σημειώσεις χημικής κινητικής (μέρος Α)

Transcript

1 Τάξη Γ λυκείου χημεία θετικού προσανατολισμού σημειώσεις χημικής κινητικής (μέρος Α) Ν + Ν Ν + Ν + Ν Ν + Επιμέλεια: Διογένη Κοσμόπουλου

2

3 .. Αντικείμενο της χημικής κινητικής.. Χημική κινητική Η χημική αντίδραση είναι η πέμπτη ουσία της χημείας, και η χημική της εξίσωση παρέχει ποιοτικές και ποσοτικές πληροφορίες για τα αντιδρώντα και τα προϊόντα της αντίδρασης. Η χημική εξίσωση παρέχει επίσης πληροφορίες για τις οι ενεργειακές μεταβολές π.χ. μεταβολή ενθαλπίας. Συχνά η εξίσωση μπορεί να δώσει πληροφορίες για της συνθήκες της αντίδρασης όπως η θερμοκρασία ή οι καταλύτες, που συνήθως αναγράφονται στο βέλος της εξίσωσης. Η χημική εξίσωση όμως, δεν παρέχει καμία πληροφορία για το τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια της αντίδρασης, ούτε μας πληροφορεί για τον χρόνο που απαιτείται για να γίνει η αντίδραση. Στα παραπάνω (και όχι μόνο) δίνει απαντήσεις η χημική κινητική. Ειδικότερα : Μελετά την χημική αντίδραση σε μοριακό επίπεδο. Υπολογίζει τους ρυθμούς μεταβολής των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων και προϊόντων και την ταχύτητα της αντίδρασης. Εξετάζει τους παράγοντες από τους οποίους εξαρτάται η ταχύτητα της αντίδρασης. Μελετά τον μηχανισμό (ενδιάμεσα στάδια) της αντίδρασης... H χημική αντίδραση σε μοριακό επίπεδο Θεωρία των κρούσεων (Arrhenius 889) Για να γίνει μια χημική αντίδραση, απαραίτητη προϋπόθεση (σε μοριακή-ιοντική κλίμακα) είναι να συγκρουστούν τα προς αντίδραση σωματίδια ώστε να σπάσουν δεσμοί στα αντιδρώντασωματίδια και στη συνέχεα να δημιουργηθούν νέοι δεσμοί που θα σχηματίσουν τα προϊόντα- σωματίδια. Κάθε σύγκρουση όμως δεν είναι αποτελεσματική δηλαδή δεν οδηγεί σε αντίδραση. Μόνο ένα πολύ μικρό ποσοστό (/0 8 ) των συγκρούσεων χαρακτηρίζονται ως αποτελεσματικές συγκρούσεις. Σύμφωνα με την θεωρία των κρούσεων, για να χαρακτηριστεί μία σύγκρουση ως αποτελεσματική θα πρέπει τα αντιδρώντα σωματίδια να έχουν: α. Κατάλληλη κινητική ενέργεια και β. Σωστό προσανατολισμό. Ας θεωρήσουμε ως παράδειγμα την αντίδραση του όζοντος με το μονοξείδιο του αζώτου που αποδίδεται από την εξίσωση: N(g) (g) N(g) (g), ΔΗ<0 Τα μόρια Ν και ₃ που πρέπει να έχουν κατά την σύγκρουση κατάλληλη κινητική ενέργεια για να είναι η σύγκρουση αποτελεσματική. Η ελάχιστη απαιτούμενη τιμή ενέργειας, ονομάστηκε ενέργεια ενεργοποίησης (Εa). Σωστός προσανατολισμός N N Ταυτόχρονα πρέπει τα μόρια Ν + N + και ₃ να έχουν κατά την σύγκρουση και σωστό προσανατολισμό, ώστε να μπορέσουν με την διάσπαση των Λάθος προσανατολισμοί δεσμών να δημιουργήσουν ταυτόχρονα τους νέους κατάλληλους δε- N + N + N σμούς ώστε να προκύψουν τα επιθυ- μητά προϊόντα. λάθος προσανατολισμός χαρακτηρίζει την σύγκρουση ως μη αποτελεσματική. N + N N + N N N + +

