Transcript Brzina hemijske reakcije

Brzina hemijske reakcije
1 of 39
© Boardworks Ltd 2007
2 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Zašto visoke zgrade se mogu eksplozivom
srušiti za nekoliko sekundi?
Zašto hrani treba nekoliko dana
da počne da se raspada?
4 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Zašto su rudnici uglja pod
visokim rizikom od eksplozije?
5 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Šta je brzina hemijske reakcije?
Brzina kojom se reaktanti
pretvaraju u proizvode tokom
hemijske reakcije
Na primer:
6 of 39
© Boardworks Ltd 2007
1. Vatrometi se pale samo za par
sekundi
Brzina reakcije
VISOKA
2. Za fotosintezu je potrebno par
sati
Brzina reakcije
MANJA
3. Erozija stena se dešava
tokom mnogo godina
Brzina reakcije
VEOMA SPORA
Neke reakcije su brze a neke
veoma spore
Isto važi i za rekcije u hemijskoj
laboratoriji
Brzina hemijske reakcije
Zašto su neke reakcije brže od ostalih?
11 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Kako određujemo brzinu hemijske reakcije u
laboratoriji ??
Na isti način na koji određujemo i brzinu vožnje !!!
Formula je :
Brzina = put (km)
vreme (h)
13 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Brzina hemijske reakcije je:
Brzina
=
fizička promena
vreme
14 of 39
© Boardworks Ltd 2007
A + B
(reaktanti)
C + D
(proizvodi)
• Za vreme hemijske reakcije,
reaktanti se troše a proizvodi
nastaju
• Kako dolazi do hemijske
reakcije?
15 of 39
© Boardworks Ltd 2007
16 of 39
© Boardworks Ltd 2007
• Prema kinetičkoj teoriji, čestice se
konstantno kreću i sudaraju sve vreme
• Međutim, veći deo sudara ne dovodi do
reakcije, zašto?
SUDARI
17 of 39
© Boardworks Ltd 2007
• Samo oni sudari u kojima molekuli imaju :
• Minimalnu količinu energije koja je potrebna da
bi došlo do reakcije ENERGIJA AKTIVACIjE, Ea
i PRAVU ORJENTACIJU
EFIKASNI (USPEŠNI) SUDARI
SUDARI
18 of 39
© Boardworks Ltd 2007
• Da bi se reakcija Energija
odigrala, molekuli
reaktanata moraju
da se sudare I da
pritom imaju
dovoljnu količinu
energije
• Minimalna količina
energije koja je
potrebna da bi
došlo do reakcije
zove se energija
aktivacije.
aktivacije Ea
Energetski dijagram
19 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Promena brzine hemijske reakcije
Svaki faktor koji povećava broj efikasnih sudara povećava
brzinu hemijske reakcije
Koji faktori utiču na brzinu hemijske reakcije?
 Povećanje temperature
 povećanje koncentracije reaktanata
kod rastvorenih reaktanata i povećanje
pritiska gasovitih reaktanata
 povećanje površine kod čvrstih
rektanata
 Upotreba katalizatora
20 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Sporije i sporije!
Reakcije se ne odvijaju stalnom brzinom.
Počinju nekom brzinom koja se smanjuje i smanjuje dok
reakcija ne prestane.
Kako reakcija odmiče, koncentracija reaktanata se
smanjuje.
Ovo smanjuje broj sudara čestica reaktanata i brzina
reakcije se smanjuje
0%
25%
reaktanti
proizvod
21 of 39
50%
75%
100%
udeo proizvoda reakcije
© Boardworks Ltd 2007
Kako se može izmeriti brzina hemijske
reakcije?
Merenjem promene količine reaktanata ili proizvoda
Šta se može meriti u reakciji između magnezijuma i
hlorovodonične kiseline?
magnezijum
+
Hlorovodonična
Magnezijum
kiselina
hlorid
+
vodonik
 Količina hlorovodonične kiseline (cm3/min).
 Količina magnezijum-hlorida (g/min).
 Količina vodonika (cm3/min).
22 of 39
© Boardworks Ltd 2007
2. Temperatura
3. Koncentracija
1. Veličina dodirne
površine
4. katalizator
24 of 39
5. Pritisak
© Boardworks Ltd 2007
Temperatura i sudari
Kako temperatura utiče na brzinu hemijske reakcije ?
