panagiotisathanasopoulos.gr

Transcript

1 Παναγιώτης Αθανασόπουλος. Κεφάλαιο 3ο Χημική Κινητική Παναγιώτης Αθανασόπουλος Χημικός, 35 Διδάκτωρ Πανεπιστημίου Πατρών

2 Χηµικός ιδάκτωρ Παν. Πατρών 36

3 Γενικα για τη χημικη κινητικη και τη χημικη Παναγιώτης Αθανασόπουλος Τι µελετά η Χηµική Κινητική; Πως αντλεί τα δεδοµένα της; Η χηµική κινητική µελετά : 1. Την ταχύτητα (ή το ρυθµό) που εξελίσσεται µια χηµική αντίδραση. 2. Τους παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα µιας αντίδρασης. 3. Το µηχανισµό της αντίδρασης Η χηµική κινητική αντλεί τα δεδοµένα που χρειάζεται όχι από τη µορφή της εξίσωσης, αλλά από πειραµατικές µετρήσεις, όπως είναι π.χ. ο προσδιορισµός της ποσότητας του εκλυόµενου αέριου προϊόντος σε συνάρτηση µε το χρόνο. Τι ονοµάζεται µηχανισµός της Τα βήµατα που ακολουθεί η αντίδραση, ώστε τα αντιδρώντα να µεταβούν στα προϊόντα ονοµάζονται στοιχειώδεις αντιδράσεις ή ενδιάµεσα στάδια και το σύνολό τους αποτελεί το µηχανισµό της αντίδρασης Ποιες θεωρίες ερµηνεύουν την πραγµατοποίηση των χηµικών αντιδράσεων; Τι γνωρίζετε για τη θεωρία των συγκρούσεων; Τι ονοµάζεται ενέργεια ενεργοποίησης; 1. Η θεωρία των συγκρούσεων. 2. Η θεωρία της µεταβατικής κατάστασης. Σύµφωνα µε τη θεωρία αυτή, που πρότεινε ο Arrhenius το 1889, για να αντιδράσουν δύο µόρια πρέπει να συγκρουστούν αποτελεσµατικά. Να έχουν δηλαδή: 1. την κατάλληλη ταχύτητα και 2. το σωστό προσανατολισµό. Αποτέλεσµα αυτής της σύγκρουσης είναι να «σπάσουν» οι αρχικοί δεσµοί των µορίων (αντιδρώντων) και να δηµιουργηθούν νέοι (των προϊόντων). Η ελάχιστη τιµή ενέργειας, που πρέπει να έχουν τα µόρια, ώστε να αντιδράσουν αποτελεσµατικά, ονοµάζεται ενέργεια ενεργοποίησης 37

4 Χηµικός ιδάκτωρ Παν. Πατρών Τι είναι οι αποτελεσµατικές συγκρούσεις; Όταν δύο αέρια αναµιχθούν σε ένα δοχείο, τότε ο αριθµός των συγκρούσεων µεταξύ των µορίων είναι τεράστιος. Απ αυτές έχει Τι γνωρίζετε για τη θεωρία της µεταβατικής κατάστασης; υπολογιστεί ότι µόνο το α: αποτελεσµατική σύγκρουση 1/10 8 είναι β: µη αποτελεσµατική σύγκρουση αποτελεσµατικές συγκρούσεις. Σύµφωνα µε τη θεωρία της µεταβατικής κατάστασης, για να πραγµατοποιηθεί µια αντίδραση θα πρέπει θα πρέπει τα αντιδρώντα µόρια να έχουν µια ελάχιστη τιµή ενέργειας που λέγεται ενέργεια ενεργοποίησης, Ε a. Κατά τη σύγκρουση των αντιδρώντων σχηµατίζεται ένα ενδιάµεσο προϊόν. Το προϊόν αυτό απορροφά την ενέργεια ενεργοποίησης και ονοµάζεται ενεργοποιηµένο σύµπλοκο. Η ενέργεια ενεργοποίησης ισούται µε τη διαφορά της ενέργειας των αντιδρώντων και του ενεργοποιηµένου συµπλόκου: Ε α = Ε ενεργοποιηµένου συµπλόκου Ε αντιδρώντων 38

