Szybkość i rząd reakcji chemicznej Szybkość reakcji chemicznych dla substratów i produktów, Czynniki wpływające na szybkość reakcji, Stała szybkości reakcji chemicznych i reguła van`t Hoffa, Rząd reakcji chemicznych

Szybkość reakcji chemicznych Szybkość reakcji – zmniejszenie się stężenia molowego substratów lub przyrost stężenia molowego produktów reakcji w jednostce czasu (szybkość reakcji wyznacza się doświadczalnie przez pomiar zmian stężeń reagentów w czasie procesu) C v = ± CB „-” stężenie substratów CA „+” stężenie produktów t Zmiana stężeń substratu (CA) i produktu (CB) z upływem czasu dla reakcji A↔B

Szybkość reakcji chemicznych cd Szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia reagentów zgodnie z równaniem kinetycznym: Dla reakcji z jednym substratem AB  A + B ; v = k · C Dla reakcji między dwoma substratami A + B  C ; v = k · CA · CB (k – stała szybkości reakcji dla danej reakcji w określonej temperaturze)

Reguła van`t Hoffa Wartość stałej szybkości (k) zależy od rodzaju reakcji i temp. układu reagującego oraz obecności katalizatorów lub inhibitorów reakcji, natomiast jest nie zależna od stężenia substratów i produktów. Przy podwyższeniu o 10oC temp. układu reagującego stała szybkości reakcji wzrasta 2-4 krotnie, natomiast obniżenie temp. układu o 10oC powoduje zmniejszenie stałej szybkości w takiej samej proporcji (jt. współczynnik temperaturowy - γ) Powyższa zależność nie jest liniowa, wraz ze wzrostem temp. (głównie dla reakcji egzoenergetycznych) współczynnik temp. dąży do jedności, nie obowiązuje dla reakcji wybuchowych i reakcji przebiegających w obecności katalizatora stałego.

Przykładowe zadania Zad. 1 Stała szybkości rozkładu danego związku wynosi 8·10-4h-1 w temp. 363K, a 20·10-4h-1 w temp. 373K. Oblicz wartość temperaturowego współczynnika szybkości reakcji tego procesu. Rozwiązanie: Zad. 2 Jak zmieni się szybkość reakcji spalania chlorowodoru : 4HCl(g) + O2  2H2O(g) + 2Cl2 a równanie kinetyczne ma postać: v = k · [HCl] ·[O2] jeżeli stężenie chlorowodoru wzrośnie dwukrotnie a stężenie tlenu pozostaje bez zmian Rozwiązanie: dla v1: [HCl] = x, [O2] = x ; v1 = k x2 dla v2: [HCl] = 2x, [O2] = x; v2 = k 2x2 Odp. i v2 = 2v1, szybkość reakcji wzrośnie 2-krotnie

Przykładowe zadania cd Zad. 3 Dla reakcji opisanej równaniem: 2NO + H2  N2O + H2O, równanie kinetyczne ma postać: v = k[NO]2·[H2]. Podniesienie temp. o 10oC reakcji przebiegającej w fazie gazowej w warunkach standardowych (298K) powoduje 2-krotny wzrost szybkości reakcji. Oblicz, jak zmieni się szybkość reakcji, jeżeli temp. reakcji zostanie podniesiona z 298K do 318K oraz zostanie 2-krotnie podniesione stężenie NO, natomiast stężenie wodoru pozostanie bez zmian. Rozwiązanie: dla 298K; v1 = kx3 dla γ=2·2=4, [NO]=2x, v2= γ k·(2x)2·x = 16kx3 328K; Odp. v2 = 16v1, szybkość reakcji wzrośnie 16-krotnie

Wpływ czynników na szybkość reakcji Rodzaj reakcji i reagujących ze sobą substancji Stan rozdrobnienia substratów – wraz ze wzrostem rozdrobienia szybkość reakcji wzrasta, ponieważ powierzchnia kontaktu substratów się zwiększa. Stan skupienia – szybciej zachodzą reakcje jeżeli substraty są w tej samej fazie (w roztworze lub w fazie gazowej). Szybkość reakcja jest wprost proporcjonalna do stężeń substratów, w przypadku reakcji zachodzących w fazie gazowej ciśnień cząstkowych – parcjalnych substratów. Szybkość reakcja z reguły wzrasta wraz ze wzrostem temperatury (prawo van`t Hoffa). Obecność katalizatorów (ułatwiają rozpoczęcie reakcji przez obniżenie energii aktywacji) lub inhibitorów reakcji (utrudniają rozpoczęcie reakcji przez podniesienie energii aktywacji). Dla reakcji w roztworach wodnych – rodzaj rozpuszczalnika.

Rząd reakcji chemicznych Wartość rzędowości reakcji chemicznych informuje o stopniu złożoności procesu chemicznego, rząd może być sumą współczynników stechiometrycznych substratów reakcji jeżeli szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna potęg stężeń substratów, jednak nie muszą być one równe współczynnikom stechiometrycznym reakcji – wyznacza się je doświadczalnie. Rząd reakcji (n) oblicza się na podstawie równania kinetycznego reakcji chemicznej - jest sumą wykładni potęgowych stężeń molowych substratów reakcji, wartość rzędu reakcji nie musi być liczbą całkowitą. Przykłady; 2NO + H2  NO2 + H2O ; v = k[NO]2 · [H2]; n = 2 + 1 =3; 4HCl + O2  2H2O + 2Cl2; v = k[HCl] ·[O2]; n = 1 + 1 = 2; 2H+ + 2I- + H2O2  I2 + 2H2O; v = k[I-]·[H2O2]2; n = 1 + 2 = 3 CH3 – CHO  CH4 + CO; v = k[CH3-CHO](3/2 ) n =1,5