4 Σημειώσεις Χημικής κινητικής Α Σύμφωνα με τα παραπάνω η ταχύτητα αντίδρασης καθορίζεται από τη συχνότητα των αποτελεσματικών συγκρούσεων. Αυτή η συχνότητα είναι ανάλογη με δύο παράγοντες: ος τη συχνότητα των συνολικών συγκρούσεων. ος το ποσοστό των μορίων των αντιδρώντων που έχουν κινητική ενέργεια(εκιν) μεγαλύτερη ή ίση από την ενέργεια ενεργοποίησης (Εa). Και οι δύο παράγοντες αυξάνονται αυξανομένης της θερμοκρασίας. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας κατά π.χ. 0 ⁰C διπλασιάζει την ταχύτητα της αντίδρασης δηλαδή αυξάνει κατά 00% τη συχνότητα των συχνότητα των αποτελεσματικών συγκρούσεων. Όμως η επίδραση της θερμοκρασίας στον ο παράγοντα είναι πολύ μεγαλύτερη από ότι στον ο παράγοντα. Υπολογίστηκε ότι η επιφερόμενη αύξηση οφείλεται κατά 97-98% στην αύξηση του ποσοστού των μορίων που έχουν Εκιν Εa και μόλις κατά -% στην αύξηση της συχνότητας των συνολικών στην αύξηση της συχνότητας των συνολικών συγκρούσεων. Θεωρία μεταβατικής κατάστασης - ενεργοποιημένο σύμπλοκο. Σύμφωνα με άλλες αντιλήψεις που επικεντρώνονται περισσότερο στον μηχανισμό της αντίδρασης, για να είναι μια σύγκρουση αποτελεσματική θα πρέπει να σχηματιστεί κατά την σύγκρουση ένα ενδιάμεσο (μεταβατικό) ασταθές προϊόν. Το προϊόν αυτό απορροφά ενέργεια ίση με την ενέργεια ενεργοποίησης και ονομάζεται ενεργοποιημένο σύμπλοκο. Στο διπλανό σχήμα φαίνεται η μεταβολή της ενέργειας του συστήματος κατά την πορεία της αντίδρασης. Παρατηρείστε ότι, επειδή η δεδομένη αντίδραση είναι εξώθερμη, η Εa που απορροφήθηκε από το ενεργοποιημένο σύμπλοκο αποδίδεται στη συνέχεια στο περιβάλλον κατά τον σχηματισμό των τελικών προϊόντων. ενέργεια ενεργοποιημένο σύμπλοκο N αντιδρώντα N Ea ΔΕ μεταβατική κατάσταση N προϊόντα πορεία αντίδρασης.. Κινητική μελέτη μιας αντίδρασης.... Καμπύλες αντίδρασης (κ.α.) Για την κινητική μελέτη μιας αντίδρασης, απαραίτητη είναι η μέτρηση της συγκέντρωσης ενός τουλάχιστον προϊόντος ή αντιδρώντος σε διάφορες χρονικές στιγμές και η κατασκευή του διαγράμματος C=f(t) που ονομάζεται καμπύλη αντίδρασης (κ.α.). Ας δούμε μερικά παραδείγματα καμπύλων αντίδρασης. ος παράγοντας και είναι ανάλογος της T, ενώ ο ος παράγοντας εξαρτάται εκθετικά από τη θερμοκρα- Eα - σία και είναι ανάλογος της ποσότητα e R Τ (από εξίσωση Arrhenius). Η μέτρηση της συγκέντρωσης μιας ουσίας είναι δυνατόν να αυτοματοποιηθεί με την μέτρηση μιας φυσικής ιδιότητας που σχετίζεται άμεσα με την συγκέντρωση ενός αντιδρώντος ή προϊόντος. ι φυσικές ιδιότητες που μετρούμε είναι, ο όγκος, η αγωγιμότητα, το PH, η απορρόφηση ακτινοβολίας, η πίεση κ.α. Έτσι ταυτόχρονα με την εξέλιξη της αντίδρασης μπορεί να έχουμε και την καμπύλη αντίδρασης.

5 Επιμέλεια: Διογένη Κοσμόπουλου Παράδειγμα ο : Θεωρούμε την αντίδραση με εξίσωση: A (g) (g). Αν η αρχική συγκέντρωση του Α είναι C A=M οι καμπύλες αντίδρασης των Α και Β θα είναι όπως στο διπλανό διάγραμμα. Παρατηρούμε ότι : B Η κ.α. του Β, επειδή είναι προϊόν, είναι αύξουσα ενώ η κ.α. του Α είναι φθίνουσα, επειδή είναι αντιδρών. A ι απόλυτες μεταβολές των C Α και C Β (στον ίδιο χρόνο) είναι ανάλογες των συντελεστών: ΔCA Δn A ΔCB Δn B. Παράδειγμα ο : Θεωρούμε την αντίδραση με εξίσωση: N H NH. (g) (g) (g) Στο διπλανό διάγραμμα δίνονται οι καμπύλες αντίδρασης των Ν₂,Η₂ και ΝΗ₃. Παρατηρούμε ότι : Η κ.π της ΝΗ₃ είναι αύξουσα εφ όσον είναι προϊόν, ενώ οι κ.α. των Ν₂ και Η₂ είναι φθίνουσες αφού είναι αντιδρώντα. Το Ν₂ είναι σε περίσσεια αφού τελικά δεν μηδενίζεται. Και στο παράδειγμα αυτό οι απόλυτες μεταβολές των (στον ίδιο χρόνο) είναι ανάλογες των συντελεστών:. ΔCN ΔCH ΔCNH 6 5 N NH H Παράδειγμα ο (ως άσκηση) Θεωρούμε την αντίδραση με εξίσωση: A B (g) (g) (g). Στο διπλανό διάγραμμα δίνονται καμπύλες αντίδρασης δύο ουσιών από τις Α, Β και Γ που συμμετέχουν στην αντίδραση.. Σε ποια ουσία αντιστοιχούν οι δύο κ.α. ;. Σχεδιάστε την κ.α. της τρίτης ουσίας. Απάντηση: 6 5 () (),5. Η κ.α. () αντιστοιχεί σε προϊόν αφού είναι αύξουσα ενώ η κ.α. () αντιστοιχεί σε αντιδρών αφού είναι φθίνουσα. Άρα η () αντιστοιχεί στο προϊόν Γ ενώ η () αντιστοιχεί στην ουσία Α, αφού γι αυτήν οι απόλυτες μεταβολές των συγκεντρώσεων των Α, Γ είναι ανάλογες των συντελεστών τους.. Η κ.α. της τρίτης ουσίας Β θα είναι αυτή στο διπλανό σχήμα αφού πρέπει να έχει τα παρακάτω χαρακτηριστικά : 6 Θα είναι φθίνουσα αφού το Β είναι αντιδρών. 5 ( A ),5 Η C Β τελικά θα μηδενίζεται αφού σε περίσσεια είναι ουσία Α. Θα έχει μεταβολή συγκέντρωσης ΔC =Μ αφού ( Γ ) πρέπει να ισούται με την μεταβολή της C Γ λόγω ί- διων συντελεστών. (B)

