ΑΝΕΣΤΗΣ ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ. Προσανατολισμός Θετικών Σπουδών ΕΝΘΕΤΟ ΜΕ ΤΗ ΝΕΑ ΥΛΗ

Transcript

1 ΑΝΕΣΤΗΣ ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΧΗΜΕΙΑ Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Προσανατολισμός Θετικών Σπουδών Α ΤΟΜΟΣ ΟΞΕΙΔΟΑΝΑΓΩΓΗ - ΘΕΡΜΟΧΗΜΕΙΑ - ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ - ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ - ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΕΝΘΕΤΟ ΜΕ ΤΗ ΝΕΑ ΥΛΗ [3.2] Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες.

2

3 Πρόλογος Από τη φετινή σχολική χρονιά ( ) στη διδακτέα-εξεταστέα ύλη της Χημείας Γ Λυκείου Προσανατολισμός Θετικών Σπουδών περιλαμβάνεται και η ενότητα 3.2 του σχολικού βιβλίου «Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες», η οποία δίνει με τρόπο πιο ολοκληρωμένο το κεφάλαιο της Χημικής Κινητικής και, παράλληλα, αποτελεί προαπαιτούμενη γνώση για το κεφάλαιο της Χημικής Ισορροπίας. Καθώς η ενότητα αυτή παρουσιάζει, εκτός από θεωρητικό, ιδιαίτερο εργαστηριακό ενδιαφέρον, αποφασίσαμε όλες σχεδόν οι εφαρμογές μας να περιγράφουν εργαστηριακές διαδικασίες. Για να τονίσουμε ακόμη περισσότερο τη σημασία του πειράματος, δύο από τις εφαρμογές παρουσιάζονται με τη μορφή βίντεο. Σαρώνοντας με ένα κινητό τηλέφωνο τον κωδικό QR που υπάρχει δίπλα στην εκφώνηση της εφαρμογής, μεταβαίνετε στο αντίστοιχο βίντεο. Με την αξιοποίηση των QR κωδικών στο Ένθετο αυτό, εγκαινιάζουμε μια νέα μορφή «επικοινωνίας» του αναγνώστη με το βιβλίο, η οποία θα συνεχιστεί και θα εμπλουτιστεί σε επόμενα εκπαιδευτικά έργα μας. Ευχαριστούμε για την παραχώρηση των βίντεο τους συναδέλφους: Χρονάκη Αντώνη, Πρόεδρο του Τμήματος Παιδείας & Χημικής Εκπαίδευσης της Ένωσης Ελλήνων Χημικών Κονιδιτσιώτη Δημήτρη, Χημικό πειραματιστή. Τέλος, ευχαριστούμε τον συνάδελφο Χημικό Γιώργο Καντώνη για τη βοήθειά του στην επαλήθευση των αποτελεσμάτων των ασκήσεων προς λύση. Ανέστης Θεοδώρου Χημικός - Συγγραφέας

4

5 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Eνότητα 5Α [3.2] Παράγοντες Αριθµός που επηρεάζουν οξείδωσης την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες. Θεωρία Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Με βάση τη θεωρία των συγκρούσεων: η ταχύτητα μιας αντίδρασης εξαρτάται από τον αριθμό των αποτελεσματικών συγκρούσεων (ανά μονάδα χρόνου και όγκου) μεταξύ των αντιδρώντων μορίων, δηλαδή των συγκρούσεων στις οποίες τα αντιδρώντα μόρια έχουν κατάλληλη ταχύτητα και σωστό προσανατολισμό. Επομένως, οι παράγοντες που επηρεάζουν τον αριθμό των αποτελεσματικών συγκρούσεων, είτε λόγω μεταβολής του αριθμού συγκρούσεων, είτε λόγω μεταβολής της ενέργειας των αντιδρώντων, επηρεάζουν και την ταχύτητα της αντίδρασης. Συγκεκριμένα, οι παράγοντες αυτοί με βάση το σχολικό βιβλίο είναι: η συγκέντρωση των αντιδρώντων, η πίεση, με την προϋπόθεση ότι ένα τουλάχιστον από τα αντιδρώντα σώματα είναι αέριο, η επιφάνεια επαφής των στερεών, η θερμοκρασία, οι ακτινοβολίες, οι καταλύτες. 5

6 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες 1. Πώς μεταβάλλεται η ταχύτητα μιας αντίδρασης όταν αυξάνονται οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων; Όταν αυξάνονται οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων που συμμετέχουν σε μια αντίδραση, τότε αυξάνεται ο αριθμός των σωματιδίων (μόρια ή ιόντα) ανά μονάδα όγκου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα: να αυξάνεται ο αριθμός των μεταξύ τους συγκρούσεων που πραγματοποιούνται ανά μονάδα χρόνου (ρυθμός συγκρούσεων). να αυξάνεται ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων ανά μονάδα χρόνου (ρυθμός αποτελεσματικών συγκρούσεων). Με δεδομένο ότι η ταχύτητα αντίδρασης αυξάνεται με την αύξηση του αριθμού των αποτελεσματικών συγκρούσεων, συμπεραίνουμε ότι: Η αύξηση της συγκέντρωσης των αντιδρώντων συνεπάγεται αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης. Όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα, στην αντίδραση Α(g) + B(g) προϊόντα, η οποία πραγματοποιείται σε δοχείο σταθερού όγκου και σε σταθερή θερμοκρασία, η αύξηση του αριθμού μορίων των αντιδρώντων Α και Β προκαλεί αύξηση των συγκε- ντρώσεών τους = n = c V,V σταθ., αύξηση του αριθμού των συγκρούσεων (4, 6 και 9), επομένως και αύξηση του αριθμού των αποτελεσματικών συγκρούσεων ανά μονάδα χρόνου, άρα και αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης (υ 3 > υ 2 > υ 1 ). A A Β Β [Α] A A A Β Β [B] A A A Β Β Β 4 (πιθανές) συγκρούσεις ταχύτητα υ 1 6 (πιθανές) συγκρούσεις ταχύτητα υ 2 > υ 1 9 (πιθανές) συγκρούσεις ταχύτητα υ 3 > υ 2 6

7 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Παρατηρήσεις 1. Με δεδομένο ότι η ταχύτητα της αντίδρασης εξαρτάται από τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων, μπορούμε να ερμηνεύσουμε τη μεταβολή της ταχύτητας στη διάρκεια της αντίδρασης: Επειδή κατά την πορεία της αντίδρασης έχουμε μείωση της συγκέντρωσης των αντιδρώντων, θα έχουμε και μείωση της ταχύτητας της αντίδρασης. Στο ακόλουθο σχήμα δίνονται το διάγραμμα συγκέντρωσης του αντιδρώντος Α σε συνάρτηση με τον χρόνο (καμπύλη αντίδρασης) και το διάγραμμα της ταχύτητας αντίδρασης σε συνάρτηση με τον χρόνο για την αντίδραση: αα(g) προϊόντα. Παρατηρούμε ότι, καθώς μειώνεται η [Α], μειώνεται αντίστοιχα και η (στιγμιαία) ταχύτητα αντίδρασης. [A] υ [A] 0 υ 0 [A] 1 [A] ν υ 1 υ ν 2. Η μάζα στερεών (s) ή καθαρών υγρών (l) αντιδρώντων δεν σχετίζεται με την ταχύτητα της αντίδρασης. Τα στερεά αντιδρούν μόνο επιφανειακά, επομένως η ταχύτητα της αντίδρασης εξαρτάται από το εμβαδόν της επιφάνειάς τους και όχι από τη συνολική μάζα τους. Για παράδειγμα, η ταχύτητα της αντίδρασης C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) εξαρτάται μόνο από τη συγκέντρωση του οξυγόνου υ = k[o 2 ]. 7

8 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες Εφαρμογή 1η: (επίδραση της συγκέντρωσης αντιδρώντος στην ταχύτητα αντίδρασης) Για να μελετήσουμε την επίδραση της συγκέντρωσης των αντιδρώντων στην ταχύτητα αντίδρασης, πραγματοποιούμε την παρακάτω πειραματική διαδικασία. Στον δοκιμαστικό σωλήνα (αριστερά) της διάταξης του επόμενου σχήματος τοποθετούμε ένα κομμάτι ταινίας Zn ορισμένης μάζας και στη συνέχεια ρίχνουμε ορισμένο όγκο διαλύματος HCl. Από την αντίδραση που πραγματοποιείται, όλος ο όγκος του Η 2 (g) που παράγεται συλλέγεται στον ογκομετρικό κύλινδρο της διάταξης. HCl(aq) H 2 (g) H 2 (g) H 2 (g) ογκομετρικός κύλινδρος νερό Σαρώστε µε το κινητό σας τον παρακάτω QR code και παρακολουθήστε σε βίντεο την αντίδραση Ζn(s) Μόλις το διάλυμα του HCl έρθει σε επαφή με τον Zn, αρχίζουμε να μετρούμε τον χρόνο που απαιτείται για να αντιδράσει όλος ο Zn (ένδειξη ότι σταματά η έκλυση αερίου). Το πείραμα επαναλαμβάνεται με την ίδια ποσότητα Zn κάθε φορά και με διαλύματα HCl συγκεντρώσεων 1 Μ, 1,5 Μ, 2 Μ και 3 Μ της ίδιας θερμοκρασίας. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταγράφονται στον παρακάτω πίνακα: Συγκέντρωση ΗCl (M) 1 1,5 2 3 Διάρκεια αντίδρασης (sec) α. Να διατάξετε τους χρόνους της αντίδρασης κατά αύξουσα σειρά. β. Για κάθε επανάληψη του πειράματος, να σχεδιάσετε ποιοτικά το διάγραμμα του παραγόμενου όγκου Η 2 σε συνάρτηση με τον χρόνο (εκφρασμένο στις ίδιες συνθήκες P, T σε κάθε πείραμα). 8