5 Ερωτη σεις κατανο ησης Παναγιώτης Αθανασόπουλος 3-1. Τι µελετά η χηµική κινητική; 3-2. Τι ονοµάζεται µηχανισµός µιας χηµικής 3-3. ιατυπώστε τις βασικές αρχές της θεωρίας των συγκρούσεων 3-4. Τι λέγεται ενέργεια ενεργοποίησης; 3-5. ιατυπώστε τις βασικές αρχές της θεωρίας της µεταβατικής κατάστασης Τι είναι το ενεργοποιηµένο σύµπλοκο; 3-7. Πως επηρεάζει ο αριθµός των αποτελεσµατικών συγκρούσεων την ταχύτητα µιας χηµικής 3-8. ίνεται το ενεργειακό διάγραµµα που αναφέρεται στον σχηµατισµό 1 mol ένωσης Γ σύµφωνα µε τη χηµική εξίσωση: A(g) + B(g) Γ(g) 3-9. Να εξηγήσετε ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές, α) H αντίδραση είναι εξώθερµη. β) H ενέργεια ενεργοποίησης είναι E a = χ. γ) H ενθαλπία αντίδρασης είναι Η = χ - y. δ) H αντίδραση Γ(g) A(g) + B(g) έχει ενέργεια ενεργοποίησης E' a = x + y Για την εξώθερµη αντίδραση: Α + Β ΑΒ, Η = -200 Kcal η ενέργεια ενεργοποίησης είναι Ε a = 90 Kcal/mol. Να βρείτε ποια είναι η ενέργεια ενεργοποίησης Ε a για την αντίστροφη αντίδραση: ΑΒ Α + Β Η αντίδραση Α + Β ΑΒ έχει ενέργεια ενεργοποίησης Ε a = 90 Kcal/mol, ενώ η αντίστροφη της έχει Ε a = 60 Kcal/mol. Να εξετάσετε αν η αντίδραση είναι ενδόθερµη ή εξώθερµη και να υπολογίσετε την ενθαλπία αντίδρασης Η Χαρακτηρίστε τις παρακάτω προτάσεις σαν σωστές ή λανθασµένες κι αιτιολογείστε τις απαντήσεις σας. 1) H ενέργεια ενεργοποίησης (E a ) εκφράζει τη διαφορά ενέργειας µεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων. 2) Όταν µια σύγκρουση δοµικών σωµατιδίων έχει κατάλληλο προσανατολισµό, είναι οπωσδήποτε αποτελεσµατική. 3) H ταχύτητα µιας αντίδρασης είναι ανάλογη µε την ενέργεια ενεργοποίησης, 4) Οι αποτελεσµατικές συγκρούσεις είναι ποσοστό περίπου 10% των συνολικών συγκρούσεων. 5) H ταχύτητα µιας αντίδρασης είναι ίση µε τον αριθµό των αποτελεσµατικών συγκρούσεων στη µονάδα του χρόνου, 6) H ενέργεια ενεργοποίησης για µια συγκεκριµένη αντίδραση δεν µεταβάλλεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας. 39

6 Χηµικός ιδάκτωρ Παν. Πατρών Ταχυ τητα αντι δρασης - Ορισμο ς ι ονοµάζεται µέση ταχύτητα Γενικά ορίζεται µέση ταχύτητα υ µιας χηµικής αντίδρασης της µορφής: αα + ββ γγ + δ : καθένα από τα πηλίκα: [ Α] 1 [ Β] 1 [ Γ] 1 [ ] 1 υ = = = = α t β t γ t δ t παραδείγµατα:έτσι, η ταχύτητα της αντίδρασης 2ΗΙ(g) H 2 (g) + I 2 (g) είναι: [ ] [ ] [ ] 1 HI H I υ=- = = 2 t t t 2 2 Πως µεταβάλλεται η ταχύτητα της Ποια είναι η µονάδα µέτρησης της ταχύτητας Τι ονοµάζεται ρυθµός κατανάλωσης ενός αντιδρώντος και τι ρυθµός παραγωγής ενός προϊόντος; η ταχύτητα της αντίδρασης δεν είναι σταθερή καθ όλη τη διάρκεια της. Στην αρχή (εκτός ελαχίστων εξαιρέσεων) η ταχύτητα είναι η µέγιστη. Ελαττώνεται, όµως, µε την πάροδο του χρόνου, καθώς µειώνεται η συγκέντρωσης των αντιδρώντων, ώσπου στο τέλος να µηδενιστεί. 1 mol L -1 s -1 ή 1Μ s -1. Έστω η χηµική αντίδραση: αα + ββ γγ + δ : Ο ρυθµός µεταβολής καθενός από τα σώµατα που µετέχουν στη χηµική αντίδραση ορίζονται από τα κλάσµατα: 40