6 Σημειώσεις Χημικής κινητικής Α... Ρυθμοί μεταβολής συγκέντρωσης. μέσος ρυθμός μεταβολής συγκέντρωσης ενός αντιδρώντος ή προϊόντος, αναφέρετε σε μια συγκεκριμένη χρονική διάρκεια Δt και αποδίδεται από την μεταβολή της συγκέντρωσης ΔC προς τον αντίστοιχο χρόνο Δt. π.χ. για την (ομογενή) αντίδραση, για τα Α και Β και για την χρονική διάρκεια Δt οι ρυθμοί μεταβολής της συγκέντρωσης είναι: ΔC ΔC Για το ₃ υ =, για το ₂ υ =. Δt Δt Δt Δt ΔC ΔC ΔC Όμως για την ίδια περίοδο Δt, ισχύει =- ΔC υ = - υ Είναι σημαντικό να γίνει κατανοητό ότι, οι ρυθμοί κατανάλωσης των αντιδρώντων αλλά και οι ρυθμοί παραγωγής των προϊόντων δεν είναι σταθεροί αλλά συνεχώς μειώνονται. Στην αρχή της αντίδρασης είναι μέγιστοι και τελικά μηδενίζονται όταν καταναλωθεί όλη η ποσότητα ενός τουλάχιστον από τα αντιδρώντα και σταθεροποιηθεί η συγκέντρωση των προϊόντων. Γι αυτό επιβάλλεται ο ορισμός του στιγμιαίου ρυθμού μεταβολής συγκέντρωσης, που αναφέρεται σε μια χρονική στιγμή t. Ετσι για την προηγούμενη αντίδραση, κάθε χρονική στιγμή, έχουμε: dc dc Για το ₃ υ =, για το ₂ υ = dt dt ι στιγμιαίοι ρυθμοί μεταβολής συγκέντρωσης εκφράζονται από την κλίση (εφθ) της καμπύλης αντίδρασης σε δεδομένη χρονική στιγμή. Μ B Κ θ Λ υ dc = dt MΛ = εφθ = ΚΛ θ Κ φ υ M dc = dt MΛ εφθ = -εφφ = - ΚΛ t t Λ θ θ τ =0 Στο διπλανό σήμα φαίνεται πράγματι ότι η κλίση σε κάθε καμπύλη αντίδρασης συνεχώς μειώνεται και τελικά μηδενίζεται. θ t <t εφθ > εφθ υ > υ t t Υπάρχουν λίγες εξαιρέσεις όπως η περίπτωση αυτοκατάλυσης.

7 Επιμέλεια: Διογένη Κοσμόπουλου 5... Ταχύτητα αντίδρασης. Η μέση ταχύτητα μιας αντίδρασης (υ) με εξίσωση: αa+ββ γγ+δδ, για συγκεκριμένη χρονική διάρκεια Δt, ορίζεται ως: ΔC ΔC ΔC ΔC α Δt β Δt γ Δt δ Δt Α Β Γ Γ υ = - = - = = ή = - Α = - = = α β γ δ υ υ υ υ υ ΔC ΔC π.χ. για την αντίδραση A : = - = υ - υα= υβ Δt Δt Με ανάλογο τρόπο ορίζεται η στιγμιαία ταχύτητα (υ) μιας αντίδρασης με εξίσωση: αa+ββ γγ+δδ, για συγκεκριμένη χρονική στιγμή t: dc dc dc dc α dt β dt γ dt δ dt Α Β Γ Γ υ = - = - = = ή = - Α = - = = α β γ δ υ υ υ υ υ υα υ υb υ υγ υ υδ υ. ι ρυθμοί μεταβολής της συγκέντρωσης των ουσιών που συμμετέχουν στην αντίδραση σε συνάρτηση με την ταχύτητα είναι : =-α, = -β, = γ, = δ Και μια εφαρμογή για σας: Για την αντίδραση: +Ν Ν δίνεται η καμπύλη αντίδρασης μιας από τις ουσίες που συμμετέχουν στην αντίδραση, όπως στο διπλανό σχήμα. Να υπολογιστούν: α. ι (μέσοι) ρυθμοί μεταβολής των συγκεντρώσεων των ₂, Ν, και Ν₂ και η (μέση) ταχύτητα της αντίδρασης τις περιόδους: 0min-5min και 5min-9min. β. ι (στιγμιαίοι) ρυθμοί μεταβολής των συγκεντρώσεων των ₂, Ν, και Ν₂ και η (στιγμιαία) ταχύτητα της αντίδρασης τις στιγμές: 0min και 5min 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0, 0, 0, 0, t(min) diogeniskos@gmail.com