9 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Απάντηση Σε κάθε πείραμα πραγματοποιείται η αντίδραση: ()+ ( ) ( )+ ( ) Zn s HCl aq ZnCl aq H g α. Με δεδομένο ότι η ταχύτητα της παραπάνω αντίδρασης αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης του HCl, όσο αυξάνεται η συγκέντρωση του διαλύματος HCl που χρησιμοποιούμε τόσο θα αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης. Όσο όμως μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα της αντίδρασης, τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος που απαιτείται για την ολοκλήρωσή της, δηλαδή ο χρόνος που απαιτείται για να αντιδράσει όλη η ποσότητα του Zn, οπότε ισχύει: 4 < 3 < 2 < 1. β. Λαμβάνοντας υπόψη τα δεδομένα του πειράματος, σε κάθε επανάληψη που πραγματοποιούμε αντιδρά πλήρως η ίδια ποσότητα Zn (έστω α mol), προφανώς το HCl είναι σε περίσσεια. Επομένως, η ποσότητα του Η 2 που παράγεται άρα και ο όγκος του (εκφρασμένος στις ίδιες συνθήκες P, T σε κάθε πείραμα) καθορίζεται από την ποσότητα του Zn που αντιδρά πλήρως: ()+ ( ) ( )+ ( ) Zn s HCl aq ZnCl aq H g mol 1 mol ή V m L (σε δεδομένη P και T) α mol V = α V m L (σε δεδομένη P και T) Τελικά, σε κάθε επανάληψη του πειράματος παράγεται ο ίδιος όγκος (V) Η 2 αλλά με διαφορετικό ρυθμό. Όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση του διαλύματος HCl που χρησιμοποιούμε, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα της αντίδρασης και τόσο πιο απότομη η καμπύλη που περιγράφει τον παραγόμενο όγκο Η 2 σε συνάρτηση με τον χρόνο: V H2 V 3 M 2 M 1,5 M 1 M

10 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες 2. Πώς επηρεάζει η πίεση την ταχύτητα μιας αντίδρασης; Η πίεση επηρεάζει την ταχύτητα της αντίδρασης, μόνο εφόσον ικανοποιούνται οι ακόλουθες προϋποθέσεις: Ένα τουλάχιστον από τα αντιδρώντα σώματα είναι αέριο. Η μεταβολή της πίεσης οφείλεται στη μεταβολή του όγκου του δοχείου στο οποίο πραγματοποιείται η αντίδραση (με σταθερή τη θερμοκρασία). Αν ισχύουν τα παραπάνω: Η αύξηση της πίεσης προκαλεί αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης. Αυτό συμβαίνει, διότι η αύξηση της πίεσης καθώς ελαττώνουμε τον όγκο του δοχείου με σταθερή τη θερμοκρασία προκαλεί, σύμφωνα με την καταστατική εξίσωση των αερίων, αύξηση της συγκέντρωσης κάθε αέριου αντιδρώντος: n pv = nrt ή p = V RT ή p = crt ή c = p (R, T = σταθ.) RT Επομένως, σύμφωνα με τη θεωρία των συγκρούσεων, η αύξηση της συγκέντρωσης των αέριων αντιδρώντων οδηγεί στην αύξηση του αριθμού των αποτελεσματικών συγκρούσεων που πραγματοποιούνται στη μονάδα του χρόνου, δηλαδή στην αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης. ελάττωση του όγκου του δοχείου χαμηλή πίεση υψηλή πίεση 10

11 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Εφαρμογή 2η: (προϋποθέσεις για να επηρεάσει η μεταβολή της πίεσης την ταχύτητα αντίδρασης) α. Να εξετάσετε σε ποια από τις παρακάτω αντιδράσεις η μεταβολή της πίεσης με μεταβολή του όγκου του δοχείου όπου πραγματοποιείται η κάθε αντίδραση, σε σταθερή θερμοκρασία, επηρεάζει την ταχύτητα αντίδρασης. () ()+ ( ). i. CaCO s CaO s CO g 3 2 ()+ ( ) ( )+ ( ) ii. Zn s 2HCl aq ZnCl2 aq H2 g. ()+ ( ) ( ) iii. C s CO2 g 2 CO g. β. Σε δοχείο σταθερού όγκου εισάγουμε ορισμένες ποσότητες από τα αέρια Α και Β, οπότε πραγματοποιείται σε ορισμένη θερμοκρασία η αντίδραση Α(g) + B(g) Γ(g). Πώς θα μεταβληθεί η (αρχική) ταχύτητα της αντίδρασης, αν στην ίδια θερμοκρασία προσθέσουμε αρχικά στο δοχείο και ορισμένη ποσότητα He; Δίνεται ότι το He (ευγενές αέριο) δεν αντιδρά με κανένα από τα σώματα της αντίδρασης. Απάντηση α. Για να επηρεάσει η μεταβολή της πίεσης την ταχύτητα μιας αντίδρασης, πρέπει η μεταβολή της πίεσης να προκαλείται με μεταβολή του όγκου του δοχείου αντίδρασης (με σταθερή θερμοκρασία) και, επιπλέον, ένα τουλάχιστον από τα αντιδρώντα να είναι αέριο. Αυτές οι προϋποθέσεις ικανοποιούνται μόνο στην αντίδραση (iii), οπότε η (αρχική) ταχύτητα μόνο αυτής της αντίδρασης θα επηρεαστεί από τη μεταβολή της πίεσης. β. Στη συγκεκριμένη αντίδραση εξασφαλίζεται η προϋπόθεση να υπάρχει τουλάχιστον ένα αέριο στα αντιδρώντα. Η προσθήκη του ευγενούς αερίου He θα προκαλέσει αύξηση του αριθμού mol (n ολ ) των αερίων που αρχικά ( = 0) περιέχει το δοχείο, οπότε και αύξηση της πίεσης (P ολ ) που ασκούν: RT P ολ V = n ολ RT ή Pολ = nολ (R, T, V = σταθερά): V 11

12 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες Δοχείο όγκου V Δοχείο όγκου V A A Β A Β Β Β A A P ολ A A Β Β A Β Β A Ηe A P όλ > P ολ Αρχικά ( = 0) Αρχικά ( = 0) n ολ = n A + n B n = n + n + n > n ολ A B He ολ P ολ = n ολ RT V RT P = n > = V n RT V P ολ ολ ολ ολ Δηλαδή, παρατηρείται μεταβολή (αύξηση) της πίεσης. Όμως, η παρατηρούμενη μεταβολή της πίεσης δεν προκαλείται από τη μεταβολή του όγκου του δοχείου, άρα δεν μπορεί να προκαλέσει μεταβολή των αρχικών συγκεντρώσεων των αέριων αντιδρώντων Α και Β. Επομένως, η (αρχική) ταχύτητα της αντίδρασης δεν θα μεταβληθεί. Επισημάνσεις Ετερογενείς αντιδράσεις Επιφάνεια επαφής στερεού Βαθμός κατάτμησης Για την ερώτηση 3 που ακολουθεί επισημαίνουμε τα εξής: Ετερογενής αντίδραση χαρακτηρίζεται οποιαδήποτε χημική αντίδραση στην οποία τα αντιδρώντα σώματα αποτελούν ετερογενή συστατικά. Δηλαδή, τα αντιδρώντα σώματα είναι διαφορετικής μορφής της ύλης ή διαφορετικής φάσης της ύλης. Για παράδειγμα, τα αντιδρώντα σώματα μπορεί να είναι ένα στερεό και ένα αέριο, ένα στερεό και ένα υγρό, δύο υγρά που δεν αναμειγνύονται ή δύο αντιδρώντα σώματα σε μια διεπιφάνεια (π.χ. επιφάνεια ενός καταλύτη). 12

13 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Στις ετερογενείς αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν στερεά αντιδρώντα, αυτά αντιδρούν επιφανειακά. Η συνολική επιφάνεια του στερεού αντιδρώντος που «εκτίθεται για αντίδραση» μπορούμε να πούμε ότι αποτελεί την επιφάνεια επαφής του. Αν, για παράδειγμα, το στερεό αντιδρών είναι ένας κύβος ακμής 1 cm, τότε η επιφάνεια επαφής του θα είναι το εμβαδόν όλων των εδρών του, δηλαδή το εμβαδόν του αναπτύγματός του (6 cm 2 ): 1 cm 6 cm 2 Με την κατάτμηση ενός στερεού αντιδρώντος, μπορούμε να δημιουργούμε «νέες ελεύθερες επιφάνειες» του στερεού, δηλαδή μπορούμε να αυξάνουμε την επιφάνεια επαφής του. Όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός κατάτμησης, τόσο περισσότερα κομμάτια του στερεού δημιουργούμε και τόσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια επαφής του. Ενδεικτικά, αναφέρουμε ότι ένα υλικό σε κύβο ακμής 4 cm έχει εξωτερική επιφάνεια 96 cm 2, ενώ η ίδια ποσότητα του υλικού σε κύβους ακμής 2 cm έχει εξωτερική επιφάνεια 192 cm 2, δηλαδή 2πλάσια επιφάνεια επαφής: 4 cm 2 cm 2 cm 96 cm x24 cm = 192 cm 13