25 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Temperatura i baterije
Zašto se baterije brže troše pri hladnom vremenu ?
Na nižim temperaturama
reakcije koje proizvode
električnu energiju odvijaju
se sporije
Baterije daju manje struje
nego što je potrebno
26 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Pri višoj temperaturta kinetička energija
molekula reaktanata je veća
Molekuli se brže kreću
Broj sudara se povećava
Broj uspešnih sudara se povećava
 Brzina hemijske reakcije je veća
27 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Kako temperatura utiče na brzinu reakcije?
Reakcija između natrijum-tiosulfata i sumporne kiseline pri
čemu nastaje sumpor
Natrijum
-tiosulfat
Na2S2O3
(aq)
+
+
Sumporna
kiselina
H2SO4
(aq)
Natrijum
 -sulfat
 Na2SO4
(aq)
+
+
Sumpor
sumpor + voda
-dioksid +
SO2
(g)
+
S
(s)
+
H2O
(l)
Sumpor se ne rastvara i stvara zamućenje
28 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Uticaj koncentracije na brzinu reakcije
Veća koncentracija - veća brzina hemijske reakcije
Pri većoj koncentraciji, veći je broj čestica u jedinici
zapremine.
manja koncentracija
29 of 39
veća koncentracija
© Boardworks Ltd 2007
 Pri povećanju koncentracije povećava se broj
molekula u jedinici zapremine
 Broj sudara se povećava
 Broj uspešnih sudara se povećava
 Brzina hemijske reakcije je veća
30 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Uticaj površine na brzinu reakcije
Savaka reakcija koja se odvija između čvrstih supstanci
može da se odigrava samo na površini
manja površina
veća površina
Ako se čvrsta supstanca iseče u delove, površina se
povećava. Kako ovo utiče na brzinu hemijske reakcije?
31 of 39
© Boardworks Ltd 2007
 Ako je čestica čvrstog
reaktanta manja,
veličina ukupne površine
koja je izložena sudaru sa
drugim reaktantom je veća
 Broj sudara se povećava
 Broj uspešnih sudara se povećava
 Brzina hemijske reakcije je veća
32 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Uticaj pritiska na brzinu reakcije
Veći pritisak-veća brzina reakcije
Sa povećanjem pritiska, prostor u kome se kreću
čestice gasovite supstance je manji
manji pritisak
33 of 39
veći pritisak
© Boardworks Ltd 2007

Pri povećanju pritiska, veći
broj molekula se nalazi u
jedinici zapremine
Broj sudara se povećava
Broj uspešnih sudara se
povećava
 Brzina hemijske reakcije je
veća
34 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Šta su katalizatori?
Katalizatori su supstance koje menjaju brzinu hemijske
reakcije, a iz reakcije izlaze nepromenjeni
energija (kJ)
Katalizatori nikad ne povećavaju količinu proizvoda –
oni samo brže proizvode istu količinu
Ea bez
katalizatora
Katalizatori smanjuju
energiju aktivacije (Ea)
Ea sa
katalizatorom
reakcija (vreme)
35 of 39
© Boardworks Ltd 2007
 Supstance koje ubrzavaju
hemijsku reakcijupozitivni katalizatori
 Inhibitori usporavaju
hemijsku reakcijunegativni katalizatori
 Reakcija se odigrava
drugim reakcionim putem
pa je energija aktivacije
manja
 Više molekula može da
postigne manju energiju
aktivacije
 Broj uspešnih sudara se
povećava
 Brzina hemijske reakcije je veća
36 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Katalizatori u svakodnevnom životu
Mnogi katalizatori su prelazni metali ili njihova jedinjenja.
Na primer:
 Nikal je katalizator u proizvodnji margarina
(hidrogenizacija biljnih ulja)
 Gvožđe je katalizator u proizvodnji amonijaka iz
azota i bodonika (Haber proces)
 Platina je katalizator u
katalitičkim konverterima
izduvnih gasova u kolima.
Katalizuju konverziju ugljenmonoksida i azotovih oksida
u ugljen-dioksid i azot koji su
manje zagađivači
37 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Industrijski katlizatori
Zašto su katalizatori važni u industriji?