8 6 Σημειώσεις Χημικής κινητικής Α Ερωτήσεις Θεωρίας Τι είναι η ενέργεια ενεργοποιήσης και πως σχετίζεται με την ταχύτητα της αντίδρασης; Ποιές προϋποθέσεις πρέπει να υπάρχουν για να είναι μια σύγκρουση αποτελεσματική; Πότε μια σύγκρουση μεταξύ δύο μορίων χαρακτηρίζεται ως αποτελεσματική και με ποια προϋπόθεση συμβαίνει αυτό; Πως υπλογίζεται ο ρυθμός μεταβολής συγκέντρωσης ενός αντιδρώντος ή προϊόντος μιας αντίδρασης με εξίσωση: αα + ββ γγ + δδ ; 5 Πως ορίζεται η ταχύτητα μιας αντίδρασης με εξίσωση : αα + ββ γγ + δδ ; Με ποιά μονάδα μετράμε συνήθως την ταχύτητα μιας αντίδρασης; 6 Τοποθετείστε αρχικά συντελεστές στην εξίσωση της αντίδρασης : C (g) + H₂ (g) CH₃H (g). Στη συνέχεια γράψτε όλες τις σχέσεις υπολογισμού της της ταχύτητας της αντίδρασης: 7 Η ταχύτητα μιας αντίδρασης μπορεί να μετρηθεί πειραματικά με φυσικές και χημικές μεθόδους. Πως γίνεται ο πειραματικός υπολογισμός της ταχύτητας με κάθε μια από τις μεθόδους αυτές; Ποια μέθοδος πλεονεκτεί και γιατί; 8 Εισάγουμε μια ποσότητα στερεού CaC με τη μορφή σκόνης σε κενό δοχείο σταθερού όγκου. Ανεβάζουμε τη θερμοκρασία στους 550 C, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση με εξίσωση: CaC ( s ) Ca ( s ) + C ( g ) κατά τη διάρκεια της οποίας φροντίζουμε να διατηρούμε σταθερή τη θερμοκρασία. Να προτείνετε ένα πειραματικό τρόπο με τον οποίο μπορούμε να μετρήσουμε της ταχύτητα της παραπάνω αντίδρασης. 9 Πολλές χημικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται σε υδατικά διαλύματα. Να αναφέρετε τρεις ιδιότητες των διαλυμάτων, η μέτρηση των οποίων μας επιτρέπει να παρακολουθούμε το ρυθμό με τον οποίο εξελίσσονται σ αυτά οι χημικές αντιδράσεις. Ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 0 Το αντικείμενο μελέτης της χημικής κινητικής είναι: οι ταχύτητες των χημικών αντιδράσεων οι παράγοντες που επηρεάζουν τις ταχύτητες των χημικών αντιδράσεων οι μηχανισμοί με τους οποίους πραγματοποιούνται οι χημικές αντιδράσεις. όλα τα παραπάνω. Δεν αποτελεί αντικείμενο της χημικής κινητικής: η μέτρηση της ταχύτητας μιας χημικής αντίδρασης η εύρεση των ταχυτήτων με τις οποίες κινούνται τα μόρια των αντιδρώντων η μελέτη των παραγόντων που μεταβάλλουν την ταχύτητα μιας αντίδρασης ο τρόπος μετάβασης ενός χημικού συστήματος από την αρχική στην τελική κατάσταση. Από τις προτάσεις A και B που ακολουθούν : A. Τα αντιδρώντα μόρια πρέπει να έχουν το σωστό προσανατολισμό στο χώρο ώστε η συγκρουση να μπορεί να οδηγήσει σε πραγματοποίηση της αντίδρασης. B. Μόνο οι συγκρούσεις με ενέργεια μεγαλύτερη ή ίση της ενέργειας ενεργοποίησης μπορούν να οδηγήσουν σε αντίδραση. Σωστή είναι μόνο η πρόταση A iii. Σωστή είναι μόνο η πρόταση B Και οι δύο προτάσεις είναι σωστές iv. Καμία από τις προτάσεις δεν είναι σωστή

9 Επιμέλεια: Διογένη Κοσμόπουλου 7 Η ενέργεια του ενεργοποιημένου συμπλόκου σε σχέση με την ενέργεια των αντιδρώντων και των προϊόντων μιας αντίδρασης; Είναι μικρότερη από την ενέργεια τόσο των αντιδρώντων όσο και των προϊόντων Είναι μικρότερη από την ενέργεια των αντιδρώντων αλλά μεγαλύτερη από την ενέργεια των προϊόντων Είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια των αντιδρώντων αλλά μικρότερη από την ενέργεια των προϊόντων Είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια τόσο των αντιδρώντων όσο και των προϊόντων Στο διπλανό διάγραμμα παριστάνονται οι ενεργειακές μεταβολές κατάτην μετατροπή των αντιδρώντων σε προϊόντα, για την αντίδραση: Α + Β Γ + Δ. Με βάση το παραπάνω ενεργειακό διάγραμμα, από τις προτάσεις που ακολουθούν σωστή είναι; Η αντίδραση Α + Β Γ + Δ είναι ενδόθερμη, άρα ισχύει: Η αντιδρώντων > Η προϊόντων Η αντίδραση Α + Β Γ + Δ είναι εξώθερμη, άρα ισχύει: Η αντιδρώντων < Η προϊόντων Η ενέργεια ενεργοποίησης (Εa) της αντίδρασης, Α + Β Γ + Δ είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης, Γ + Δ Α + Β Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης εκλύεται θερμότητα προς το περιβάλλον 5 Μια σύγκρουση μεταξύ των μορίων ενός μίγματος των αερίων Α₂ (g) και Β₂ (g) δεν είναι αποτελεσματική διότι: τα συστατικά του μείγματος δεν αντιδρούν μεταξύ τους η σύγκρουση αυτή μπορεί να πραγματοποιείται μεταξύ μορίων της ίδιας χημικής ουσίας τα μόρια που συγκρούονται δεν έχουν την απαιτούμενη ενέργεια για έναν ή και περισσότερους από τους παραπάνω λόγους 6 Η ενέργεια ενεργοποίησης (Εa): εμφανίζεται τόσο στις ενδόθερμες όσο και στις εξώθερμες αντιδράσεις εμφανίζεται μόνο στις ενδόθερμες αντιδράσεις είναι θετική στις ενδόθερμες αντιδράσεις και αρνητική στις εξώθερμες είναι αρνητική στις ενδόθερμες αντιδράσεις και θετική στις εξώθερμες 7 Στην αντίδραση Α + Β Γ που πραγματοποιείται σε υδατικό διάλυμα η ουσία Γ είναι ηλεκτρολύτης, ενώ οι ουσίες Α και Β δεν δίνουν ιόντα. Για να προσδιορίσουμε τη συγκέντρωση του Γ κάποια χρονική στιγμή t μπορούμε να μετρήσουμε την ηλεκτρική αγωγιμότητα: του διαλύματος τη χρονική στιγμή t₁ του σώματος Γ, αφού το απομονώσουμε κατάλληλα του διαλύματος όταν ολοκληρωθεί η αντίδραση οποιασδήποτε από τις ουσίες Α, Β και Γ τη χρονική στιγμή t. 8 H ταχύτητα της αντίδρασης Α + Β Γ, εκφράζει: το ρυθμό με τον οποίο αυξάνεται η μάζα του Γ το ρυθμό με τον οποίο αυξάνεται το πλήθος των mol του Γ το πηλίκο της μεταβολής των mol ενός αντιδρώντος ή προϊόντος προς τον αντίστοιχο χρόνο την απόλυτη τιμή του ρυθμού μεταβολής της συγκέντρωσης ενός αντιδρώντος ή προϊόντος. 9 Σε κενό δοχείο εισάγονται ισομοριακές ποσότητες από τις χημικές ουσίες Α και Β, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση Α (g) + Β (g) Γ (g). Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης αυτής: οι συγκεντρώσεις των Α και Β ελαττώνονται με τον ίδιο ρυθμό η συγκέντρωση του Γ αυξάνεται με σταθερό ρυθμό η συγκέντρωση του Β ελαττώνεται με διπλάσιο ρυθμό από τη συγκέντρωση του Α η συγκέντρωση του Α ελαττώνεται με φθίνοντα ρυθμό και τελικά μηδενίζεται.