14 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες 3. Πώς επιδρά η αύξηση της επιφάνειας επαφής στερεού αντιδρώντος στην ταχύτητα της αντίδρασης; Η ταχύτητα των ετερογενών αντιδράσεων επηρεάζεται από τον βαθμό διαμερισμού (κατάτμησης) του στερεού αντιδρώντος, δηλαδή από την επιφάνεια επαφής του. Η αύξηση της επιφάνειας επαφής ενός στερεού αντιδρώντος προκαλεί αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης. Αυτό συμβαίνει, διότι για δεδομένη μάζα ενός στερεού όσο αυξάνεται η επιφάνεια επαφής του, τόσο αυξάνεται και ο αριθμός των ενεργών (αποτελεσματικών) συγκρούσεων που πραγματοποιούνται στη μονάδα του χρόνου. κατάτμηση του στερού αντιδρώντος αύξηση των ενεργών συγκρούσεων Για τον λόγο αυτόν, φροντίζουμε τα στερεά που συμμετέχουν σε αντιδράσεις να είναι σε λεπτό διαμερισμό, δηλαδή σε σκόνη. Για παράδειγμα, τα πριονίδια καίγονται γρηγορότερα από τα κούτσουρα, επειδή διαθέτουν μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής. Για τον ίδιο λόγο, τα φάρμακα δρουν πιο γρήγορα με τη μορφή σκόνης παρά με τη μορφή δισκίων (χάπια). 14

15 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Σημείωση Σημειώνουμε ότι η επιφάνεια επαφής στερεού αντιδρώντος επιδρά στην ταχύτητα μόνο των ετερογενών αντιδράσεων, όπως είναι οι αντιδράσεις μεταξύ στερεών και αερίων ή μεταξύ στερεών και υγρών. Με το δεδομένο αυτό, η μεταβολή του βαθμού κατάτμησης του CaCO 3 δεν επηρεάζει την ταχύτητα της αντίδρασης: () () ( ) CaCO s CaO s + CO g 3 2 διότι αυτή δεν θεωρείται ετερογενής (στα αντιδρώντα έχουμε μόνο στερεό και όχι στερεό και αέριο ή στερεό και υγρό). Εφαρμογή 3η: (επίδραση της επιφάνειας επαφής στερεού αντιδρώντος στην ταχύτητα αντίδρασης) Δύο κομμάτια CaCO 3 συνολικής μάζας 1,01 g, προστίθενται σε περίσσεια υδατικού διαλύματος HCl, συγκέντρωσης 1 Μ. Όλη η ποσότητα του CaCO 3 αντιδρά πλήρως σύμφωνα με την αντίδραση: ( )+ ( ) ( )+ ( )+ ( l) CaCO aq 2HCl aq CaCl aq CO g H O α. Να σχεδιάσετε ποιοτικά το διάγραμμα του παραγόμενου όγκου CO 2 σε συνάρτηση με τον χρόνο (εκφρασμένο στις ίδιες συνθήκες P, T σε κάθε πείραμα). Σαρώστε με το κινητό σας τον παρακάτω QR code και παρακολουθήστε σε βίντεο το πείραμα β. Πώς θα μεταβληθεί το διάγραμμα που σχεδιάσατε παραπάνω αν, αντί των δύο κομματιών CaCO 3 χρησιμοποιούσαμε: i. Οκτώ κομμάτια CaCO 3 συνολικής μάζας 1,01 g; ii. Ένα κομμάτι CaCO 3 μάζας 1,01 g; 15

16 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες Απάντηση α. Το ζητούμενο διάγραμμα απεικονίζεται στο διπλανό σχήμα, όπου: V είναι ο όγκος του CO 2 που παράγεται από την πλήρη αντίδραση των δύο κομματιών CaCO 3 συνολικής μάζας 1,01 g. 1 είναι ο χρόνος ολοκλήρωσης της αντίδρασης, δηλαδή η χρονική στιγμή που σταματά να παράγεται αέριο CO 2. VCO 2 V 1 1,01 g CaCO 3 (2 κομμάτια) β. Τόσο στην περίπτωση του α ερωτήματος όσο και στις περιπτώσεις i και ii η ποσότητα του CaCO 3 που αντιδρά πλήρως (το ΗCl σε περίσσεια) είναι η ίδια (1,01 g), οπότε, με βάση τη στοιχειομετρία της αντίδρασης, ίδιος θα είναι και ο παραγόμενος όγκος V του CO 2 : ( )+ ( ) ( )+ ( )+ ( l) CaCO aq 2HCl aq CaCl aq CO g H O mol ή Μ r g 1 mol ή V m L (σε δεδομένη P και T) 1,01 g V V m 1, 01 = M L r Σε σχέση με τα δύο κομμάτια CaCO 3 συνολικής μάζας 1,01 g: Στην περίπτωση i η ίδια ποσότητα CaCO 3 έχει μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής, διότι βρίσκεται σε μεγαλύτερο διαμερισμό, με αποτέλεσμα η ταχύτητα της αντίδρασης να είναι μεγαλύτερη, οπότε η καμπύλη στο ζητούμενο διάγραμμα είναι πιο απότομη και ο χρόνος ολοκλήρωσης της αντίδρασης μικρότερος ( i < 1 ) (βλ. διπλανό σχήμα). VCO 2 V i 1 1,01 g CaCO 3 (8 κομμάτια) 16

17 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Στην περίπτωση ii η ίδια ποσότη- VCO 2 τα CaCO 3 έχει μικρότερη επιφάνεια επαφής, διότι βρίσκεται σε μικρότερο V διαμερισμό, με αποτέλεσμα η ταχύτητα της αντίδρασης να είναι μικρότερη, οπότε η καμπύλη στο ζητούμενο διάγραμμα είναι λιγότερο απότομη και ο 1 ii χρόνος ολοκλήρωσης της αντίδρασης μεγαλύτερος ( ii > 1 ) (βλ. διπλανό 1,01 g CaCO 3 (1 κομμάτι) σχήμα). 4. Πώς επηρεάζει η αύξηση της θερμοκρασίας των αντιδρώντων την ταχύτητα μιας αντίδρασης; Η ταχύτητα μιας αντίδρασης, είτε αυτή είναι εξώθερμη είτε είναι ενδόθερμη, αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η ταχύτητα μιας αντίδρασης μεταβάλλεται εκθετικά με τη θερμοκρασία. Αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 C προκαλεί αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης, ανάλογα με την αντίδραση, από 1,5 έως 4 φορές. Σε πολλές περιπτώσεις, μάλιστα, αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 C προκαλεί διπλασιασμό στην ταχύτητα της αντίδρασης, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. ταχύτητα 16υ 8υ 4υ 2υ υ θερμοκρασία/ ο C 17

18 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες Γενικά, η αύξηση της θερμοκρασίας, προκαλεί αύξηση της μέσης κινητικής ενέργειας των αντιδρώντων μορίων, με συνέπεια να αυξάνεται ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων. Ουσιαστικά, η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης, επειδή μεγαλύτερο ποσοστό μορίων έχει την ελάχιστη ενέργεια, ώστε να δώσουν αποτελεσματικές συγκρούσεις (ενέργεια ενεργοποίησης). Αυτό εξηγείται αν παραστήσουμε γραφικά την κατανομή των μορίων αέριων αντιδρώντων σε σχέση με την κινητική τους ενέργεια, οπότε οδηγούμαστε στις παρακάτω γραφικές παραστάσεις (κατανομή Maxwell - Bolzmann): ποσοστό μορίων ορισμένης κινητικής ενέργειας T 1 E a Eμβ.1 κινητική ενέργεια αύξηση θερμοκρασίας ποσοστό μορίων ορισμένης κινητικής ενέργειας T 2 > T 1 Eμβ.2 E a κινητική ενέργεια 18

19 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Στα παραπάνω διαγράμματα, το εμβαδόν της σκιασμένης περιοχής αντιπροσωπεύει τον αριθμό των μορίων που έχουν ενέργεια μεγαλύτερη από αυτήν της ενέργειας ενεργοποίησης E a (ελάχιστη ενέργεια για να πραγματοποιηθεί η αντίδραση). Όσο η θερμοκρασία αυξάνεται (Τ 2 > Τ 1 ), τόσο η καμπύλη κατανομής μετατοπίζεται προς τα δεξιά, με αποτέλεσμα να αυξάνεται το εμβαδόν της σκιασμένης επιφάνειας (Εμβ.2 > Εμβ.1), δηλαδή να αυξάνεται ο αριθμός των μορίων που δίνουν αποτελεσματικές συγκρούσεις στη μονάδα του χρόνου, επομένως να αυξάνεται και η ταχύτητα της αντίδρασης. Εφαρμογή 4η: (επίδραση της θερμοκρασίας στην ταχύτητα αντίδρασης) Για τη μελέτη της επίδρασης της θερμοκρασίας στην ταχύτητα μιας αντίδρασης πραγματοποιούμε δύο πειράματα, στα οποία χρησιμοποιούμε το ίδιο διάλυμα HCl σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Πείραμα Ι: ένα κομμάτι ταινίας Mg μάζας α g αντιδρά πλήρως με περίσσεια διαλύματος HCl, θερμοκρασίας 27 C. Πείραμα ΙI: ένα κομμάτι ταινίας Mg μάζας β g αντιδρά πλήρως με περίσσεια διαλύματος HCl, θερμοκρασίας 50 C. Στο ακόλουθο διάγραμμα δίνεται, για κάθε πείραμα, η γραφική απεικόνιση που προέκυψε από τη μέτρηση του παραγόμενου όγκου Η 2 σε συνάρτηση με τον χρόνο. Θεωρήστε ότι και στα δύο πειράματα η μέτρηση του όγκου του Η 2 έγινε στις ίδιες συνθήκες P και Τ και ότι η θερμοκρασία του διαλύματος HCl παρέμεινε σταθερή σε όλη τη διάρκεια κάθε πειράματος. V H2 I II 19

