Cykle, rytm i czas Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych Procesy korozji materiałów Przemiany żywności Starzenie się skóry

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chem. Reakcje chemiczne (przemiany chemiczne) przebiegają z różną szybkością, ogólne można je podzielić na dwie grupy: reakcje przebiegające z dużą lub bardzo dużą szybkością, np.: spalanie wodoru: 2H2 + O2  2H2O spalanie metanu: CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O reakcja potasu z wodą: 2K + 2H2O  2KOH + H2 reakcje przebiegające powoli lub bardzo powoli, np.: erozja chemiczne skał (zjawisko krasu): CaCO3 + CO2 + H2O  Ca2+ + 2HCO3- korozja chemiczna metali: 4Fe + 3O2  2Fe2O3 4Al + 3O2  3Al2O3 fermentacja alkoholowa cukrów: C6H12O6  2 C2H5-OH + CO2 reakcja wapnia z wodą: Ca + 2H2O  Ca(OH)2 + H2

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych – rodzaj substratów Rodzaj reagujących substancji (substratów) – doświadczenie (reakcja potasu, sodu i wapnia z wodą) 2K + 2H2O  2KOH + H2 2Na + 2H2O  2NaOH + H2 Ca + 2H2O  Ca(OH)2 + H2 Szereg aktywności metali: - metale znajdujące się w szeregu aktywności przed wodorem wypierają wodór z kwasów litowce i magnezowce wypierają wodór również z wody) K > Na > > Ca > Mg > Al > Zn >Fe >Ni >Sn > Pb > H > Bi > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych – stopień rozdrobnienia substratów oraz stężenie substratów Doświadczenie: reakcja kwasu chlorowodorowego z granulatem i pyłem cynkowym Zn + 2HCl  ZnCl2 + H2 Obserwacje i wniosek: wraz ze wzrostem stopnia rozdrobnienia substratów szybkość reakcji wzrasta Doświadczenie: reakcja stężonego i rozcieńczonego kwasu chlorowodorowego granulatem cynku Obserwacje i wniosek: wraz ze wzrostem stężenia substratów szybkość reakcji wzrasta.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznych – temperatura Doświadczenie: reakcja żelaza z kwasem chlorowodorowym o różnej temperaturze Fe + 2HCl  FeCl2 + H2 Obserwacje i wniosek: wraz ze wzrostem temperatury reagentów szybkość reakcji wzrasta, zgodnie z regułą van`t Hoffa wzrost temp. o 10oC powoduje wzrost szybkości reakcji 2 – 4 krotnie

Katalizatory reakcji – katalizatory dodatnie Katalizatory (katalizatory dodatnie) i biokatalizatory (np. enzymy) – substancje, które dodane do mieszaniny reakcyjnej powodują wzrost szybkości reakcji, ich rola polega na obniżeniu energii aktywacji reakcji Katalizator bierze udział w reakcji, ale nie jest w niej zużywany, tj. w ostatnim etapie jest on odtwarzany: r. bez katalizatora: A + B  AB r. z katalizatorem : A + B + K  ABK  AB + K Przykłady: metale bloku d (Pt, Ni, Pd), tlenki metali, woda.

Inhibitory reakcji -katalizatory ujemne Inhibitory (katalizatory ujemne) – substancje, które dodane do mieszaniny reakcyjnej powodują zmniejszenie szybkości reakcji, ich rola polega na podwyższeniu energii aktywacji Inhibitor bierze udział w reakcji, ale nie jest w niej zużywany, tj. w ostatnim etapie jest on odtwarzany Przykłady: dodatki do żywności (konserwanty), substancje opóźniające korozję metali, utlenianie olejów i smarów oraz innych substancji wrażliwych na działanie tlenu i światła

Korozja Korozja (mechaniczna, chemiczna, biologiczna) – proces niszczenia danego materiału lub tworzywa (szczególnie metali i ich stopów) pod wpływem czynników środowiska. Metale i ich stopy narażone są na działanie następujących czynników środowiska wchodzących w skład powietrza atmosferycznego: NO, NO2, SO2, H2S, O2, O3, H2O, HCl, Cl2, CO2, gazy spalinowe.