7 Τι σχέση έχει ο ρυθµός µεταβολής της συγκέντρωσης συστατικού της αντίδρασης µε την ταχύτητα Τι ονοµάζεται στιγµιαία ταχύτητα χηµικής Οι ρυθµοί κατανάλωσης και παραγωγής διαφέρουν από τον ορισµό της στιγµιαίας ταχύτητας της αντίδρασης αφού σε κάθε χρονική στιγµή είναι πιθανόν διαφορετικοί για κάθε σώµα, ενώ η µέση ταχύτητα για τους ίδιους χρόνους είναι ίσες ως προς κάθε σώµα. Η µονάδα µέτρησης του ρυθµού κατανάλωσης ή παραγωγής είναι 1 mol L - 1 s -1 ή 1Μ s -1. Στιγµιαία ταχύτητα χηµικής αντίδρασης, που έχει τη γενική µορφή ορίζεται ως: αα + ββ γγ + δ, όπου dc είναι µια απειροελάχιστη µεταβολή της συγκέντρωσης c, κατά την απειροελάχιστη µεταβολή dt του χρόνου στη χρονική στιγµή t. Τι ονοµάζεται καµπύλη της Η καµπύλη αντίδρασης είναι η γραφική παράσταση της συγκέντρωσης σε συνάρτηση µε το χρόνο και µας δείχνει πως µεταβάλλεται η συγκέντρωση ενός από τα αντιδρώντα ή τα προϊόντα µε το χρόνο. Πως υπολογίζεται η στιγµιαία ταχύτητα από την καµπύλη της Για να υπολογίσουµε τη στιγµιαία ταχύτητα τη χρονική στιγµή t 1, φέρνουµε την εφαπτοµένη της καµπύλης που αντιστοιχεί στο σηµείο t 1 και υπολογίζουµε τη κλίση της. Η κλίση της ευθείας αυτής βρίσκεται αν πάρουµε δύο σηµεία της Α και Β και υπολογίσουµε το c και t. Η στιγµιαία ταχύτητα υ t1 τη χρονική στιγµή t 1 δίνεται από τη σχέση: υ t1 = c/ t 41

8 Χηµικός ιδάκτωρ Παν. Πατρών Ερωτη σεις κατανο ησης και ασκη σεις Τι ονοµάζεται ρυθµός µεταβολής της συγκέντρωσης ενός αντιδρώντος; Πώς ορίζεται η µέση ταχύτητας µιας Ποια είναι η σχέση µεταξύ του ρυθµού µεταβολής της συγκέντρωσης ενός αντιδρώντος και της µέσης ταχύτητας της Πως µεταβάλλεται η ταχύτητα µιας χηµικής αντίδρασης κατά τη διάρκειά της; Σε ποια χρονική στιγµή έχει συνήθως τη µέγιστη τιµή της; Πως ορίζεται η στιγµιαία ταχύτητα µιας Τι είναι καµπύλη Πως από την καµπύλη µιας αντίδρασης υπολογίζουµε: α) τη µέση ταχύτητα της β) τη στιγµιαία ταχύτητα της Είναι δυνατόν η µέση ταχύτητα και η στιγµιαία ταχύτητα µιας αντίδρασης να έχουν ίδια τιµή; β) Πώς µεταβάλλεται η ταχύτητα κατά τη διάρκεια µιας χηµικής Για καθεµία από τις παρακάτω αντιδράσεις να γραφεί η έκφραση που δίνει την ταχύτητα της αντίδρασης µε βάση τη µεταβολή της συγκέντρωσης όλων των σωµάτων (αντιδρώντων και προϊόντων), α) 2Η 2(g) + O 2((g) 2Η 2 O (g) β) ΝΟ (g) + O 3(g) ΝO 2(g) + O 2 γ) 2ΝΟCl (g) 2ΝΟ (g) + Cl 2(g) δ) Ζn (s) + 2ΗCl (aq) ZnCl 2(aq) + Η 2(g) Σε ένα δοχείο που περιέχει 200 ml, υδατικού διαλύµατος ΗC1 1Μ προσθέτουµε 0,15 mol Fe, οπότε σε θερµοκρασία 25 C πραγµατοποιείται η αντίδραση: Fe (s) + 2ΗCl (g) FeCl 2 (aq) + Η 2(g) α) Να προτείνετε δύο µεθόδους µε τις οποίες µπορούµε να παρακολουθήσουµε την πορεία της αντίδρασης. β) Πόσα mol Η 2 παράγονται; Έστω η αντίδραση: Α (g) + 2Β g) 2Γ (g) Στο διάγραµµα της διπλανής εικόνας φαίνεται η µεταβολή των συγκεντρώσεων των σωµάτων συναρτήσει του χρόνου. Να χαρακτηρίσετε τις παρακάτω προτάσεις σαν σωστές (Σ) ή λανθασµένες (Λ). α) Το αρχικό µίγµα των σωµάτων Α και Β είναι ισοµοριακό. 42