10 8 Σημειώσεις Χημικής κινητικής Α 0 Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης Α ( g ) Β ( g ) + Γ ( g ), η συγκέντρωση του σώματος Β: αυξάνεται με σταθερό ρυθμό αυξάνεται με φθίνοντα ρυθμό δε μεταβάλλεται αυξάνεται με ρυθμό μικρότερο από το ρυθμό μείωσης του σώματος Α. Κατά τη διάρκεια πραγματοποίησης της ομογενούς αντίδρασης Α Β + Γ, ο λόγος του ρυθμού μεταβολής των mol του Α προς το ρυθμό μεταβολής των mol του Β έχει την τιμή: i. ii. iii. iv. Σε κενό δοχείο εισάγονται ισομοριακές ποσότητες από τα σώματα Α και Β, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση Α (g) + Β (g) Γ (g). Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης: οι συγκεντρώσεις των Α και Β ελαττώνονται με τον ίδιο ρυθμό η συγκέντρωση του Γ αυξάνεται με σταθερό ρυθμό η συγκέντρωση του Β ελαττώνεται με διπλάσιο ρυθμό από τη συγκέντρωση του Α η συγκέντρωση του Α ελαττώνεται με φθίνοντα ρυθμό και τελικά μηδενίζεται. Η αύξηση της ταχύτητας μιας χημικής αντίδρασης όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του συστήματος οφείλεται: στη μείωση της ενέργειας ενεργοποίησης στην αύξηση της κινητικής ενέργειας του συστήματος στην αύξηση της μέσης κινητικής ενέργειας των αντιδρώντων μορίων στη μείωση της ενέργειας των δεσμών των αντιδρώντων μορίων. Η αντίδραση, A (g) + B (g) Γ (g) + Δ (g), έχει το ενεργειακό διάγραμμα που φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Η τιμή της ενθαλπίας (ΔΗ) και η τιμή της ενέργειας ενεργοποίησης για την α- ντίστροφη αντίδραση: Γ (g) + Δ (g) A (g) +B (g) είναι αντίστοιχα: i. +00 και 00 kj, ii. +00 και 00 kj, iii. -00 και 00 kj, iv. 00 και 00 kj, E ενεργοποιημένο σύμπλοκο 00kJ A+B 00kJ πορεία αντίδρασης 5 Για την αντίδραση, A(s) + B (g) Γ (g) + Δ (g), ποια από τις εκφράσεις που ακολουθούν είναι λανθασμένη; [ ] [A] i. ii. B t iii. iv. t 6 Σε δοχείο εισάγονται ισομοριακές ποσότητες από τις ουσίες Α και Β, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση: Α (g) + Β (g) Γ (g). Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης αυτής: η συγκέντρωση του Α και η συγκέντρωση του Β ελαττώνονται με τον ίδιο ρυθμό η συγκέντρωση του Γ αυξάνεται με σταθερό ρυθμό η συγκέντρωση του Β ελαττώνεται με διπλάσιο ρυθμό από τη συγκέντρωση του Α η συγκέντρωση του Α ελαττώνεται με φθίνοντα ρυθμό και τελικά μηδενίζεται 7 Σε δοχείο γίνεται η αντίδραση: N₂₅ (g) N₂ (g) + ₂ (g) λόγος του ρυθμού μεταβολής της συγκέντρωσης του N₂₅ προς το ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του N₂ είναι: : ii. : iii. : iv. : 8 Σε δοχείο γίνεται η αντίδραση: Α (g) + Β (g) Γ (g). Σε κάποια χρονική στιγμή, η ταχύτητα σχηματισμού του Γ προσδιορίστηκε ίση με 0,0 M s ¹. Την ίδια χρονική στιγμή η ταχύτητα της αντίδρασης και ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του Β είναι αντίστοιχα: Γ+Δ