20 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες α. Να συγκρίνετε τις ποσότητες (α g και β g) του Mg που αντέδρασαν πλήρως σε κάθε πείραμα. β. Να αντιστοιχίσετε τις καμπύλες I και II με τις θερμοκρασίες όπου πραγματοποιήθηκαν τα δύο πειράματα. Απάντηση α. Επειδή το HCl είναι σε περίσσεια, η ποσότητα του Η 2 που παράγεται άρα και ο όγκος του (στις συνθήκες P, T των πειραμάτων) καθορίζεται από την ποσότητα του Mg που αντέδρασε πλήρως: Πείραμα Ι: Mg() s + 2HCl( aq) MgCl ( aq) + H ( g 2 2 ) 1 mol ή (Α r,mg )g 1 mol ή V m L (σε δεδομένη P και T) ArMg, α = V m V I g (1) V I L Πείραμα ΙΙ: Mg() s + 2HCl( aq) MgCl ( aq) + H ( g 2 2 ) 1 mol ή Α r,mg g 1 mol ή V m L (σε δεδομένη P και T) ArMg β = V V, ΙI m g (2) V II L Σύμφωνα με το διάγραμμα που μας δόθηκε, διαπιστώνουμε ότι παράγεται ο ίδιος όγκος (V I = V II ) Η 2 (μετρούμενος στις ίδιες συνθήκες P, T) και στα δύο πειράματα, οπότε από τις σχέσεις (1) και (2) προκύπτει ότι ίσες θα είναι και οι ποσότητες του Mg που αντέδρασαν, δηλαδή είναι: α = β. 20

21 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές β. Και στα δύο πειράματα το αντιδρών HCl έχει την ίδια συγκέντρωση και το στερεό αντιδρών έχει τον ίδιο βαθμό κατάτμησης (σκόνη), άρα την ίδια επιφάνεια επαφής. Οπότε ο παράγοντας που διαφοροποιεί την ταχύτητα αντίδρασης είναι η θερμοκρασία. Στο πείραμα με τη μεγαλύτερη θερμοκρασία θα παρατηρείται μεγαλύτερη ταχύτητα αντίδρασης, η οποία, όπως έχουμε αναφέρει, αποδίδεται γραφικά με πιο απότομη καμπύλη του διαγράμματος V(H 2 ) - και μικρότερο χρόνο ολοκλήρωσης της αντίδρασης. Επομένως, η καμπύλη ΙΙ αντιστοιχεί στη θερμοκρασία των 27 C όπου πραγματοποιείται η αντίδραση, ενώ η καμπύλη Ι αντιστοιχεί στη θερμοκρασία των 50 C όπου πραγματοποιείται η αντίδραση. V H2 V I = V II 50 o C I II 27 o C I II 5. Ποια είναι η επίδραση των ακτινοβολιών στην ταχύτητα αντίδρασης; Ορισμένες χημικές αντιδράσεις επηρεάζονται από την επίδραση ακτινοβολιών. Οι ακτινοβολίες στις περιπτώσεις αυτές προκαλούν μοριακές μεταβολές στα αντιδρώντα, με αποτέλεσμα να αλλάζει ο μηχανισμός της αντίδρασης ( * ), 1 οπότε αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης. * Με τον όρο «μηχανισμό αντίδρασης» εννοούμε την ακριβή περιγραφή της πορείας που ακολουθεί μια χημική αντίδραση και περιλαμβάνει τόσο το ενεργειακό της προφίλ όσο και τις στοιχειώδεις αντιδράσεις (στάδια) των οποίων το συνολικό αποτέλεσμα εκφράζεται με τη (συνολική) χημική εξίσωση της αντίδρασης. 21

22 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες Για παράδειγμα, η αντίδραση H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl(g) απουσία φωτός πραγματοποιείται με μικρή ταχύτητα, ενώ παρουσία ηλιακού φωτός πραγματοποιείται σχεδόν ακαριαία, δηλαδή με πολύ μεγάλη ταχύτητα. 6. Τι ονομάζεται καταλύτης και τι κατάλυση; Η ταχύτητα πολλών χημικών αντιδράσεων αυξάνεται με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων ορισμένων ουσιών, οι οποίες τελικά δεν αλλοιώνονται και ονομάζονται καταλύτες. Αυτό, βέβαια, δεν αποκλείει το ενδεχόμενο ο καταλύτης να υφίσταται κάποια χημική μεταβολή σε ένα στάδιο της αντίδρασης. Όμως, σε κάποιο άλλο στάδιο της αντίδρασης ο καταλύτης ανακτάται. Ο καταλύτης, δηλαδή, επεμβαίνει στον μηχανισμό της αντίδρασης, χωρίς να καταναλώνεται, προσφέροντας μια νέα πορεία για την πραγματοποίηση της αντίδρασης, η οποία έχει μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης (Ε a ). Καταλύτης ονομάζεται μια ουσία η οποία με την παρουσία της σε μικρά ποσά αυξάνει την ταχύτητα μιας αντίδρασης, ενώ στο τέλος της αντίδρασης παραμένει ουσιαστικά αμετάβλητη τόσο στη μάζα όσο και στη χημική της σύσταση. Το φαινόμενο της αύξησης της ταχύτητας μιας αντίδρασης που προκαλεί η παρουσία καταλύτη λέγεται κατάλυση. Παράδειγμα καταλυτικής αντίδρασης αποτελεί η διάσπαση του υπεροξειδίου του υδρογόνου, παρουσία διοξείδιου του μαγγανίου MnO 2 (μαύρο στερεό) ως καταλύτη. Η αντίδραση αυτή: ( ) ( )+ ( ) 2HO 2 2 aq 2HO 2 l O2 g από μόνη της γίνεται με πολύ μικρή ταχύτητα, ενώ με την προσθήκη μικρής ποσότητας MnO 2 (s): MnO2 () s 2HO ( aq) 2HOl ( )+ O ( g) πραγματοποιείται πολύ πιο γρήγορα

23 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Η ίδια αντίδραση μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας ως καταλύτη υδατικό + διάλυμα NaBr ( Na Br ): Br aq 2HO ( aq) ( ) 2HOl O ( )+ ( g) Επισημαίνουμε ότι ο καταλύτης δεν επηρεάζει τη συνολική στοιχειομετρία της αντίδρασης, γι αυτό αναγράφεται πάνω από το βέλος της χημικής εξίσωσης. Άλλο παράδειγμα καταλυόμενης αντίδρασης είναι η διάσπαση του χλωρικού καλίου με καταλύτη MnO 2 : () ()+ ( g) MnO s 3 θέρµανση 2 2 2KClO s 2KCl s 3O Παρατηρήσεις 1. Υπογραμμίζουμε ότι η παρουσία ενός καταλύτη δεν προκαλεί την πραγματοποίηση μιας αντίδρασης. Αυτό που κάνει ο καταλύτης είναι να επιταχύνει μια αντίδραση, η οποία χωρίς αυτόν πραγματοποιείται με μικρή ταχύτητα. 2. Αν μια αντίδραση πραγματοποιείται παρουσία ουσίας που δημιουργεί νέα πορεία μεγαλύτερης ενέργειας ενεργοποίησης από αυτή που δίνει η αντίδραση χωρίς καταλύτη, τότε το σύστημα δεν ακολουθεί αυτήν την πορεία, αλλά τη «συντομότερη», χωρίς τον καταλύτη. Με βάση τα παραπάνω, δεν υπάρχουν αρνητικοί καταλύτες. 3. Στις αμφίδρομες αντιδράσεις (Αντιδρώντα Προϊόντα), στις οποίες θα αναφερθούμε αναλυτικά στο επόμενο κεφάλαιο, ο καταλύτης αυξάνει την ταχύτητα και της προς τα δεξιά ( ) και της προς τα αριστερά ( ) αντίδρασης. Με τον τρόπο αυτόν, ελαττώνει τον χρόνο που απαιτείται για να αποκατασταθεί η «χημική ισορροπία». 4. Η δράση των καταλυτών μπορεί να ανασταλεί από την παρουσία ορισμένων ουσιών οι οποίες είναι γνωστές ως δηλητήρια καταλυτών. Τέτοια δράση δείχνουν το HCN, το H 2 S και ορισμένα βαρέα μέταλλα, όπως είναι ο Pb και ο Hg. 23

24 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες 7. Τι ονομάζεται ομογενής και τι ετερογενής κατάλυση; Να αναφέρετε ένα παράδειγμα για κάθε περίπτωση. Όταν ο καταλύτης και το καταλυόμενο σύστημα, δηλαδή τα αντιδρώντα σώματα, βρίσκονται στην ίδια φάση, η κατάλυση ονομάζεται ομογενής. Παράδειγμα ομογενούς κατάλυσης αποτελεί η οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα με καταλύτη Η 2 Ο(g), όπου τα αντιδρώντα και ο καταλύτης βρίσκονται σε αέρια φάση: 1 HO( g) CO g O g 2 CO g ( )+ ( ) ( ) Όταν τα αντιδρώντα σώματα βρίσκονται σε διαφορετική φάση από τον καταλύτη, η κατάλυση ονομάζεται ετερογενής. Παράδειγμα ετερογενούς κατάλυσης είναι η σύνθεση της αμμωνίας (ΝΗ 3 ) παρουσία σιδήρου (Fe), όπου τα αντιδρώντα είναι σε αέρια φάση ενώ ο καταλύτης βρίσκεται σε στερεή φάση: () ( )+ ( ) ( ) Fe s N g 3H g 2NH g 8. Τι ονομάζεται αυτοκατάλυση; Να δώσετε ένα παράδειγμα. Υπάρχουν περιπτώσεις όπου ένα από τα προϊόντα μιας αντίδρασης δρα ως καταλύτης της αντίδρασης. Η περίπτωση αυτή ονομάζεται αυτοκατάλυση. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτοκατάλυσης είναι η οξείδωση του οξαλικού οξέος HOOCCOOH με υπερμαγγανικό κάλιο KMnO 4 παρουσία θεϊκού οξέος: ( ) ( )+ ( )+ ( ) ( )+ ( )+ 5 COOH aq 2KMnO aq 3HSO aq 10CO g 2MnSO aq KSO aq ή ( )+ HO( ) 4 8 ( ) ( )+ ( )+ ( ) ( )+ ( )+ ( ) COOH aq 2MnO aq 6H aq 10CO g 2Mn aq 8HO l 2 l 24