9 β) Η καµπύλη (1) αντιστοιχεί στο σώµα Γ, ε η καµπύλη (2) αντιστοιχεί στο σώµα Α. γ) Τα σώµατα Α και Β αντιδρούν µε την ίδια ταχύτητα. δ) Μετά τη χρονική στιγµή t = 10 min η ταχύτητα της αντίδρασης είναι µηδέν. ε) Η αντίδραση έχει απόδοση µικρότερη από 100% Παναγιώτης Αθανασόπουλος στ) Τη χρονική στιγµή t 1 η συγκέντρωση του Α είναι Προτείνετε µεθόδους για την παρακολούθηση της κινητικής καθεµιάς από τις παρακάτω αντιδράσεις: (α) Ba 3 N 2 (s) 3Ba(s) + N 2 (g) c 0. 3 (β) (CH 3 ) 3 SiCl + H 2 O (CH 3 ) 3 SiOH + HCl σε υδατικά διαλύµατα (α) Μέτρηση της πίεσης σε σύστηµα σταθερού όγκου (β) 1 ο Μέτρηση της αγωγιµότητας του διαλύµατος - Αγωγιµοµετρικά 2 ο Μέτρηση του ph Πεχαµετρικά. Ασκη σεις Η µέση ταχύτητα της αντίδρασης: Α + Β Γ κατά τα 4 πρώτα min από την έναρξή της είναι 0,3 mol / L min. Αν οι αρχικές συγκεντρώσεις των Α και Β ήταν αντίστοιχα 1,6 Μ και 2,2 Μ, να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις των Α, Β και Γ, 4 min µετά την έναρξη της αντίδρασης. 43 [ Απ. 0,4Μ, 1Μ, 1,2Μ ] Σε κλειστό δοχείο όγκου 4 L εισάγονται 0,8 mol ισοµοριακού µίγµατος δύο αερίων Α και Β οπότε γίνεται η αντίδραση Α + Β 2Γ. Μετά την πάροδο 2 min βρέθηκε ότι στο δοχείο έχουν αποµείνει 0,1 mol Β. Να βρεθούν: α) Η ταχύτητα για t=2 min. β) Ο συνολικός αριθµός mol των αερίων µετά την πάροδο 2 min. [ Απ. 0,0375 mol / L min, 0,8 mol ] Η µέση ταχύτητα της αντίδρασης: Α + 2Β 3Γ είναι 0,03 mol / L s. Ποια θα είναι η συγκέντρωση των Α, Β και Γ ύστερα από 20s από την έναρξη της αντίδρασης, αν είναι γνωστό ότι οι αρχικές συγκεντρώσεις των Α και Β είναι αντίστοιχα 2 και 4 mol / L. [ Απ. 1,4Μ, 2,8Μ, 1,8Μ ] Σε δοχείο µε όγκο 1,4 L εισάγονται 0,1 mol PCl 5 και η θερµοκρασία ανεβαίνει στους 127 C οπότε ο PCl5 αρχίζει να διασπάται αργά σύµφωνα µε την εξίσωση: PCl 5 PCl 3 + Cl 2 Στο τέλος των 2 min η ολική πίεση του µίγµατος των αερίων έγινε 3,28 atm. Να βρεθεί η ταχύτητα της αντίδρασης µετά το τέλος των 2 min. [ Απ. 0,0143 mol / L min ]