11 Επιμέλεια: Διογένη Κοσμόπουλου 9 0,0 M s ¹ και τα δύο iii. 0,008 και 0,06 M s ¹, 0,08 και 0,0 M s ¹, iv. 0,0 και 0,06 M s ¹, 9 Στην αντίδραση: αα (g) + ββ (g) Γ (g), η ταχύτητα κατανάλωσης του Α είναι πλάσια από την ταχύτητα κατανάλωσης του Β, ενώ η ταχύτητα σχηματισμού του Γ είναι πλάσια από την ταχύτητα κατανάλωσης του Β. Με βάση τα προηγούμενα, οι συντελεστές α και β είναι αντίστοιχα ίσοι με: και ii. και iii. και iv. και 0 Aν τη χρονική στιγμή t κατά τη διάρκεια διεξαγωγής της αντίδρασης, N₂ (g) + Cl₂ (g) N₂Cl (g), ισχύει: d[cl₂]/dt = 0,0 M s ¹, την ίδια χρονική στιγμή, ποια θα είναι η τιμή της παράστασης: d[n₂]/dt; 0,0 M s ¹ ii. 0,0 M s ¹ iii. 0,0 M s ¹ iv. 0,050 M/s ¹ Σε δοχείο πραγματοποιείται διάσπαση ποσότητας NH₃ (g), σύμφωνα με την εξίσωση: NH₃ (g) N₂ (g) + H₂ (g). πίνακας που ακολουθεί δίνει τις μεταβολές της [NH₃] σε σχέση με το χρόνο για τις πρώτες ώρες της αντίδρασης. [ΝΗ₃] (σε Μ) 8 6 Χρόνος (σε ώρες, h) 0 Η μέση ταχύτητα κατανάλωσης της NH₃ (g) τις δύο πρώτες ώρες της αντίδρασης;,0 mol L ¹ h ¹ iii.,0 mol L ¹ h ¹,0 mol L ¹ s ¹ iv.,0 mol h ¹ Για την αντίδραση: Η₂ (g) + Ν (g) Η₂ (g) + Ν₂ (g), η μέση ταχύτητα της αντίδρασης είναι ίση με 0,mol L ¹ s ¹ και ο ρυθμός κατανάλωσης του H₂ είναι ίσος με: 0, mol L s ¹ iii. 0, mol L s ¹ 0, mol L s ¹ iv. 0, mol L s ¹ Στο εσωτερικό του κυλινδρικού δοχείου του σχήματος που κλείνεται με βαρύ και ευκίνητο έμβολο πραγματοποιείται η αντίδραση, C₂H₄ (g) + H₂ (g) C₂H₆ (g) υπό σταθερή θερμοκρασία. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης το έμβολο: κινείται προς τα πάνω ii. κινείται προς τα κάτω iii. παραμένει αμετακίνητο iv. κινείται προς τα πάνω, μόνο αν η αντίδραση είναι εξώθερμη Να αιτιολογήσετε την επιλογή σας. Σε δοχείο εισάγουμε ποσότητες των αερίων Α (g) και Β (g) και διεξάγεται η αντίδραση: Α (g) + xβ (g) Γ (g) + yδ (g) Στο σχήμα που ακολουθεί εμφανίζονται οι καμπύλες των μεταβολών συγκεντρώσεων για όλα τα σώματα που σχετίζονται με την αντίδραση. Με βάση τα προηγούμενα προκύπτει ότι: x =, y = iii. x =, y = το σώμα Β είναι σε περίσσεια iv. η αντίδραση δεν ολοκληρώνεται 5 Παρακολουθούμε την αντίδραση, Α (g) + B (g) Γ (g), από t₀ = 0 (έναρξη της αντίδρασης) μέχρι t = t v (τέλος αντίδρασης). ι ρυθμοί μεταβολής των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων και των προϊόντων παριστάνονται με τα μεγέθη υ Α, υ Β και υ Γ, αντίστοιχα. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης: τα μεγέθη υ Α, υ Β και υ Γ αυξάνονται τα μεγέθη υ Α, υ Β και υ Γ μειώνονται τα μεγέθη υ Α και υ Β αυξάνονται και το υ Γ μειώνεται τα μεγέθη υ Α και υ Β μειώνονται και το υ Γ αυξάνεται

12 0 Σημειώσεις Χημικής κινητικής Α 6 Το γράφημα στο διπλανό σχήμα απεικονίζει τις συγκεντρώσεις αντιδρώντος και προϊόντος μιας χημικής αντίδρασης, σε συνάρτηση με το χρόνο. Το γράφημα που ταιριάζει στην γραφική παράσταση είναι η: i. Α Β ii. Β Α iii. Α Β iv. Β Α 7 Σε ένα ποτήρι που περιέχει διάλυμα HCl βυθίζουμε μια σιδερένια ράβδο, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση Fe (s) + HCl (aq) FeCl (aq) + H (g). Η ταχύτητα υ της αντίδρασης αυτής μία χρονική στιγμή t ορίζεται από τις σχέσεις: Δ[FeCl ] Δ[Η ] Δ[Fe] Δ[HCl] = = - = - Δt Δt Δt Δt, Δt 0 Δ[FeCl ] Δ[HCl] = - Δt Δt, Δt 0 Δ[FeCl ] Δ[Η ] Δ[Fe] Δ[HCl] = = - = - Δt Δt Δt Δt, Δt 0 Συνδυαστικές ερωτήσεις ανάπτυξης & ασκήσεις 8 H κινητική μελέτη της διάσπασης του ΗΙ σύμφωνα με την εξίσωση: HI (g) H₂ (g) + I₂ (g), έδωσε τα παρακάτω αποτελέσματα: C (HI) (σε mol/l) 0,,8,,6, Χρόνος (σε sec 0³) 0 5 Να υπολογίσετε το μέσο ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του HI από 0 σε 000 s και από 000 σε 5000s και σχολιάστε τα απολέσματα των υπολογισμών σας. 9 Σε δοχείο εισάγονται ισομοριακές ποσότητες των Α και Β τα οποία αντιδρούν πλήρως σύμφωνα με την χημική εξίσωση Α (g) + Β (g) Γ (g). Στο διπλανό διάγραμμα ποια από τα δύο καμπύλες εκφράζει την μεταβολή της συγκέντρωσης του αντιδρώντος Α και γιατί; () () t v 0 i. Σε ποια αντίδραση αντιστοιχεί το παραπλεύρως διάγραμμα : a. Α+Β Γ b. Α+Β Γ c. Α+Β Γ d. Γ Α+Β ii. Ποια καμπύλη αντιστοιχεί σε κάθε σώμα Α, Β και Γ; iii. Ποιο από τα αντιδρώντα βρίσκεται σε περίσσεια; iv. Ποια είναι η μέση ταχύτητα της αντίδρασης από 0-6sec; v. Αν η αντίδραση εξελίσσεται σε δοχείο όγκου 0L, πόσα mol από κάθε σώμα υπάρχουν στο δοχείο όταν θα έχει ολοκληρωθεί η αντίδραση; 0, 0, 0, 0, () 6 () () Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου και υπό σταθερή θερμοκρασία πραγματοποιείται η αντίδραση: Α (g) + B (g) Γ (g) + Δ (g). Αν οι αρχικές συγκεντρώσεις των σωμάτων Α και Β είναι από Μ σε ποιο σώμα αναφέρεται η καμπύλη του διαγράμματος; Να σχεδιασθούν στο ίδιο διάγραμμα οι καμπύλες των υπόλοιπων σωμάτων που μετέχουν στην αντίδραση. Ποια είναι η μέση ταχύτητα της αντίδρασης τα 0 πρώτα sec; Ποιος είναι ο λόγος της αρχικής προς την τελική πίεση στο δοχείο; 0