Korozja chemiczna Korozja chemiczna – zachodzi z reguły w środowisku suchym (bez dostępu wody w niej rozpuszczonych elektrolitów) i bez przepływu prądu elektrycznego. 2Fe + O2  2FeO; 4FeO + O2  2Fe2O3 4Al + 3O2  2Al2O3 Cu + S  CuS 2Ag + S  Ag2S CaCO3 + CO2 + H2O  Ca2+ + 2HCO3-

Korozja elektrochemiczna żelaza Węglowe elektrody w ogniwie pełnią rolę obojętnej fazy metalicznej w tlenowym półogniwie redox Żelazo w mikoroogniwie jest zawsze anodą (elektrodą ujemną) natomiast grafit lub cementyt, które mają wyższe potencjał niż żelazo są katodami (elektrodami dodatnimi) Na A (-):Fe - utlenieniu ulega Fe: (-)M1: Fe  Fe2+ + 2e- Na K (+):C/Fe3C - redukcji ulega tlen rozpuszczony w wodzie: (+)M2: 2H2O + O2 + 4e-  4OH- Sumarycznie: 2Fe + 2H2O + O2  2Fe(OH)2 Powstający początkowo wodorotlenek żelaza(II) ulega utlenieniu pod wpływem tlenu atmosferycznego: 4Fe(OH)2 + O2  2Fe2O3·H2O + 2H2O

Korozja elektrochemiczna żelaza Schemat korozji

Wpływ czynników na szybkość korozji Korozja stali przebiega szybciej w roztworach o odczynie kwasowym a wolniej w roztworach o odczynie zasadowym (kwaśne deszcze przyspieszają korodowanie konstrukcji stalowych, odczyn zasadowy płynów chłodnicowych spowalnia procesy korozji) Korozja szybciej przebiega w roztworach soli (solanka stosowna od odśnieżania i odladzania dróg przyspiesz korowanie pojazdów) , wolnej przebiega w wodzie destylowanej Procesy korozji elektrochemicznej i chemicznej przebiegają równocześnie, a zmiany szybkości korozji chemicznej można przewidzieć na podstawie reguły Le Chateliera i zapisu równowagi procesu korozji chemicznej: 2Fe + O2 + 2H2O ↔ 2Fe2+ + 4OH- ↔ 2Fe(OH)2↓ Czynnikami przyspieszającymi korozję chemiczne są: Wzrost stężenia tlenu (przesunięcie w prawo) Wzrost ilości wody (przesunięcie w prawo) Obniżenie stężenia (OH-) prze wprowadzenie kationów H+ (przesunięcie w prawo)

Metody ochrony przed korozją Izolacja wyrobów od elektrolitu i dostępu tlenu oraz wody: smary, oleje (głównie na powierzchniach trących) powłoki malarskie, powlekanie PCV, PE, emaliowanie (powlekanie spiekanymi minerałami: SiO2, CaCO3, glinki oraz topniki – powstaje powierzchnia odporna na czynniki chemiczne z wyjątkiem kwasu HF i stężonego H3PO4). Pokrywanie powierzchni (galwanizacja) metalu cienką warstwą innego metalu (cynkowanie, miedziowanie, niklowanie, chromowanie, srebrzenie, złocenie) powłoki metaliczne pełnią dwojaką funkcje: izolacyjne oraz dwa rodzaje procesów elektrochemicznych.

Powlekanie matali wyrobów ze stali Metal powlekający o potencjale niższym od potencjału żelaza – staje się anodą (-), w przypadku uszkodzenia powłoki ulega utlenieniu, natomiast wyrób stalowy staje się katodą (+), co zapobiega utlenieniu żelaza.

Powlekanie matali wyrobów ze stali Metal powlekający o potencjale wyższym od potencjału żelaza – staje się katodą (+), w przypadku uszkodzenia powłoki wyrób stalowy staje się anodą (-) i ulega stopniowej korozji – roztworzeniu (utlenienia) żelaza. H2O O2 O2 2H2O + O2 + 4e-  4OH- Ni (+) 2e- Fe Fe (-) 2Fe2+ + 4OH-  [2Fe(OH)2]·2 + O2  2Fe2O3·H2O + 2H2O Fe 2e-

Ochrona katodowa Ochrona katodowa – polega na połączeniu chronionego metalu z ujemnym biegunem prądu stałego i niskim napięciu, natomiast biegun dodatni jest połączony z płytą grafitową lub złomem żelaza umieszczonym w pobliżu konstrukcji stalowej - + K A

Ochrona protektorowa Ochrona protektorowa – polega na połączeniu konstrukcji stalowej z stosunkowo dużą płytą metalu o niższym potencjale niż żelazo (najczęściej montuje na rurociągach lub kadłubach statków płyty magnezowe). Metal o niższym potencjale pełni rolę anody i ulega stopniowemu roztworzeniu, a konstrukcja stalowa stanowi katodę i nie ulega utlenieniu. Płyty magnezowe muszą być ciągle uzupełniane. Rurociąg stalowy (+) Płyty magnezu (-)

Oksydowanie i inhibitory Oksydowanie – polega na wytworzeniu na powierzchni chronionego metalu szczelnej i zwartej powłoki tlenków tych metali (metoda stosowana przy produkcji broni palnej) W warunkach domowych wyroby stalowe można oksydować przez gotowanie ich w stężonym roztworze NaNO2 z dodatkiem NaOH Inhibitory – związki obniżające szybkość reakcji chemicznych, po wprowadzeniu ich do elektrolitu, w którym zanurzony jest chroniony wyrób metalowy opóźniają proces utlenienia poprzez absorbowanie się na powierzchni metalu i izolowanie dostępu do niego czynników korodotwórczych.