25 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Στην παραπάνω αντίδραση, ο αποχρωματισμός του διαλύματος γίνεται στην αρχή πολύ αργά (το MnO 4 είναι ροδόχρωμο ενώ το Mn 2+ είναι άχρωμο). Μόλις όμως αρχίζει να σχηματίζεται το ιόν Mn Mn SO 2 ( 4 ), που δρα ως καταλύτης, ο αποχρωματισμός επιταχύνεται, δηλαδή επιταχύνεται η αντίδραση. Αυτό μπορούμε να το δούμε και διαγραμματικά, παρακολουθώντας τη συγκέντρωση του ιόντος MnO 4 K + ( MnO 4 ) σε συνάρτηση με τον χρόνο. Παρατηρούμε ότι στην αρχή η συγκέντρωση του MnO 4 είναι σχεδόν σταθερή. Μόλις όμως σχηματιστεί μια ποσότητα ιόντων Mn 2+ (καταλύτης), το φαινόμενο επιταχύνεται και εκδηλώνεται με την απότομη πτώση της συγκέντρωσης του MnO 4 : c (MnO ) 4 αυτοκατάλυση Για συγκριτικούς λόγους, παραθέτουμε την ίδια καμπύλη παρουσία Mn 2+, όταν δηλαδή έχουμε προσθέσει καταλύτη εξαρχής στο αντιδρών σύστημα. Στην περίπτωση αυτήν, η επιτάχυνση της αντίδρασης γίνεται από την πρώτη στιγμή, όπως δείχνει η απότομη μεταβολή της συγκέντρωσης του MnO 4 : c (MnO ) 4 αυτοκατάλυση κατάλυση 25

26 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες 9. Τι είναι ένζυμα ή βιοκαταλύτες και ποια είναι τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των ενζύμων σε σχέση με τους λοιπούς καταλύτες; Τα ένζυμα είναι ουσίες πολύπλοκης δομής που δρουν καταλυτικά σε βιοχημικές αντιδράσεις (στους ζώντες οργανισμούς). Για παράδειγμα, η πτυαλίνη είναι ένζυμο που υπάρχει στο σάλιο και επιταχύνει τη μετατροπή του αμύλου σε σάκχαρο. Πολλά ένζυμα βρίσκουν σήμερα εφαρμογή στη βιομηχανική παραγωγή διαφόρων προϊόντων, όπως είναι τα αντιβιοτικά. Χαρακτηριστικό παράδειγμα ενζυματικής δράσης με μεγάλο πρακτικό ενδιαφέρον αποτελεί η αλκοολική ζύμωση: ζυµάση CH O 2C HOH+ 2CO Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που έχουν τα ένζυμα σε σχέση με τους λοιπούς καταλύτες είναι: Πολύπλοκη δομή. Τα περισσότερα είναι πρωτεϊνικής φύσης, με σχετικές μοριακές μάζες (M r ) που κυμαίνονται συνήθως από 10 5 έως Πολύ εξειδικευμένη δράση. Ορισμένα ένζυμα έχουν απόλυτη εξειδίκευση (σχέση κλειδιού - κλειδαριάς). Η δράση τους επηρεάζεται από τη θερμοκρασία και την τιμή του ph. Τα πρωτεϊνικής φύσης ένζυμα αδρανοποιούνται σε θερμοκρασίες πάνω από 50 C. Αποτελεσματικότητα. Τα ένζυμα είναι πολύ πιο αποτελεσματικά από τους μη βιοχημικούς καταλύτες. 10. Καταλύτης και ενέργεια ενεργοποίησης Ο καταλύτης αυξάνει την ταχύτητα μιας αντίδρασης, καθώς δημιουργεί μια νέα πορεία για την πραγματοποίηση της αντίδρασης, η οποία έχει μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης, όπως φαίνεται στο διάγραμμα του ακόλουθου σχήματος για τη γενική αντίδραση: ( )+ ( ) καταλύτης Ag Β g Γ g. ( ) 26

27 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές η αντίδραση χωρίς καταλύτη η αντίδραση µε καταλύτη ενέργεια ενέργεια μείωση ενέργειας ενεργοποίησης E a Η αντ Η πρ ΔΗ A+ B Γ Η αντ Η πρ ΔΗ A+ B E á <E a Γ πορεία αντίδρασης πορεία αντίδρασης Με τον τρόπο αυτόν, στην ίδια θερμοκρασία περισσότερα μόρια μπορούν να ξεπεράσουν το φράγμα της ενέργειας ενεργοποίησης (αυξάνεται το «γνωστό» εμβαδόν, όπως φαίνεται στο επόμενο αριστερά διάγραμμα: Eμβ. κινητική ενέργεια ενέργεια E a E a ποσοστό μορίων ορισμένης κινητικής ενέργειας A+ B Γ πορεία αντίδρασης Έτσι, στην ίδια θερμοκρασία, ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων που πραγματοποιούνται στη μονάδα του χρόνου γίνεται μεγαλύτερος, επομένως η ταχύτητα αυξάνεται (πιο απότομη καμπύλη αντίδρασης - μικρότερος χρόνος ολοκλήρωσης της αντίδρασης) (βλέπε το επόμενο δεξιά διάγραμμα). 27

28 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες [A] A + B Γ ( g) ( g) ( g) χωρίς καταλύτη [A] A + B ( g) ( g) ( g) µε καταλύτη Γ [A] 0 [A] 0 ν ν ν Επισημάνσεις Υπογραμμίζουμε ότι: 1. Ο καταλύτης δεν επηρεάζει την ενέργεια των αντιδρώντων και των προϊόντων, επομένως δεν μεταβάλλει το ποσό θερμότητας που εκλύεται ή απορροφάται σε μια αντίδραση. [Δείτε στα προηγούμενα ενεργειακά διαγράμματα ότι η μεταβολή της ενθαλπίας (ΔΗ) της αντίδρασης δεν μεταβάλλεται με τη χρησιμοποίηση καταλύτη]. 2. Ένας καταλύτης παρέχει μια εναλλακτική οδό για την αντίδραση με χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Προσοχή: αυτό δεν σημαίνει ότι ο καταλύτης μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης. Για να καταλάβουμε γιατί δεν συμβαίνει κάτι τέτοιο, μπορούμε να παραλληλίσουμε μια μη καταλυόμενη αντίδραση με τη μετάβασή μας από το σημείο Α στο σημείο Β μέσω της κορυφής ενός βουνού και την ενέργεια ενεργοποίησης ως τη δυναμική βαρυτική ενέργεια (U = mgh). Η διάνοιξη μιας σήραγγας δημιουργεί μια νέα ευκολότερη πορεία από το Α στο Β (καταλυόμενη αντίδραση) μέσω μιας άλλης «κορυφής» με μικρότερη δυναμική ενέργεια (U = mgh ), αλλά δεν ελαττώνει τη δυναμική ενέργεια της κορυφής του βουνού, η οποία εξακολουθεί να είναι η ίδια U = mgh. 28

29 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές [E ] U = mgh a [E ] U = mgh á h h A αντιδρώντα Β προϊόντα 11. Ποιες είναι οι σημαντικότερες θεωρίες κατάλυσης; Υπάρχουν διάφορες θεωρίες που ερμηνεύουν τη δράση των καταλυτών, όπως είναι: η θεωρία των ενδιάμεσων προϊόντων και η θεωρία της προσρόφησης. Καθεμία από τις δύο παραπάνω θεωρίες ερμηνεύει ικανοποιητικά ορισμένες περιπτώσεις κατάλυσης. α. Θεωρία των ενδιάμεσων προϊόντων Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, μια αντίδραση όπως για παράδειγμα η: Α + Β ΑΒ (αργή αντίδραση) ακολουθεί παρουσία καταλύτη έναν μηχανισμό δύο βημάτων (σταδίων): (1ο στάδιο): Α + Κ ΑΚ (γρήγορη αντίδραση) (2ο στάδιο): ΑΚ + Β ΑΒ + Κ (γρήγορη αντίδραση) όπου Κ είναι ο καταλύτης. Παρατηρούμε ότι ο καταλύτης καταναλώνεται στο πρώτο στάδιο για να σχηματίσει ένα ενδιάμεσο προϊόν (ΑΚ) και ανακτάται στο δεύτερο, δηλαδή χρησιμοποιείται επανειλημμένα. Συνεπώς, μόνο μια μικρή ποσότητα καταλύτη είναι απαραίτητη για τη δράση αυτήν. 29

30 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες Υπογραμμίζουμε ότι: Τόσο ο καταλύτης όσο και το ενδιάμεσο προϊόν δεν εμφανίζονται στη συνολική αντίδραση: (1ο στάδιο): A + K AK (2ο στάδιο): ΑΚ + Β ΑΒ + Κ αθροίζουμε: A+ K + AK + B AK + AB + K K συνολική: A+ B AB Ο καταλύτης πρέπει να είναι αντιδρών σε ένα στάδιο και στο επόμενο να είναι προϊόν (καταναλώνεται παράγεται). Με βάση τον παραπάνω μηχανισμό, το ενδιάμεσο προϊόν πρέπει να παράγεται σε ένα στάδιο από την αντίδραση του καταλύτη με ένα από τα αντιδρώντα και σε επόμενο στάδιο να καταναλώνεται. η αντίδραση χωρίς καταλύτη η αντίδραση µε καταλύτη ενέργεια ενέργεια A+ B E a ΑΒ Ε a,αντ A+B+Κ E á AΚ AB+Κ Ε á,αντ πορεία αντίδρασης πορεία αντίδρασης Η ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης παρουσία του καταλύτη ( E a ) είναι μικρότερη από την ενέργεια ενεργοποίησης χωρίς καταλύτη (E a ). Για την αντίθετη αντίδραση ΑΒ Α + Β, Ε a,αντ και E a,αντ είναι οι ενέργειες ενεργοποίησης χωρίς καταλύτη και με καταλύτη με E a,αντ < Ε a,αντ. Επομένως: Η πορεία που δημιουργεί ο καταλύτης έχει μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης τόσο για την προς τα δεξιά όσο και για την προς αριστερά αντίδραση. 30