 Proizvodi se mogu dobiti brže
uz uštedu vremena i novca
 Katalizatori smanjuju potrebu za
visokim temperaturama, štede
gorivo i smanjuju zagađenje
životne sredine
Katalizatori su neophodni u živim ćelijama. Biološki
katalizatori su proteini koji se zovu enzimi
38 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Brzina hemijske reakcije predstavlja promenu
koncentracije reaktanata (ili proizvoda) u
jedinici vremena
A+B→C+D
d A   mol 
v
d t  dm s 
3
d C   mol 
v
d t  dm s 
3
39 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Uticaj koncentracije na brzinu
hemijske reakcije
• Zakon o dejstvu masa (Guldberg-Waage):
Brzina hemijske reakcije proporcionalna je
proizvodu koncentracija (ili parcijalnih pritisaka)
reaktanata
aA + bB
40 of 39
direktna
povratna
cC + dD
© Boardworks Ltd 2007
Uticaj koncentracije na brzinu
hemijske reakcije
aA + bB
direktna
povratna
Vd = kd·[A]a ·[B]b
Vp = kp·[C]c ·[D]d
TEST
cC + dD
V- brzina hemijske reakcije
k- konstanta brzine za datu rekciju
[A] – molarna koncentracija
U izraz za brzinu hemijske reakcije ulaze koncentracije
supstanci koje su:
Gasovite (g) i rastvorene u vodi (aq)
Ne ulaze:
Tečne (l) i čvrste (s) supstance !!!
41 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Primer:
• Homogene reakcije
N2(g) + 3H2(g)
Vd = kd·[N2]·[H2]3
2NO(g) + O2(g)
Vd = kd· [NO]2· [O2]
42 of 39
2NH3(g)
Vp = kp·[NH3]2
2NO2(g)
Vp = kp· [NO2]2
© Boardworks Ltd 2007
• Heterogene reakcije
C(s) + O2(g)
Vd = kd· [O2]
Fe(s) + S(s)
Vd = kd
43 of 39
CO2(g)
Vp = kp· [CO2]
FeS(s)
V p = kp
© Boardworks Ltd 2007
Rečnik
 Energija aktivacije – Količina energije koja je potrebna
da bi se reakcija odigrala
 katalizator – supstanca koja ubrzava hemijsku reakciju
 koncentracija – broj molekula supstance u jedinici
zapremine
 enzim – Biokatalizator
 Brzina reakcije– promena koncentracije u jedinici
vremena
44 of 39
© Boardworks Ltd 2007
45 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Ireverzibilne reakcije (nepovratne)
Većina hemijskih reakcija se smatra nepovratnim –
proizvodi reakcije se ne mogu vratiti u reaktante
Na primer, kada šuma gori
nemoguće je vratititi je u stanje
pre požara!
Kada magnezijum reaguje
sa hlorovodoničnom
kiselinom i daje magnezijumhlorid i vodonik, nije moguće
lako vratiti proizvode u
magnezijum
46 of 39
© Boardworks Ltd 2007
PROMENA KONCENTRACIJE U REAKCIJI
Kako je brzina hemijske reakcije zavisi od koncentracije reaktanata... Direktna reakcija
počinje brzo, ali usporava kako se troše reaktanti.
NAJBRŽA NA
POČETKU
ŠTO JE STRMIJE,
REAKCIJA JE BRŽA
USPORAVA
KAKO SE
TROŠE
REAKTANTI
TOTALNA
KOVERZIJA U
PROIZVODE
47 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Šta su reverzibilne (povratne reakcije)?
Povratne reakcije se dešavaju kada se relativno lako pod
određenim uslovima odigrava i povratna reakcija
(proizvodi  reaktanti)
A
+
(reaktanti)
B
C
+
D
(proizvodi)
Na primer, reaktanti A i B reaguju i daju proizvode C i D.
Međutim, proizvodi C i D mogu, takođe, da reaguju i daju
reaktante A i B.
48 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Reverzibilne i ireverzibilne reakcije
Koje vrste reakcija su reverzibilne, a koje ireverzibilne?
49 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Reverzibilne biohemijske reakcije
Mnoge biohemijske reakcije (dešavaju se u organizmu) su
reevrzibilne.
U plućima, kiseonik se vezuje za hemoglobin (Hb) u
crvenim krvnim zrncima pri emu nastaje oksihemoglobin.
