovnat součtu atomů tohoto prvku na straně pravé
•
Součet všech nábojů vystupujících částic na levé straně, se musí rovnat součtu všech vystupujících částic na straně pravé
•
Specifikace stavu látky (s; l; g; aq) není povinná, ale často vhodná
• Reakční schema: N 2 + H 2 ---> NH 3
N
2 (
g
) 3
H
2 (
g
)
C
20 ; 2
NH
3 (
g
)
Chemická kinetika
Kinetika – rychlost chemických reakcí
• Pro mnoho procesů je důležité vědět, jak rychle probíhají • Jak měřit rychlost chemické reakce?
– Změna látkového množství za jednotku času:
r
n
t
– Problém: velikost a množství reakční směsi – Řešení: vztažení rychlosti na jednotkový objem
r
t n
1 .
V
– Pro většinu případů je objem konstantní → rychlost je pak možné vyjádřit jako změnu molární koncentrace
r
n
t
.
1
V
c
t
Rychlostní rovnice
• Pro modelovou reakci podle rovnice (ale všeobecně pro jakoukoli):
aA
bB
cC
lze rychlost spočítat pomocí rychlostní rovnice Dílčí řády reakce (jejich součet dává celkový řád reakce)
r
n
t
1 .
V
c
t
k
.
c
A
.
c B
k
.
c C
k
.
i
c i
i
reagující
k
.
j
c
j
vznikající j
Rychlostní konstanty (šipka označuje směr reakce) Jednotlivé koncentrace reagujících látek
Rychlostní konstanta
• Konstanta k určuje velikost rychlosti • Pro každou reakci musí být experimentálně zjištěna • Vzorec pro výpočet navrhl chemik Arrhenius:
k
A
.
e
E A R
.
T
A … Arrheniova konstanta E A … Aktivační energie R … Plynová konstanta – 8,314 J.K
-1 .mol
-1 T … Thermodynamická teplota Aktivační energie – energie, jež je třeba dodat pro zahájení reakce
Ovlivňování rychlosti reakce
1.
2.
3.
• • Zvýšení koncentrace reagujících částic Při reakci se sráží molekuly, nebo atomy reaktantů za vzniku produktů, rychlost reakce pak stoupá s pravděpodobností těchto srážek.
Pravděpodobnost srážek pak stoupá s počtem částic na daném prostoru, čili s koncentrací.
• • • Zvýšení teploty Pro zdárný průběh reakce musí mít reagující částice určitou energii, která se projevuje jako jejich rychlost.
Zvýšením teploty dodáváme teplo a tím energii reagujícím částicím a jejich rychlost vzroste, což urychlí reakci.
Můžeme také říci, že zvýšením rychlosti částic zvýšíme pravděpodobnost srážky dvou částic s potřebnou energií.
• • U reaktantů v pevném stavu zvýšení stupně rozmělnění Rozmělněním pevných částic na prášek se zvýší plocha styku s dalšími reagujícími částicemi a tedy i počet srážek s nimi a tím rychlost reakce.
Opět lze tvrdit, že se zvýší pravděpodobnost srážek vedoucích k reakci
Ovlivňování rychlosti reakce
4.
Přítomnost katalysatoru: • Katalysator = látka snižující aktivační energii a tím barieru pro zahájení reakce, mění rychlost reakce, ale nevystupuje v konečné reakci a v ideálním případě se během reakce nespotřebovává (což v praxi není téměř nikdy možné) • Katalysator vlastně funguje jako horský průvodce, který hledá pro svoji skupinu jiné - snašší cesty pro překonání horského hřebenu, než přímý pochod přes vrchol
Thermodynamika
Energetika chemických reakcí
• Při reakci zanikají staré vazby, přičemž je třeba dodat energii, která odpovídá disociační energii štěpených vazeb; a dále nové vazby vznikají, což je doprovázeno uvolněním energie, jež odpovídá vazebné energii vazeb vznikajících. Chemická reakce je tak vždy provázena změnou energie • Reakce –
Exothermní
je provázena uvolněním energie (tepla), reakční směs se zahřívá a energie má záporné znaménko –
Endothermní
je provázena spotřebou energie (tepla), reakční směs se samovolně ochlazuje a energie má kladné znaménko • Jak ale vyjádřit energetické změny?