31 H H H H Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές β. Θεωρία της προσρόφησης H θεωρία αυτή ερμηνεύει ικανοποιητικά την ετερογενή κατάλυση. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, τα αντιδρώντα μόρια (αέρια ή υγρά) προσροφώνται στην επιφάνεια του στερεού καταλύτη, ο οποίος είναι σε λεπτόκοκκο ή σπογγώδη μορφή. Στις συνθήκες αυτές, οι δεσμοί των μορίων εξασθενούν ή, ακόμη, διασπώνται, οπότε υποβοηθείται η αντίδραση (βλέπε το ακόλουθο σχήμα). Σημειώνουμε ότι η καταλυτική δράση δεν εκτείνεται σε όλα τα σημεία του καταλύτη, αλλά σε έναν σχετικά πολύ μικρό αριθμό σημείων, που ονομάζονται ενεργά κέντρα του καταλύτη. Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε σχηματικά την ερμηνεία της καταλυτικής δράσης του Ni στην αντίδραση CH = CH ( g)+ H ( g) Ni CH CH g ( ) με βάση τη θεωρία της προσρόφησης: H H H H C C H H H H H H C C H H H H H H C C H H επιφάνεια καταλύτη ενεργά κέντρα καταλύτη 1 2 Τα αέρια αντιδρώντα προσροφώνται στην επιφάνεια του καταλύτη Διασπώνται οι δεσμοί των αντιδρώντων μορίων (H H) H H H C H C H H H C H C 3 4 Σχηματίζονται οι δεσμοί των προϊόντων (C H) Τα αέρια προϊόντα απομακρύνονται από την επιφάνεια του καταλύτη 31

32 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες 12. Σημασία της κατάλυσης Εφαρμογές καταλυτών Σήμερα, η σύνθεση του 90% και πλέον των χημικών προϊόντων πραγματοποιείται με καταλυτικές διεργασίες. Η σημασία, λοιπόν, της κατάλυσης είναι προφανής και η σπουδαιότητά της αναμφισβήτητη για μια αειφόρο επιστημονική και οικονομική ανάπτυξη. Η κατάλυση έχει πρωταγωνιστικό ρόλο στους τομείς της Υγείας, της Ενέργειας, της Οργανικής Σύνθεσης, των νέων Υλικών και του Περιβάλλοντος. Ενδεικτικά, αναφέρουμε: 1. Χημική Βιομηχανία. Οι περισσότερες βιομηχανικές διεργασίες στηρίζονται σε καταλυτικές αντιδράσεις, αφού η επιτάχυνση που προκαλούν μειώνει το κόστος της βιομηχανικής παραγωγής. Παράδειγμα βιομηχανικής διεργασίας είναι η σύνθεση της αμμωνίας από άζωτο και υδρογόνο η οποία γίνεται καταλυτικά με Fe: ( )+ ( ) ( ) N g 3H g Fe 2NH g Βιοχημεία. Μέρα με τη μέρα διαπιστώνεται η μεγάλη σημασία των βιοκαταλυτών ή ενζύμων στις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στα ζώα και τα φυτά. Για παράδειγμα, ο ανθρώπινος οργανισμός συντηρεί ένα εξαιρετικά πολύπλοκο σύστημα αντιδράσεων. Οι αντιδράσεις αυτές πρέπει να γίνονται σε αυστηρά καθορισμένα όρια ταχύτητας, ώστε να διατηρηθεί η ζωή. Τον ρόλο αυτόν της ρύθμισης της ταχύτητας αναλαμβάνουν τα ένζυμα. 32

33 Θεωρία: Αναλυτική παρουσίαση με εφαρμογές Μεθοδολογία - Λυμένα παραδείγματα σύμφωνα με το 1ο - 2o θέμα των Εξετάσεων A κατηγορία ασκήσεων: Μεταβολές στους παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης Στις ασκήσεις αυτής της κατηγορίας: Μας δίνεται μια αντίδραση και μας ζητείται να προσδιορίζουμε και να αιτιολογούμε πώς επιδρά στην ταχύτητα της αντίδρασης ή στις ποσότητες των προϊόντων της η μεταβολή ενός ή περισσότερων παραγόντων από τους οποίους εξαρτάται η ταχύτητα της αντίδρασης. Μας δίνεται μια αντίδραση και μας ζητείται να προτείνουμε τρόπους που μεταβάλλουν (π.χ. αυξάνουν) την ταχύτητά της. Για να επιλύουμε ασκήσεις αυτής της κατηγορίας, είναι απαραίτητο να: έχουμε κατανοήσει τη θεωρία, κάνουμε απλούς στοιχειομετρικούς υπολογισμούς, αξιοποιούμε και ερμηνεύουμε τα διαγράμματα συγκέντρωσης - χρόνου. Υπογραμμίζουμε τα εξής: 1. Η μεταβολή της συγκέντρωσης αντιδρώντος επιδρά στην ταχύτητα της αντίδρασης, μόνο αν το αντιδρών είναι αέριο (g) ή σε μορφή διαλύματος (aq). 2. Η μεταβολή της πίεσης επιδρά στην ταχύτητα της αντίδρασης, μόνο αν οφείλεται σε μεταβολή του όγκου του δοχείου στο οποίο πραγματοποιείται η αντίδραση με σταθερή τη θερμοκρασία και αν στα αντιδρώντα υπάρχει τουλάχιστον ένα αέριο. 3. Η μεταβολή της επιφάνειας επαφής στερεού αντιδρώντος εξετάζεται στις ασκήσεις για την ίδια ποσότητα στερεού. 4. Η μεταβολή της θερμοκρασίας επιδρά στην ταχύτητα αντίδρασης, ανεξάρτητα αν αυτή είναι εξώθερμη ή ενδόθερμη. 33

34 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες 5. Η μεταβολή κάποιου παράγοντα που επηρεάζει την ταχύτητα αντίδρασης θα επιδρά στις ποσότητες των σχηματιζόμενων προϊόντων, αν προκαλεί μεταβολή στις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων. Για παράδειγμα, η μεταβολή της θερμοκρασίας επιδρά στην ταχύτητα αντίδρασης, δεν μεταβάλλει όμως τις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων ούτε τις ποσότητες των σχηματιζόμενων προϊόντων. Παράδειγμα 1o (έλεγχος της επίδρασης μιας μεταβολής στην ταχύτητα της αντίδρασης) Σε δοχείο σταθερού όγκου και στις απαραίτητες πειραματικές συνθήκες πραγματοποιούμε την αντίδραση (στους θ C): ( )+ ( ) ( )+ ( ) CH g Cl g CHCl l HCl g Από τις παρακάτω μεταβολές: Ι. εισαγωγή αρχικά στο δοχείο (στους θ C) μικρότερης ποσότητας Cl 2, II. αύξηση της θερμοκρασίας, III. εισαγωγή αερίου HCl στο δοχείο εξαρχής, μαζί με τα αντιδρώντα (στους θ C), αύξηση στην (αρχική) ταχύτητα της αντίδρασης: α. Προκαλούν οι μεταβολές Ι και ΙΙ. β. Προκαλούν οι μεταβολές Ι και ΙΙΙ. γ. Προκαλεί μόνο η μεταβολή ΙΙ. δ. Προκαλούν όλες οι μεταβολές. Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας με βάση τη θεωρία των συγκρούσεων. Λύση Εξετάζουμε αν καθεμία από τις παραπάνω μεταβολές επιδρά στην ταχύτητα της αντίδρασης. 34

35 Μεθοδολογία Λυμένα παραδείγματα Μεταβολή Ι: η μικρότερη ποσότητα Cl 2 ισοδυναμεί με μείωση της αρχικής του συγκέντρωσης: [ Cl ]= ncl 2 2, V σταθερός. Αποτέλεσμα είναι να ελαττωθεί ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων ανά μονάδα χρόνου μεταξύ των αντιδρώ- V ντων και τελικά να μειωθεί η (αρχική) ταχύτητα της αντίδρασης. Μεταβολή ΙΙ: Η αύξηση της θερμοκρασίας θα προκαλέσει αύξηση της αρχικής ταχύτητας της αντίδρασης. Συγκεκριμένα, αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση της μέσης κινητικής ενέργειας των αντιδρώντων μορίων, με συνέπεια να αυξηθεί ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων που πραγματοποιούνται στη μονάδα του χρόνου. Ουσιαστικά, αυξάνεται το ποσοστό των μορίων των αντιδρώντων που διαθέτουν κατάλληλη ενέργεια (μεγαλύτερη της ενέργειας ενεργοποίησης E a ), ώστε να δώσουν αποτελεσματικές συγκρούσεις. Μεταβολή ΙΙΙ: Η εισαγωγή του HCl αυξάνει τη συγκέντρωσή του, όμως δεν επιδρά στην ταχύτητα, επειδή είναι προϊόν της αντίδρασης. Ακόμη θα προκαλέσει αρχικά αύξηση των συνολικών mol των αερίων [αρχικά = 0: n ολ = nch ( 4 10)+ n( Cl2 )+ nhcl ( )], RT οπότε και αύξηση της συνολικής πίεσης: Pολ = nολ (R, T, V = σταθερά). V Η μεταβολή όμως της πίεσης δεν θα επιδράσει στην αρχική ταχύτητα της αντίδρασης, αφού δεν οφείλεται σε μεταβολή όγκου (έχουμε δοχείο σταθερού όγκου). Επομένως, σωστή είναι η επιλογή γ. Παράδειγμα 2o (σχέση ταχύτητας αντίδρασης και χρόνου ολοκλήρωσής της) Ορισμένη ποσότητα ρινισμάτων Zn προστίθεται σε περίσσεια αραιού υδατικού διαλύματος H 2 SO 4, χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος του διαλύματος, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση: Ζn(s) + H 2 SO 4 (aq) ZnSO 4 (aq) + H 2 (g) 35