Kada se crvene krvne ćelije transportuju do tkiva,
oksihemoglobin se razlaže natrag do hemoglobina i
kiseonika.
Hb
50 of 39
+
4O2
Hb.4O2
© Boardworks Ltd 2007
RAVNOTEŽNE REAKCIJE
U početku, nema povratne reakcije, ali, kako nastaje proizvod, počinje da se odigrava
povratana reakcija sve većom brzinom
NEMA POVRATNE
REAKCIJE
DIREKTNA REAKCIJA USPORAVA
POVRATNA REAKCIJA UBRZAVA
U RAVNOTEŽI BRZINA DIREKTNE I
POVRATNE REAKCIJE JE JEDNAKA
51 of 39
© Boardworks Ltd 2007
DINAMIČKA RAVNOTEŽA
• REVERZIBILNA HEMIJSKA REAKCIJA JE DINAMIČKI PROCES
• REAKCIJA SE ODIGRAVA U OBA SMERA IAKO SE KONCENTRACIJE SVIH
UČESNIKA NE MENJAJU
Kada se uspostavi hemijska ravnoteža...
• i reaktanti i proizvodi su prisutni sve vreme
• može se doći do ravnoteže sa obe strane
• reakcija je dinamična kreće se u oba smera
• koncentracija reaktanata i proizvoda ostaje konstantna
52 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Vd = kd·[A]a ·[B]b
Vp = kp·[C]c ·[D]d
vd = vp
kd·[A]a ·[B]b = kp·[C]c ·[D]d
K =
kd
kp
=
[C]c ·[D]d
[A]a ·[B]b
K – konstantna veličina na konstantnoj temperaturi
KONSTANTA RAVNOTEŽE
53 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Primer:
3H2(g) + N2(g)
54 of 39
2NH3(g)
© Boardworks Ltd 2007
LE CHATELIER’S ( Le Šateljejev) PRINCIP
”Kada se na sistem koji je u ravnoteži deluje tako da se promeni neki od
faktora (pritisak, temperatura, koncentracija), sistem reaguje tako da se
suprostavlja toj promeni.”
55 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Suprostavljanje promeni
Kada se promeni neki od faktora u sistemu u ravnoteži,
sistem reaguje tako da smanji tu promenu
Faktor
Efekat
Temperatura
Povećanje temperature pomera ravnotežu u
smeru u kom se troši toplota
Koncentracija Povećanje koncentracije supstance pomera
ravnotežu u smeru u kom se ta supstanca
troši
Pritisak
56 of 39
Povećanje pritiska pomera ravnotežu u
smeru u kom se stvara manje gasa
© Boardworks Ltd 2007
FAKTORI KOJI UTIČU NA POLOŽAJ RAVNOTEŽE
KONCENTRACIJA
Promena koncentracije ne utiče na konstantu ravnože.
Da bi konstanta ostala konstantna, sastav reakcione
smeše se menja.
57 of 39
© Boardworks Ltd 2007
FAKTORI KOJI UTIČU NA POLOŽAJ RAVNOTEŽE
KONCENTRACIJA
primer
CH3CH2OH(l) + CH3COOH(l)
Konstanta ravnoteže
Kc
=
CH3COOC2H5(l) + H2O(l)
[CH3COOC2H5] [H2O]
=
4
(na 298K)
[CH3CH2OH] [CH3COOH]
povećanje
[CH3CH2OH]
- Kc će biti manje
- da bi Kc ostala ista CH3CH2OH reaguje sa CH3COOH
- ravoteža se pomera udesno
58 of 39
© Boardworks Ltd 2007
FAKTORI KOJI UTIČU NA POLOŽAJ RAVNOTEŽE
KONCENTRACIJA
primer
CH3CH2OH(l) + CH3COOH(l)
Konstanta ravnoteže
Kc
=
CH3COOC2H5(l) + H2O(l)
[CH3COOC2H5] [H2O]
=
4
(na 298K)
[CH3CH2OH] [CH3COOH]
smanjenje
- povećava Kc
[H2O]
- CH3CH2OH reaguje sa CH3COOH da bi se dobila H2O
- i CH3COOC2H5 se povećava
- ravoteža se pomera udesno
59 of 39
© Boardworks Ltd 2007
FAKTORI KOJI UTIČU NA POLOŽAJ RAVNOTEŽE
REAKTANTI
PROIZVODI
EFEKAT PROMENE KONCENTRACIJE NA POLOŽAJ RAVNOTEŽE
POVEĆANJE KONCENTRACIJE REAKTANTA
RAVNOTEŽA SE POMERA UDESNO
SMANJENJE KONCENTRACIJE REAKTANTA
RAVNOTEŽA SE POMERA ULEVO
POVEĆANJE KONCENTRACIJE PROIZVODA
RAVNOTEŽA SE POMERA ULEVO
SMANJENJE KONCENTRACIJE PROIZVODA
RAVNOTEŽA SE POMERA UDESNO
Kako utiče povećanje koncentracije O2 na položaj ravnoteže ?