Vnitřní energie
• Značka
U
, jednotka
kJ/mol
• Souhrn všech forem energie v daném systému (kinetická, potenciální, jaderná, elektronů, vazebná, etc.) • Nelze přesně určit její absolutní hodnotu • Je ale možné určit její změnu
U
Enthalpie
• • Značka
H r
. , jednotka
kJ/mol
Hr =
U + p.
V
• Změna vnitřní energie změněná o práci, jež systém vykoná během reakce • Teplo, které se uvolní při reakci za konstantního tlaku • „Tepelné změny při chemických reakcích probíhajících za stálého tlaku zahrnují i objemovou práci“
CaCO 3
V
CaO + CO 2
Standardní reakční teplo a slučovací teplo
• • • Standardní podmínky: chemických hodnot dohodnuté a všeobecně uznávané podmínky pro tabelování fysikálních a – T = 298,15 K (25°C) – p = 101,325 kPa – c = 1 mol/l – n = 1 mol
Standardní reakční teplo (Q
r
):
teplo, během reakce za standardních podmínek které se uvolní
Standardní slučovací teplo (Q
látky z prvků
r
):
reakční teplo reakce, při které vzniká za standardních podmínek 1 mol dané
E A + B reaktanty
Energetický diagram
‡ Transitní stav Transitní stav
: stav, kdy část starých vazeb je již rozvolněna a začínají vznikat vazby nové, přitom je však stejně pravděpodobný vznik produktu i obrácení reakce zpět k výchozím látkám E A – Aktivační energie C + D produkty H r – Endothermní reakce H r – C + D produkty Exothermní reakce Reakční koordináta
Vratnost reakcí a chemická rovnováha
• Z energetického grafu je vidět, že theoreticky je možné každou reakci obrátit, pokud dodáme dostatečnou energii (která odpovídá aktivační energii obrácené reakce) –
vratnost reakce
• Díky energetickým změnám během reakce se často stává, že část molekul dostává právě tuto požadovanou energii pro obrácení reakce a reakce tak současně běží oběma směry • Pokud se rychlost reakce a obrácené reakce vyrovnají (rychlost přeměny na produkty se rovná rychlosti přeměny na reaktanty), dospěje reakce do rovnováhy – oba děje stále probíhají, ale shodnou rychlostí. Koncentrace všech látek zůstává konstantní a nepozorujeme další změny. Zdánlivě se tak reakce zastavila. –
dynamické rovnováha
Rovnovážná konstanta
• Každá chemická reakce se dostane po určité době do stavu chemické rovnováhy • Chemická rovnováha je matematicky vyjádřena rovnovážnou konstantou (Gulberg-Waagův zákon)
aA
bB cC
dD K
d b
j produkty
;
j
i
i reak
tan
ty
;
i
j
[ X] … koncentrace jednotlivých látek (mol/l) x … stechiometrický koeficient dané látky P … součin [P j ] … koncentrace jednotlivých produktů [R i ] i,j … koncentrace jednotlivých reaktantů … stechiometrické koeficienty daných látek
•
Ovlivňování rovnovážného složení
Snížení koncentrace produktu/ů:
– Odčerpáváním i byť jen jednoho produktu se numericky snižuje čitatel zlomku rovnovážné konstanty, aby poměr zůstal zachován a tudíž se konstanta nezměnila, reaguje systém vytvářením odčerpávaného produktu a rovnovážné složení je tak posunuto směrem k produktům •
Zvýšení koncentrace výchozí látky/ek:
– Přidáváním i jen jediné výchozí látky vede k numerickému zvýšení jmenovatele zlomku rovnovážné konstanty. Aby poměr a s ním i konstanta zůstal zachován, reaguje systém vytvářením produktů. Rovnovážné složení je tak posunuto směrem k produktům – Obvykle přidáváme tu nejlevnější výchozí látku, klidně i ve velkém nadbytku
Ovlivňování rovnovážného složení
•
Změna tlaku v reakční soustavě:
– Možno použít jen u reakcí se změnou objemu – Obvykle reakce, kde vystupují plyny – 1 mol jakéhokoliv plynu má stejný objem, který je vždy daleko větší než objem kapaliny, nebo pevné látky – Zvýšení tlaku posunuje rovnováhu ve směru menšího objemu reakční soustavy (tj. na stranu menšího látkového množství plynu/ů)