Przemiany żywności Fermentacja – reakcja rozkładu określonych związków organicznych pod wpływem enzymów (biokatalizatorów) wytwarzanych przez drobnoustroje (bakterie, drożdże) Fermentacja alkoholowa: C6H12O6  2C2H5OH + 2CO2 (etanol) Fermentacja octowa: C2H5OH + O2  CH3COOH + H2O (kwas octowy) Fermentacja mlekowa: C6H12O6  2CH3CH(OH)COOH (kwas mlekowy) Fermentacja masłowa: C6H12O6  C3H7COOH + 2H2 + 2CO2 (kwas masłowy)

Konserwanty, antyutleniacze i regulatory kwasowości Antyutleniacze (antyoksdanty) – substancje spowalniające procesy utleniania (E300-E399): witamina C i E Regulatory kwasowości – substancje utrzymujące właściwy odczyn (pH): sole kwasu mlekowego, cytrynowego, ortofosforowego(V) Konserwanty – substancje zapobiegające rozwojowi mikroorganizmów (E200 – E299): sole kwasu azotowego(III), siarkowego(IV), mrówkowego, octowego, propionowego

Starzenie się skóry Naturalny proces biologiczny wynikający z obniżonej aktywności komórek skóry a tym samym zdolności regeneracyjnych, proces ten uwarunkowany jest biologiczne i przez czynniki środowiska: czynniki zewnętrzne: promieniowanie jonizujące i uv : 5% - promieniowanie uvb: opalanie skóry i poparzenia, 95% uva: wnikają głęboko w skórę odpowiedzialne są za powstawanie wolnych rodników i starzenie się skóry skażenia biologiczne i chemiczne (spaliny, ozon, palenie papierosów) czynniki wewnętrzne: zaburzenia hormonalne, przebyte choroby, brak witamin, nieprawidłowe odżywianie się

Wolne rodniki (*R) Rodnik – atom lub grupa atomów zawierająca niesparowany elektron lub elektrony: *CH3, *O*, *Cl, *NO, *NO2 Rodniki są bardzo aktywne chemicznie, np. rodnik tlenowy powstający w trakcie oddychania komórkowego powoduje utlenianie białek, kwasów nukleinowych, tłuszczów i cukrów w komórkach, w/w procesy przyczyniają się do powstania kolejnych rodników i degradacji w/w związków organicznych

Kosmetyki regenerujące skórę Działanie kosmetyków : wnikanie w głębsze warstwy skóry, regeneracja komórek, ich odżywianie i ochrona przed czynnikami wewnętrznymi i zewnętrznymi: Składniki kosmetyków i ich działanie: witamina A: wzmaganie procesów regeneracyjnych, filtry ochronne uva i uvb hydroksykwasy: HO – R – COOH, wzmaganie procesów regeneracyjnych antyoksydanty: witamina A i E, wzmaganie procesów ochronnych przed wolnymi rodnikami i regeneracyjnych, substancje hormonopochodne: spowalnianie powstawania zmarszczek kwas hialuronowy: silne działanie nawilżające

Aminokwasy i witaminy w kosmetykach Alfa – aminokwasy R – CαH(NH2) – COOH: dwufunkcyjne pochodne węglowodorów, zwierają grupę aminową (- NH2) i grupę karboksylową (- COOH) połączone z węglem α, Mają one zdolność polikondensacji, produktem tej reakcji są peptydy i białka. Cystyna, cysteina, metionina - odżywanie, regenerowanie i wzmacnianie włosów (w cząsteczce zawierają siarkę). Glicyna – działanie przeciwłupieżowe. Kwas asparaginowy i kwas glutaminowy – regulują odczyn (pH) skóry, (w cząsteczce zawierają dwie grupy – COOH) Treonina – reguluje złuszczanie zrogowaciałego naskórka Witaminy: A – jej działanie jest skuteczne po wniknięciu w głąb skóry, pod wpływem światła i powietrza ulega rozkładowi, C - działanie jest skuteczne przy stężeniu powyżej 10% w kosmetyku.