36 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες Να εξηγήσετε την επίδραση που θα έχουν στον χρόνο ολοκλήρωσης της αντίδρασης καθεμία από τις παρακάτω μεταβολές: α. Προσθέτουμε την ίδια ποσότητα Zn με τη μορφή σκόνης. β. Χρησιμοποιούμε την ίδια ποσότητα ρινισμάτων Zn, αφού πρώτα αραιώσουμε το διάλυμα H 2 SO 4 (χωρίς να μεταβληθεί η θερμοκρασία του). γ. Προσθέτουμε ίδια ποσότητα ρινισμάτων Zn, αλλά το διάλυμα του H 2 SO 4 έχει χαμηλότερη θερμοκρασία. Λύση Ξεκινάμε με το δεδομένο ότι όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα της αντίδρασης, τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος που απαιτείται για να ολοκληρωθεί. Επομένως, πρέπει να εξετάσουμε αν μεταβάλλεται η ταχύτητα αντίδρασης σε καθεμία από τις παρακάτω μεταβολές. α. Σε σχέση με τα ρινίσματα, η ίδια ποσότητα Zn σε μορφή σκόνης εμφανίζει μεγαλύτερη επιφάνεια επαφής. Έχουμε δηλαδή αύξηση της επιφάνειας επαφής του στερεού αντιδρώντος (Zn), οπότε αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης και ελαττώνεται ο χρόνος ολοκλήρωσής της. β. Η αραίωση του διαλύματος Η 2 SO 4 προκαλεί μείωση της αρχικής συγκέντρωσης nhcl του διαλύματος = c, V n HCl σταθ., δηλαδή μείωση της συγκέντρωσης του αντιδρώντος της αντίδρασης, οπότε και μείωση της ταχύτητας αντίδρασης. Επομένως, ο χρόνος ολοκλήρωσης της αντίδρασης αυξάνεται. γ. Η χαμηλότερη θερμοκρασία του διαλύματος H 2 SO 4 προκαλεί ελάττωση της ταχύτητας της αντίδρασης, επομένως απαιτείται περισσότερος χρόνος για να ολοκληρωθεί η αντίδραση. Σημείωση Στο παραπάνω παράδειγμα δεν μας ενδιέφεραν οι αρχικές ποσότητες (mol) των αντιδρώντων σε σχέση με τη μεταβολή της ταχύτητας της αντίδρασης. 36

37 Μεθοδολογία Λυμένα παραδείγματα Εξετάζουμε τις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων σε περιπτώσεις όπου απαιτούνται στοιχειομετρικοί υπολογισμοί. Παράδειγμα 3o (μεταβολές στην ταχύτητα αντίδρασης - στοιχειομετρικοί υπολογισμοί) Όταν περίσσεια σκόνης MgCO 3 προστεθεί σε 50 ml διαλύματος HCl, συγκέντρωσης 1 M, πραγματοποιείται η μονόδρομη αντίδραση: MgCO 3 (s) + 2HCl(aq) MgCl 2 (aq) + H 2 O(l) + CO 2 (g) Να προσδιορίσετε την επίδραση που θα έχουν στην αρχική ταχύτητα και στον συνολικό όγκο του CO 2 που θα σχηματιστεί, οι ακόλουθες μεταβολές: α. Χρησιμοποιούμε την ίδια ποσότητα MgCO 3 αλλά με τη μορφή μεγαλύτερων κόκκων σκόνης. β. 1 g (0,025 mol) NaOH διαλύεται στο διάλυμα του HCl (χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος και η θερμοκρασία του), πριν προστεθεί το MgCO 3. γ. Ίσος όγκος νερού προστίθεται στο διάλυμα του HCl (χωρίς να μεταβληθεί η θερμοκρασία του), πριν από την προσθήκη του MgCO 3. Λύση Εξετάζουμε την επίδραση κάθε μεταβολής στην αρχική ταχύτητα της αντίδρασης. α. Επειδή μειώνεται ο βαθμός κατάτμησης του στερεού αντιδρώντος (MgCO 3 ), δηλαδή ελαττώνεται η επιφάνεια επαφής του, η αρχική ταχύτητα της αντίδρασης θα ελαττωθεί. β. To διάλυμα του οξέος περιέχει n = c V= 1M 0, 05 L = 005, mol HCl. Με την προσθήκη του NaOH (0,025 mol) θα πραγματοποιηθεί αντίδραση εξουδετέρωσης: 37

38 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες mol HCl + NaOH NaCl + H 2 O αρχικά: 0,05 0,025 αντ/παρ: 0,025 0,025 0,025 τελικά: 0, ,025 Τελικά το διάλυμα του HCl (πριν από την προσθήκη του MgCO 3 ) αποκτά συγκέντρωση c = = = 05, M. Δηλαδή η μεταβολή που έγινε προκάλεσε n 0, 025 mol V 005, L μείωση στην αρχική συγκέντρωση αντιδρώντος της αντίδρασης (από 1 Μ σε 0,5 Μ), οπότε η αρχική ταχύτητα της αντίδρασης θα ελαττωθεί. γ. Η αραίωση θα προκαλέσει ελάττωση της αρχικής συγκέντρωσης του διαλύματος n HCl = = c, n n HCl σταθ., οπότε και ελάττωση της αρχικής ταχύτητας V της αντίδρασης. Επίδραση κάθε μεταβολής στον συνολικό όγκο του CO 2 που θα σχηματιστεί. Ο όγκος του CO 2 που σχηματίζεται (μετρούμενος σε δεδομένες συνθήκες P, T) καθορίζεται από τις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων σε συνδυασμό με τη στοιχειομετρία της αντίδρασης. Μας δίνεται ότι η ποσότητα του MgCO 3 είναι σε περίσσεια, οπότε ο όγκος του CO 2 θα καθοριστεί από την ποσότητα mol του HCl (n mol) που περιέχει το διάλυμά του: MgCO 3 (s) + 2HCl(aq) MgCl 2 (aq) + H 2 O(l) + CO 2 (g) 2 mol 1 mol ή V m L (σε ορισμένη P και T) n mol V n Vm = L () 1 CO2 2 α. Δεν έχουμε μεταβολή των mol HCl του διαλύματός του, οπότε ο όγκος του CO 2 που σχηματίζεται είναι ίδιος [τα n, V m στη σχέση (1) δεν μεταβάλλονται]. 38

39 Μεθοδολογία Λυμένα παραδείγματα β. Μετά την αντίδραση εξουδετέρωσης με το NaOH, ελαττώνεται η ποσότητα mol του HCl (από 0,05 mol σε 0,025 mol), οπότε σύμφωνα με τη σχέση (1) ελαττώνεται ο όγκος του CO 2 που παράγεται. [ n, V m = σταθ., στη σχέση (1)]. γ. Η αραίωση δεν μεταβάλλει την ποσότητα mol HCl του διαλύματός του, οπότε παράγεται ο ίδιος όγκος CO 2 [τα n, V m στη σχέση (1) δεν μεταβάλλονται]. Παράδειγμα 4o (παράγοντες που επιδρούν στην ταχύτητα αντίδρασης - στοιχειομετρικοί υπολογισμοί - διαγράμματα) Στον επόμενο πίνακα δίνονται τα αποτελέσματα τεσσάρων πειραμάτων που έγιναν με την επίδραση 5,6 g (0,1 mol) ρινισμάτων Fe σε αραιά διαλύματα ΗNO 3, σύμφωνα με τη μη ισοσταθμισμένη αντίδραση: Fe(s) + HNO 3 (aq) Fe(NO 3 ) 3 (aq) + NO(g) + H 2 O(g) Όγκος διαλύματος ΗΝΟ 3 Συγκέντρωση διαλύματος ΗΝΟ 3 Θερμοκρασία διαλύματος Αρχική ταχύτητα αντίδρασης Πείραμα 1ο 200 ml 2 Μ 20 C υ 1 Πείραμα 2ο 200 ml 2 Μ 30 C υ 2 Πείραμα 3ο 100 ml 2 Μ 20 C υ 3 Πείραμα 4ο 100 ml 1 Μ 20 C υ 4 α. Να διατάξετε σε αύξουσα σειρά τις αρχικές ταχύτητες των αντιδράσεων. β. Για όλα τα πειράματα να σχεδιάσετε ποιοτικά, στο ίδιο διάγραμμα, την ποσότητα (σε mol) του παραγόμενου ΝΟ σε συνάρτηση με τον χρόνο. Λύση α. Για τα πειράματα που έγιναν πρέπει να ελέγξουμε τους εξής παράγοντες για την ταχύτητα της αντίδρασης: 39

