Hemijska kinetika brzina reakcije

HEMIJSKA KINETIKA

• BRZINA REAKCIJE

• FAKTORI UTICAJA

• HEMIJSKA RAVNOTEŽA

HEMIJSKA KINETIKA

• Hemijska kinetika je deo hemije koji se bavi proučavanjem brzine odvijanja hemijskih reakcija.

• Proučava se:

• određivanje brzine hemijske reakcije

• uticaj pojedinih faktora na brzinu reakcije

• mehanizam odvijanja reakcije

DEFINICIJA BRZINE HEMIJSKE REAKCIJE

• Brzina hemijske reakcije je promena koncentracije reaktanata ili proizvoda reakcije u jedinici vremena.

Brzina hemijske reakcije

• Za hemijsku reakciju prikazanu opštom hemiskom jednačinom:

• X + 2 Y  3 Z

• Brzina reakcije se može izraziti kao:

ŠTA UTIČE NA BRZINU HEMIJSKE REAKCIJE?

• Priroda reaktanata i proizvoda reakcije

• Temperatura

• Koncentracija reaktanata

• Dodirna površina

• Prisustvo katalizatora

ODVIJANJE HEMIJSKE REAKCIJE TEORIJA SUDARA

• Kada se izmešaju reaktanti da bi došlo do hemijske reakcije to jest do nastajanja proizvoda reakcije potrebno je:

• Čestice reaktanata se moraju sudariti

• Čestice treba da imaju dovoljnu energiju

• Čestice treba da se sudare sa pogodnom orjentacijom

• Ispunjavanje ovih uslova dodvodi do efikasnog sudara.

TEORIJA SUDARA

• Cl + NOCl  NO + Cl2

ENERGIJA AKTIVACIJE

• Energija aktivacije, Ea, je minimalna energija potrebna za početak hemijske reakcije

• Energija potrebna za nastanak prelaznog stanja.

UTICAJ TEMPERATURE NA BRZINU HEMIJSKE REAKCIJE

• Sa porastom temperature raste i brzina hemijske reakcije

UTICAJ TEMPERATURE NA BRZINU HEMIJSKE REAKCIJE

• Sa porastom temperature znatno raste udeo molekula sa energijom koja je veća od Ea.

Sa porastom temperature brzina hemijske reakcije raste eksponencijalno

• Vant Hofovo pravilo: Pri porastu temperature za 10 o brzina hemijske reakcije se povećava 2 – 4 puta.

• Temperaturni koeficijent brzine hemijske reakcije je odnos konstante brzine na temperaturi t+10o prema konstanti brzine iste reakcije na temperaturi t.

Sa porastom temperature brzina hemijske reakcije raste eksponencijalno

• Temperaturni koeficijent brzine neke hemijske reakcije je γ = 2. Koliko će se povećati brzina reakcije ako se temperatra povisi za 100o.

Uticaj dodirne površine

• Ako se smanji veličina čestica reaktanata povećava se broj molekula na površini koji mogu reagovati.

• Zbog toga reakcija protiče brže.

Uticaj katalizatora

• Katalizatori su supstance čije prisustvo u reakcionoj smeši menja brzinu reakcije (najčešće povećavaju brzinu reakcije).

• Karakteristike delovanja katalizatora:

• Deluju u maloj količini

• Ne učestvuju u hemijskoj reakciji

• Ubrzavaju samo termodinamički moguće reakcije

• Specifičnost delovanja

• Ne utiču na položaj hemijske ravnoteže

Katalizatori

• Supstance koje se lako oksiduju i redukuju (NO)

• Voda

• H+ i OH- joni

• Metali posebno plemeniti (Ag, Au) i oni iz VIII grupe (Co, Fe, Ni...)

• Oksidi metala (Al2O3, V2O5, Fe2O3....)

Kataliza

• Proces u kome katalizatori deluju na brzinu hemijske reakcije naziva se kataliza.

• Postoji:

• HOMOGENA KATALIZA – reaktanti i katalizator čine jednu fazu (imaju isto agregatno stanje)

• HETEROGENA KATALIZA - reaktanti i katalizator su u različitim fazama

Mehanizam delovanja katalizatora

• Katalizatori snižavaju energiju aktivacije hemijske reakcije

• Sa sniženom Ea veliki broj molekula može efikasno reagovati dajući proizvode

UTICAJ KONCENTRACIJE REAKTANATA NA BRZINU HEMIJSKE REAKCIJE

• Povećanjem koncentracije reaktanata povećava se broj efikasnih sudara, pa je i brzina reakcije veća.

• Za razliku od uticaja temperature, brzina hemijske reakcije se povećava srazmerno povećanju koncentracije reaktanata.

Zakon o dejstvu masa

• Brzina hemijske reakcije srazmerna je proizvodu koncentracija reaktanata pri konstantnoj temperaturi.