2SO2(g) + O2(g)
2SO3(g)
Kako utiče smanjenje koncentracije SO3 na položaj ravnoteže ?
60 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Uticaj pritiska
Promena pritiska utiče na ravnotežu u kojoj se nalaze
gasovite supstance
Ako se pritisak povećava:
 Ravnoteža se pomera tako da se pritisak smanji
 U smeru u kome je manje molekula
Ako se pritisak smanjuje:
 Ravnoteža se pomera tako da se pritisak poveća
 U smeru u kome je više molekula
61 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Uticaj pritiska
2NO2 (g)
N2O4 (g)
Šta će se desiti ako se pritisak poveća?
 Ravnoteža se pomera tako da se broj molekula
smanji, tj. udesno
Ako se pritisak smanji, više NO2 će nastati
62 of 39
© Boardworks Ltd 2007
FAKTORI KOJI UTIČU NA POLOŽAJ RAVNOTEŽE
PRITISAK
UZIMAMO U OBZIR SAMO GASOVITE MOLEKULE
Što je više čestica u datoj zapremini, veći je pritisak
Ako primenimo veći pritisak, sistem pomera ravnotežu u smeru u kome ima manje
molekula
Ako je isti broj molekula saobe strane, ne dolazi do pomeranja ravnoteže
UTICAJ PRITISKA NA POLOŽAJ RAVNOTEŽE
POVEĆANJE PRITISKA
POMERA RAVNOTEŽU U STRANU SA MANJE MOLEKULA
SMANJENJE PRITISKA
POMERA RAVNOTEŽU U STRANU SA VIŠE MOLEKULA
Kako utiče povećanje pritiska na položaj ravnoteže ?
2SO2(g) + O2(g)
2SO3(g)
H2(g) + CO2(g)
CO(g) + H2O(g)
63 of 39
NEMA PROMENE
© Boardworks Ltd 2007
Egzotermne i endotermne reakcije
Sve reakcije su egzotermne (odaju toplotu) u jednom
smeru, a endotermne (troše toplotu) u drugom
Ako se temperatura povećava:
 Pomeranje ravnoteže smanjuje temperaturu
 Ravnoteža favorizuje endotermnu reakciju
DH > 0
Ako se temperatura smanjuje:
 Pomeranje ravnoteže povećava temperaturu
 Ravnoteža favorizuje egzotermnu reakciju
DH < 0
64 of 39
© Boardworks Ltd 2007
Uticaj promene temperature
Direktna reakcija je egzotermna, a povratna endotermna
DH > 0
DH < 0
2NO2 (g)
N2O4 (g)
DH < 0
Šta će se desiti ako povećamo temperaturu ?
 Ravnoteža će se pomeriti tako da se temperatura
smanji, tj. u smeru endotermne reakcije
Ako se temperatura smanji više N2O4 će se stvarati
65 of 39
© Boardworks Ltd 2007
FAKTORI KOJI UTIČU NA POLOŽAJ RAVNOTEŽE
TEMPERATURA
• jedino temperatura može promeniti vrednost konstante ravnoteže što utiče i na
direktnu i na povratnu reakciju, ali u različitoj meri.
REAKCIJA
DH
POVEĆANJE T
SMANJENJE T
EGZOTERMNA
-
ULEVO
UDESNO
ENDOTERMNA
+
UDESNO
ULEVO
Kako povećanje temperature utiče na položaj ravnoteže...
H2(g) + CO2(g)
2SO2(g) + O2(g)
66 of 39
CO(g) + H2O(g)
2SO3(g)
DH = + 40 kJ mol-1
DH < 0
© Boardworks Ltd 2007