CaCO
3 (
s
)
t CaO
(
s
)
CO
2 (
g
) Při zvýšení tlaku:
←
2
NO
2 (
g
)
N
2
O
4 (
g NaOH
(
aq
)
HBr
(
aq
) )
NaBr
(
aq
)
H
2
O
→ Nemá vliv
Ovlivňování rovnovážného složení
• Změna teploty v reakční soustavě: – Zvyšování teploty znamená dodávání energie – energie se chová jako reaktant – Snižování teploty znamená odebírání energie – energie se chová jako produkt – Endothermní reakce:
aA
bB
E cC
dD
– Exothermní reakce:
aA
bB cC
dD
E
– Z předešlého vyplývá: • U endothermních reakcí zvýšení teploty vede k posunutí rovnovážného složení směrem k produktů, u exothermních naopak • U exothermních reakcí vede snížení teploty k posunutí rovnovážného složení směrem k produktům, u endothermních naopak
Druhy chemických dějů
Druhy chemických reakcí
• Podle skupenství: – V pevné fázi • Málo časté • Špatný kontakt reagujících látek • Problémy s promícháváním – V kapalné fázi • Nejčastější • Dobré promíchávání a dobrý kontakt reaktantů • Je možné využít vlastnosti rozpouštědla pro ovlivnění průběhu reakce – V plynné fázi • Dobré promíchání i kontakt reaktantů • Problém s objemem reaktoru a změnami tlaku při reakci
Druhy chemických reakcí
• Podle skupenství 2: – Homogenní: všechny látky jsou ve stejné fázi – Heterogenní: alespoň jedna látka je v jiné fázi • Podle reagujících částic: – Radikálové • Reagují radikály – částice s nespárovaným elektronem, vysoce nestabilní a reaktivní • Obvykle řetězové reakce • Špatně se řídí – Molekulové – Iontové
Druhy chemických reakcí • Podle přenášených částic:
– Redoxní – přenáší se elektrony – Acidobasické – přenáší se protony – Srážecí – přenáší se části molekul
Redoxní reakce
• Při reakci se přenáší elektrony • Během reakce se mění oxidační čísla zúčastněných atomů • Vyčíslování se provádí pomocí křížového pravidla • Počet odevzdaných a přijatých elektronů musí být shodný
Mn IV O
2 4
HCl
I Mn II Cl
2
I
2
H
2
O
Cl
2 0 • Redukce: děj, při kterém dochází k přijmutí elektronu a snížení oxidačního čísla • Redukční činidlo: látka způsobující redukci, přičemž se samo oxiduje • Oxidace: děj, při kterém dochází k odevzdání elektronu a zvýšení oxidačního čísla • Oxidační činidlo: látka způsobující oxidaci, přičemž se sama redukuje
Acidobasické reakce
• Přenášenou částicí je proton – kation vodíku H + • Reakce kyselin a zásad • Tři theorie – Arrheniova, Brönstedova a Lewisova Kyselina Base (zásada)
Arrhenius
Donor H + Donor OH -
Brönsted
Donor H + Akceptor H +
Lewis
Akceptor e páru Donor e páru
H
2
SO
4 2
NaOH Na
2
SO
4 2
H
2
O
• • • Stupnice vyjadřující kyselost roztoku 0 – 14 • 0 – 7 • 7 • 7 – 14 kyselé neutrální zásadité Hodnota pH závisí na koncentraci uvolněných vodíkových iontů
pH
Síla kyselina a zásad ve stupnici pH
• Síla kyseliny je úměrná její schopnosti odštěpovat své protony a přenášet je na molekuly rozpouštědla (obvykle vody – vznik oxoniového kationtu) • Silnější je tedy kyselina, která při stejné výchozí koncentraci odštěpí více vodíkových iontů a tím dosáhne nižšího pH
HBr
H
2
O H
3
O
Br
• Síla base je úměrná schopnosti vychytávat vodíkové ionty • Silnější base je tedy ta, která při stejné výchozí koncentraci vychytá více vodíkových iontů a tím dosáhne vyššího pH
NaCO
3
H
3
O
NaHCO
3
H
2
O
Srážecí reakce • Přenáší se atomy, nebo celé části molekul • Jeden z produktů je mnohem méně rozpustný než jiné a vylučuje se ve formě sraženiny
BaCl
2 (
aq
)
H
2
SO
4 (
aq
) 2
HCl
(
aq
)
BaSO
4 (
s
)