13 Επιμέλεια: Διογένη Κοσμόπουλου Σε δοχείο όγκου 0 L εισάγονται τα αέρια Α και Β που αντιδρούν και δίνουν το αέριο Γ σύμφωνα με την χημική εξίσωση: Α (g) + Β (g) Γ (g). ι μεταβολές των mol των Α, Β κατά την αντίδραση αποδίδονται με το διπλανό διάγραμμα. Ποια από τις δύο καμπύλες αποδίδει την μεταβολή του Α; Πιο από τα αντιδρώντα είναι σε έλλειμμα; Ποια είναι η τιμή της μέσης ταχύτητας κατά την διάρκεια των 0 πρώτων δευτερολέπτων; n(mol) 0 Σε κλειστό δοχείο L εισάγονται από mol των σωμάτων Α και Β, τα οποία αντιδρούν σύμφωνα με την ομογενή αντίδραση: Α (g) + Β (g) Γ (g) + Δ (g). Σε κοινούς άξονες συγκέντρωσης - χρόνου να παρασταθούν γραφικά οι μεταβολές των συγκεντρώσεων όλων των σωμάτων που μετέχουν στην παραπάνω αντίδραση. ι χημικές ουσίες Α, Β, Γ και Δ αντιδρούν σύμφωνα με τη χημική εξίσωση :Α g) +Β g) Γ g) + Δ g). Αντιστοιχίστε σε κάθε αριθμό που βρίσκεται πάνω από την κάθε καμπύλη του διαγράμματος με την χημική ουσία στην οποία α- ντιστοιχεί αυτή η καμπύλη Έστω η μονόδρομη αντίδραση: Α ( g ) Β ( g ) + Γ ( g ). Στο διπλανό διάγραμμα φαίνεται η μεταβολή της συγκέντρωσης ενός από τα σώματα που μετέχουν σ' αυτή σε συνάρτηση με το χρόνο. iii. i. Σε ποιο από τα σώματα αντιστοιχεί το διάγραμμα; ii. Να γίνει το αντίστοιχο διάγραμμα για τα άλλα δύο σώματα της αντίδρασης. Να βρεθεί ο μέσος ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του Γ στο συνολικό χρόνο της αντίδρασης και η (στιγμιαία) ταχύτητα της αντίδρασης τη χρονική στιγμή t = 00s Σε κενό δοχείο όγκου L εισάγουμε 0,6mol N και 0,6mol. Θερμαίνουμε αρχικά το μίγμα, οπότε αρχίζει να αντιδρά σύμφωνα με την εξίσωση: Ν ( g ) + ( g ) Ν ( g ). Παρατηρούμε ότι, υπό σταθερή τη θερμοκρασία, η πίεση στο δοχείο ελαττώνεται και σταθεροποιείται μετά από min. Να εξηγήσετε που οφείλεται η μεταβολή στην τιμή της πίεσης. Να βρείτε τη γραμμομοριακή σύσταση του μίγματος που υπάρχει στο δοχείο μετά τη σταθεροποίηση της πίεσης. Να βρείτε το μέσο ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του. Να κατασκευάσετε την "καμπύλη αντίδρασης" και για τα τρία σώματα που μετέχουν στην αντίδραση. 7 Σ ένα δοχείο σταθερού όγκου, τη χρονική στιγμή μηδέν (t o = 0), βάλαμε τα σώματα Α και Β, τα οποία άρχισαν να αντιδρούν σύμφωνα με την αντίδραση Α ( g ) + Β ( g ) Γ ( g ). Τη χρονική στιγμή t o = 0, η ταχύτητα της αντίδρασης είναι u o = 0,05mol/L.s, ενώ τη χρονική στιγμή t =0s είναι u =0,0mol/L.s. Εξετάστε αν : a. τη χρονική στιγμή t =0s είναι δυνατόν η συγκέντρωση του σώματος Γ να είναι mol/l.s b. τη χρονική στιγμή t =5s, είναι δυνατόν η ταχύτητα της αντίδρασης να έχει την τιμή: i. 0,05mol/L s ii. 0,0mol/L s iii. 0,mol/L s iv. 0,0mol/L s