• H2(g) + I2(g) → 2 HI(g)

• v = k ∙ [H2] ∙ [I2]

• k – konstanta brzine hemijske reakcije

• Konstanta brzine hemijske reakcije je brzina hem. reakcije pri jediničnim koncentracijama.

• kada je [H2] = [I2]=1 onda je v = k

Zakon o dejstvu masa

• U izraz za brzinu hemijske reakcije ulaze koncentracije samo onih komponenti čije se koncentracije mogu menjati, a to su gasovi i supstance u rastvoru.

• C(s) + O2(g) → CO2(g) v = k[O2]

• 2 SO2(g)+O2(g)2 SO3(g) v = [SO2]2 [O2]

Promena brzine hemijske reakcije sa vremenom

• Usled smanjenja koncentracije reaktanata u toku odvijanja hemijske reakcije (zbog nastajanja produkata) brzina hemijske reakcije opada sa protokom vremena.

HEMIJSKA RAVNOTEŽA Povratne i nepovratne hem. reakcije

• Hemijske rekacije ne teku uvek do kraja ( to jest do stanja da na kraju reakcije imamo samo produkte reakcije)

• Hemijske reakcije koje teku do kraja su nepovratne hem. reakcije

• Hemijske reakcije koje ne taku do kraja su povratne ili reverzibilne hem. reakcije

Povratne hemijske reakcije

• Povratne hemijske reakcije su takve reakcije gde se prevođenje reaktanata u proizvode reakcije i prevođenje produkata u reaktante dešava istovremeno i u jednom sudu.

• Napredna reakcija: 2 SO2(g) + O2(g)  2 SO3(g)

• Povratna rekacija: 2 SO3(g)  2 SO2(g) + O2(g)

• Zbirno: 2 SO2(g) + O2(g) ⇄ 2 SO3(g)

Hemijska ravnoteža

• Dinamičko stanje gde je brzina napredne reakcije jednaka brzini povratne reakcije

• U stanju ravnoteže prisutni su i reaktanti i produkti

• U stanju ravnoteže nema promene koncentracije niti reaktanata niti proizvoda reakcije

Hemijska ravnoteža

• H2(g) + I2(g) ⇄ 2 HI(g)

• V1= k1[H2][I2]

• V2=k2[HI]2

• Ravnoteža V1= V2

• k1[H2][I2] = k2[HI]2

Položaj ravnoteže

• Mada su u stanju ravnoteže brzine napredne i povratne reakcije jednake koncentracije komponenti sa obe strane ne moraju biti iste

Kako zapažamo postizanje stanja hemijske ravnoteže?

• U stanju hemijske ravnoteže prisutni su i reaktanti i proizvdi reakcije i njihova koncentracija se ne menja sa vremenom

• Isto stanje ravnoteže se postiže bez obzira da li se polazi od reaktanata ili proizvoda reakcije.

Konstanta ravnoteže

• Konstanta ravnoteže je odnos proizvoda koncentracija proizvoda reakcije i proizvoda koncentracija reaktanata.

• Konstantna je vrednost pri konstantnoj temperaturi

• Zavisi samo od temperature

Značenje konstante ravnoteže

• Konstanta ravnoteže izražava položaj ravnoteže u obliku numeričke vrednosti.

• Konstanta ravnoteže uvek ima oblik:

Činioci koji utiču na položaj hemijske ravnoteže

• Na položaj hemijske ravnoteže utiču:

• Promena koncentracije

• Promena temperature

• Promena pritiska

L Šateljeov princip

• Ako se nekom sistemu koji je u ravnoteži promeni neki od spoljašnjih faktora, sistem će da uspostavi novo stanje ravnoteže tako da se suprotstavi promeni.

Uticaj promene koncentracije reakcija: H2(g) + I2(g) ⇄ 2 HI(g)

Uticaj pritiska

• Uticaj promene pritiska na reakcije koje su u stanju hemijske ravnoteže svodi se na uticaj promene koncentracije.

• U pogledu uticaja pritiska imamo dve vrste reakcija:

• Reakcije kod kojih pritisak nema uticaja

• H2(g) + I2(g) ⇄ 2 HI(g)

• broj molekula je isti sa leve i desne strane strelica

• Reakcije kod kojih pritisak ima uticaja

• N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g)

• različit broj molekula sa leve i desne strane strelica

Uticaj promene temperature

• Prema L Šateljevom principu sniženje temperature (hlađenje) pomeraće ravnotežu u pravcu egzotermne reakcije

• Povišenje temperature (zagrevanje) pomera ravnotežu u pravcu endotermne reakcije.

Primena L Šateljeovog principa Haberova sinteza amonijaka

• N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g)

• Prinos amonijaka (% od teorijski mogućeg) u zavisnosti od pritiska i temperature u Haberovom procesu