10 Χηµικός ιδάκτωρ Παν. Πατρών Σε δοχείο όγκου 1,2 L υπάρχουν 3 mol αερίου Α και 6 mol του αερίου Β τα οποία αντιδρούν σύµφωνα µε την εξίσωση: Α + 2B Γ. Μετά από 25s από την έναρξη της αντίδρασης σχηµατίστηκαν στο δοχείο 1,5 mol από το αέριο Γ. Να υπολογιστεί η µέση ταχύτητα της αντίδρασης. [ Απ. 0,05 mol / L s ] Σε δοχείο όγκου 2 L γίνεται η αντίδραση: Α + 3Β 2Γ Οι αρχικές συγκεντρώσεις των Α και Β είναι 0,4 mol / L και 1,2 mol / L αντίστοιχα. Αν µετά από χρόνο 10s από την έναρξη της αντίδρασης, αντέδρασαν 0,6 mol από το Β να βρεθούν: i. Οι συγκεντρώσεις όλων των συστατικών µετά από 10s από την έναρξη της αντίδρασης. ii. Η µέση ταχύτητα της αντίδρασης. [ Απ. i. 0,3 Μ, 0,9 Μ, 0,2 Μ ii. 0,01 mol / L sec ] Σε δοχείο όγκου 2L εισάγονται 0,5 mol αερίου Α και 0,6 mol αερίου Β, τα οποία αντιδρούν σύµφωνα µε τη χηµική εξίσωση: Α(g) + B(g) 2Γ(g) Μετά από 20s περιέχονται στο δοχείο 0,4 mol Γ. α) Να βρεθούν οι ποσότητες των αερίων Α, Β και Γ τη χρονική στιγµή t = 20s. β) Ποια είναι η µέση ταχύτητα της αντίδρασης για το χρονικό διάστηµα από 0 έως 20s; γ) Να γίνει η καµπύλη αντίδρασης για καθένα από τα αέρια Α, Β και Γ. [ Απ: α) 0,3-0,4-0,4 mol, β) M s -1 ] ιάλυµα N 2 O 5 σε διαλύτη CCl 4 έχει όγκο 5L και συγκέντρωση 0,5Μ. Όταν θερµανθεί το διάλυµα στους 500C, πραγµατοποιείται η αντίδραση: 2Ν 2 Ο 5 (διαλ) 4ΝΟ 2 (διαλ) + Ο 2 (g) Αν µετά την πάροδο 100s από την έναρξη της αντίδρασης έχουν παραχθεί 3,36L αερίου, µετρηµένα σε STP, να υπολογιστούν: α) η µέση ταχύτητα της αντίδρασης και η ταχύτητα κατανάλωσης του Ν 2 Ο 5 στο παραπάνω χρονικό διάστηµα, β) η σύσταση του διαλύµατος στο τέλος των πρώτων 100s. [ Απ: α) u = mol L -1 s -1 και u(no 2 ) = mol L -1 s -1, β) 2,2mol N 2 O 5-0,6molNO 2 ] Σε δοχείο εισάγονται τα αέρια Α και Β µε συγκεντρώσεις 1,5Μ και 1Μ αντίστοιχα, οπότε πραγµατοποιείται η αντίδραση: 2A(g) + B(g) 3Γ(g) Ο ρυθµός µεταβολής της συγκέντρωσης του προϊόντος Γ στη διάρκεια του πρώτου min είναι 0,01mol L -1 s -1. Να υπολογιστούν: α) οι ταχύτητες µε τις οποίες καταναλώνονται τα Α και Β στη διάρκεια του πρώτου min. β) οι συγκεντρώσεις όλων των αερίων στο τέλος του πρώτου min. [ Απ: α) u A =0,0067mol L -1 s -1 και u B = 0,0033mol L -1 s -1, β) C A =1,1M, C B =0,8M και C Γ =0,6M ] Η ταχύτητα µιας αντίδρασης διπλασιάζεται όταν η θερµοκρασία αυξάνεται κατά 100C. Έστω µια αντίδραση µε ταχύτητα u= mol L -1 s -1 στους 500 ο C. Αν η θερµοκρασία αυξηθεί στους θ 0 C, η ταχύτητα της αντίδρασης γίνεται u=0,08mol L-1 s-1. Να υπολογιστεί η θερµοκρασία θ 0 C. 44 [ Απ: θ = 900 o C ]

11 3-36. Σε κενό δοχείο όγκου 2L εισάγονται 1mol Α και 0,8mol B, οπότε πραγµατοποιείται η απλή αντίδραση: Α(g) + B(g) 2Γ(g) Η µέση ταχύτητα της αντίδρασης για τα πρώτα 100s από την έναρξη της αντίδρασης είναι =2 10 mol. α) Ποια είναι η συγκέντρωση του Γ, 100s µετά την έναρξη της β) Να υπολογίσετε τον λόγο της ταχύτητας της αντίδρασης τη χρονική στιγµή t =100s προς την αρχική ταχύτητα. Σε τι ποσοστό έχει µεταβληθεί η ταχύτητα της [ Απ: α) [ Γ ] = 0,4Μ και β) u ίδεται η αντίδραση σχηµατισµού του πεντοξειδίου του αζώτου: u 3 = 10. Ελαττώνεται κατά 70%.] Ποια είναι η σχέση µεταξύ των ταχυτήτων σχηµατισµού και κατανάλωσης των τριών σωµάτων της 45