14 Σημειώσεις Χημικής κινητικής Α 8 Στο διπλανό σχήμα τα διαγράμματα έως αποδίδουν τις γραφικές παραστάσεις των συγκεντρώσεων των Α, Β, Γ και Δ που συμμετέχουν στη χημική αντίδραση Α ( g )+Β ( g ) Γ ( g )+Δ ( g ) σε συνάρτηση με το χρόνο. Αντιστοιχίστε τα σωμάτα Α, Β, Γ και Δ που συμμετέχουν στην αντίδραση με τα διαγράμματα,, και Συμπληρώστε στον κατακόρυφο άξονα των συγκεντρωσεων τις τιμές τωνσυγκεντρώσεων που λείπουν Υπολογίστε το μέσο ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του σώματος Γ από t₀ =0 μέχρι t=0s Να συγκρίνετε τη μέση ταχύτητα u μ της αντίδρασης με τη στιγμιαία ταχύτητα u 0 αυτής, τη χρονική στιγμή t 0, καθώς και τη χρονική στιγμή t=0s και να αιτιολογήσετε αυτές τις συγκρίσεις. 9 Σε κλειστό δοχείο όγκου V = 5 L διεξάγεται η αντίδραση: N₂ (g) + H₂ (g) NH₃ (g). Βρέθηκε ότι κατά τη διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος Δt = s, αντέδρασαν 0,0 mol Ν₂ (g). Nα υπολογίσετε την ταχύτητα κατανάλωσης του N₂ (g) και του H₂ (g), την ταχύτητα σχηματισμού της NH₃ (g), καθώς και την ταχύτητα της αντίδρασης κατά το παραπάνω χρονικό διάστημα Δt. 50 Σε δοχείο όγκου V = 0 L, που βρίσκεται σε περιβάλλον σταθερής θερμοκρασίας Τ, εισάγονται x mol C και x mol ₂, οπότε από t = 0 εξελίσσεται η αντίδραση: C (g) + ₂ (g) C₂ (g). Tη χρονική στιγμή t₁= 0 s βρέθηκε ότι: [C] = [C₂] = 0, M. Να υπολογίσετε τις ποσότητες του C και του ₂ που είχαν εισαχθεί αρχικά στο δοχείο. Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης από t=0 μέχρι t₁ = 0 s, καθώς και τους ρυθμούς μεταβολής των συγκεντρώσεων των τριών συστατικών της αντίδρασης στο ίδιο χρονικό διάστημα. Να εξηγήσετε αν τη χρονική στιγμή t₁ =0s η αντίδραση έχει ολοκληρωθεί ή όχι. Μία επόμενη χρονική στιγμή t₂ >t₁ η συγκέντρωση του ₂ βρέθηκε ίση με 0, Μ. Να εξετάσετε αν η αντίδραση τη χρονική στιγμή t₂ έχει ολοκληρωθεί ή όχι. Ποια η (στιγμιαία) ταχύτητα της αντίδρασης τη χρονική στιγμή t₂ ; 5 Σε κενό δοχείο σταθερού όγκου 8 L εισάγεται ποσότητα (NH₄)₂C₃(s), υπό σταθερή θερμοκρασία Τ = 00K, που διασπάται σύμφωνα με την εξίσωση: (NH₄)₂C₃ (s) ΝΗ₃ (g) + C₂ (g) + H₂ (g) Η πίεση στο δοχείο έχει αρχική τιμή P₀ = 0 και σταθεροποιείται στην τιμή Ρ = atm από τη χρονική στιγμή t = 5s και μετά. Να υπολογιστεί η τιμή της μέσης ταχύτητα της αντίδρασης από την έναρξή της μέχρι το τέλος της. R = 0,08 L atm/(mol K). Π.Μ.Δ.Χ 06 5 Σε δοχείο σταθερού όγκου V = L εισάγονται ποσότητες Η₂ (g) και ₂ (g), που αντιδρούν μεταξύ τους, σε σταθερή θερμοκρασία 7⁰C, σύμφωνα με την εξίσωση: Η₂ (g) + ₂ (g) Η ₂ (g) Τη χρονική στιγμή t = 0 s οι ποσότητες και των τριών συστατικών βρέθηκαν ίσες (σε mol) μεταξύ τους, ενώ η ολική πίεση στο δοχείο βρέθηκε ίση με atm. Ποια η σύσταση (σε mol) του αρχικού μίγματος Η₂ (g) και ₂ (g) ; Ποια η μέση ταχύτητα της αντίδρασης από 0-0 s; R = 0,08 L atm/mol K. 5 Σε κενό δοχείο όγκου L εισάγονται,mol H και mol Cl, τα οποία αντιδρούν, με σταθερή θερμοκρασία, σύμφωνα με την απλή χημική εξίσωση Η ( g )+Cl ( g ) HCl ( g ). Αν ο μέσος ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του Η κατά τα πρώτα min από την έναρξή της είναι,5 0 - mol/l s, να υπολογιστούν οι συγκεντρώσεις των H, Cl και HCl, min μετά την έ- ναρξη της αντίδρασης

15 Επιμέλεια: Διογένη Κοσμόπουλου 5 Στo διπλανό διάγραμμα εμφανίζονται οι καμπύλες αντίδρασης για όλα τα σώματα Α, Β, Γ και Δ της αντίδρασης: Α (g) +Β (g) xγ (g) + Δ (g) όγκος του δοχείου που γίνεται η αντίδραση είναι σταθερός και ί- σος με V = L Nα προσδιορίσετε την τιμή του x (συντελεστής του Γ). Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Να υπολογίσετε το μέσο ρυθμό μεταβολής των συγκεντρώσεων όλων των σωμάτων, καθώς και τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης από t₀ = 0 μέχρι t = 0 s. 55 Δύο αντιδρώντα Α (g) και Β (g) εισάγονται σε δοχείο όγκου V, οπότε, από t = 0 μέχρι t v = 0 s ολοκληρώνεται, η αντίδραση: 0,6 Α (g) + B (g) Γ (g) + Δ (g) I ι καμπύλες αντίδρασης Ι και ΙΙ που ακολουθούν αντιστοιχούν σε δύο από τα συστατικά της αντίδρασης. α)ποιο από τα δύο αντιδρώντα συστατικά είναι σε περίσσεια, το Α ή το Β και γιατί; Να σχεδιάσετε τις καμπύλες για τα άλλα δύο συστατικά της αντίδρασης. 0, 0, II Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης από t=0 μέχρι t v = 0 s. Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα κατανάλωσης των ενώσεων Α, Β, Γ και Δ. 0s t diogeniskos@gmail.com

16

17 Απαντήσεις - Λύσεις