40 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες επιφάνεια επαφής του Fe: ίδια σε κάθε πείραμα. συγκέντρωση του διαλύματος ΗΝΟ 3 : δεν είναι ίδια σε όλα τα πειράματα θερμοκρασία: δεν είναι ίδια σε όλα τα πειράματα. Επομένως, πρέπει να λάβουμε υπόψη μας για τη σύγκριση των αρχικών ταχυτήτων τη συγκέντρωση του αντιδρώντος, δηλαδή του ΗΝΟ 3, καθώς και τη θερμοκρασία. Μεγαλύτερη αρχική ταχύτητα αντίδρασης θα έχουμε στο πείραμα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση του διαλύματος ΗΝΟ 3 και τη μεγαλύτερη θερμοκρασία, ενώ τη μικρότερη αρχική ταχύτητα θα έχουμε στο πείραμα με τη μικρότερη συγκέντρωση του διαλύματος ΗΝΟ 3 και τη μικρότερη θερμοκρασία. Οπότε η διάταξη θα έχει ως εξής: υ 4 < υ 3 = υ 1 < υ 2. β. Θα υπολογίσουμε για τα τέσσερα πειράματα τα mol ΝΟ που παράγονται με βάση τις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων και τη στοιχειομετρία της αντίδρασης, η οποία ισοσταθμισμένη έχει ως εξής: Fe(s) + 4HNO 3 (aq) Fe(NO 3 ) 3 (aq) + NO(g) + 2H 2 O(g) Πείραμα 1ο: (200 ml διαλύματος ΗΝΟ 3, συγκέντρωσης 2 Μ / 20 C) Αρχικές ποσότητες: 0,1 mol Fe και n = c V= 2 M 0, 2 L = 0, 4 mol HNO3. Από τη στοιχειομετρία της αντίδρασης διαπιστώνουμε ότι τα αντιδρώντα είναι σε στοιχειομετρική αναλογία, οπότε ο υπολογισμός της ποσότητας του ΝΟ μπορεί να γίνει με βάση την αρχική ποσότητα του Fe ή του ΗΝΟ 3 : Fe(s) + 4HNO 3 (aq) Fe(NO 3 ) 3 (aq) + NO(g) + 2H 2 O(g) 4 mol 1 mol 0,4 mol ; = 0,1 mol Πείραμα 2ο: (200 ml διαλύματος ΗΝΟ 3, συγκέντρωσης 2 Μ / 30 C) Προκύπτει η ίδια ποσότητα 0,1 mol ΝΟ όπως και στο 1ο πείραμα. 40

41 Μεθοδολογία Λυμένα παραδείγματα Πείραμα 3ο: (100 ml ΗΝΟ 3, συγκέντρωσης 2 Μ / 20 C) Αρχικές ποσότητες: 0,1 mol Fe και n = c V= 2 M 01, L = 0, 2 mol HNO3. Το ΗΝΟ 3 είναι το ελλειμματικό αντιδρών, οπότε: Fe(s) + 4HNO 3 (aq) Fe(NO 3 ) 3 (aq) + NO(g) + 2H 2 O(g) 4 mol 1 mol 0,2 mol ; = 0,05 mol Πείραμα 4ο: (100 ml ΗΝΟ 3, συγκέντρωσης 1 Μ / 20 C) Αρχικές ποσότητες: 0,1 mol Fe και n = c V= 1M 01, L = 01, mol HNO3. Και εδώ το ΗΝΟ 3 είναι το ελλειμματικό αντιδρών, οπότε: Fe(s) + 4HNO 3 (aq) Fe(NO 3 ) 3 (aq) + NO(g) + 2H 2 O(g) 4 mol 1 mol 0,1 mol ; = 0,025 mol Σχεδιάζουμε το ζητούμενο διάγραμμα, λαμβάνοντας υπόψη τους χρόνους ολοκλήρωσης των αντιδράσεων, οι οποίοι ακολουθούν αντίστροφη σειρά σε σχέση με τις (αρχικές) ταχύτητες: 4 > 3 = 1 > 2. n NO 0,1 mol 2 M/30 o C 2 M/20 o C 0,05 mol 2 M/20 o C 0,025 mol 1 M/20 o C 2 1 =

42 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες Β κατηγορία ασκήσεων: Μεταβολή καμπύλης αντίδρασης λόγω μεταβολής παράγοντα που επηρεάζει την ταχύτητα της αντίδρασης Στις ασκήσεις αυτής της κατηγορίας μάς ζητείται να προσδιορίζουμε πώς θα μεταβληθεί η καμπύλη αντίδρασης ενός ή περισσοτέρων σωμάτων μιας αντίδρασης, αν μεταβάλλουμε έναν από τους παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης. Υπενθυμίζουμε ότι: α. Η καμπύλη αντίδρασης είναι η γραφική παράσταση της συγκέντρωσης ενός σώματος (όχι στερεού) της αντίδρασης σε συνάρτηση με τον χρόνο. Για τα αντιδρώντα η καμπύλη αντίδρασης «κατέρχεται», επειδή η συγκέντρωσή τους μειώνεται σε συνάρτηση με τον χρόνο. Για τα προϊόντα η καμπύλη αντίδρασης «ανέρχεται», επειδή η συγκέντρωσή τους αυξάνεται σε συνάρτηση με τον χρόνο. Για παράδειγμα, για την αντίδραση Α(g) 2B(g) η καμπύλη αντίδρασης για το αντιδρών Α και το προϊόν Β δίνεται στο ακόλουθο σχήμα, όπου ν είναι η χρονική στιγμή ολοκλήρωσης της αντίδρασης, οπότε οι συγκεντρώσεις πλέον δεν μεταβάλλονται. c 2c 0 Β c 0 Α ν β. Αν η μεταβολή κάποιου παράγοντα προκαλέσει αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης, τότε ο χρόνος ολοκλήρωσης της αντίδρασης ν ελαττώνεται, ενώ αν προκαλέσει μείωση της ταχύτητας της αντίδρασης, ο χρόνος ν αυξάνεται. 42

43 Μεθοδολογία Λυμένα παραδείγματα Για παράδειγμα, αν στην παραπάνω αντίδραση αυξήσουμε τη θερμοκρασία (V σταθ.), τότε η ταχύτητα της αντίδρασης θα αυξηθεί, η αντίδραση θα ολοκληρωθεί σε λιγότερο χρόνο ν< ν, οπότε οι καμπύλες αντίδρασης γίνονται πιο απότομες, ενώ δεν μεταβάλλονται ούτε οι αρχικές ούτε οι τελικές συγκεντρώσεις των σωμάτων της αντίδρασης (βλέπε το ακόλουθο σχήμα σε σχέση με το προηγούμενο). c 2c 0 Β c 0 Α ν ν Παράδειγμα 5o (καμπύλη αντίδρασης και παράγοντες που επιδρούν στην ταχύτητα της αντίδρασης) Σε κλειστό δοχείο σταθερού όγκου V = 2 L εισάγουμε 0,2 mol σκόνης στερεού Α και 0,4 mol αερίου Β, οπότε σε θερμοκρασία θ 1 C πραγματοποιείται η αντίδραση: Α(s) + B(g) Γ(g) α. Να σχεδιάσετε την καμπύλη αντίδρασης για τα σώματα Β και Γ από την έναρξη της αντίδρασης μέχρι και τη χρονική στιγμή ν στην οποία αυτή ολοκληρώνεται. β. Πώς θα μεταβληθεί το διάγραμμα που σχεδιάσατε αν στις ίδιες πειραματικές συνθήκες προσθέταμε αρχικά ( = 0) στο δοχείο επιπλέον 0,2 mol B; Λύση α. Με βάση τις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων και τη στοιχειομετρία της αντίδρασης, διαπιστώνουμε ότι το Α είναι το ελλειμματικό αντιδρών, οπότε η αντίδραση ολοκληρώνεται όταν καταναλωθεί όλη η ποσότητά του: 43

44 Ενότητα 5Α: Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες mol: Α(s) + B(g) Γ(g) Αρχικά ( = 0): 0,2 0,4 0 Μεταβολές: 0,2 0,2 +0,2 Τελικά ( ν ): 0 0,2 0,2 Για να σχεδιάσουμε τις καμπύλες αντίδρασης, υπολογίζουμε τις συγκεντρώσεις του Β και του Γ τη χρονική στιγμή = 0 και τη χρονική στιγμή ν : nb [ B]= [ Γ]= n V VΓ = 0: 04, mol [ B] = = 02, M 0 2 L ν : 02, mol [ B] = = 01, M ν 2 L 0 02, mol [ Γ] = = 01, M ν 2 L Οι καμπύλες αντίδρασης προκύπτουν μεταφέροντας τις παραπάνω τιμές στο διπλανό διάγραμμα: c(μ) 0,2 0,1 Β Γ ν β. Στην περίπτωση αυτή έχουμε μεγαλύτερη αρχική συγκέντρωση για το αντιδρών Β: [ B] = nb αφού n = 0 B V V, σταθ. Επειδή, όμως, η ταχύτητα αντίδρασης αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης των αντιδρώντων, στην περίπτωση αυτήν η αντίδραση θα ολοκληρωθεί σε λιγότερο χρόνο < ν ν. 44

45 Μεθοδολογία Λυμένα παραδείγματα Για τις νέες καμπύλες αντίδρασης πρέπει να λάβουμε υπόψη τις μεταβολές των συγκεντρώσεων που θα επιφέρει η μεταβολή που έγινε, οπότε εργαζόμαστε όπως και στο α ερώτημα: mol: Α(s) + B(g) Γ(g) Αρχικά ( = 0): 0,2 0,4 + 0,2 0 Μεταβολές: 0,2 0,2 +0,2 Τελικά ( ν): 0 0,4 0,2 Για να σχεδιάσουμε τις καμπύλες αντίδρασης υπολογίζουμε τις συγκεντρώσεις του Β και του Γ τη χρονική στιγμή = 0 και τη χρονική στιγμή ν: nb [ B]= [ Γ]= n V VΓ = 0: 06, mol [ B] = = 03, M 0 2 L ν: 04, mol [ B] = = 02, M ν 2 L 0 02, mol [ Γ] = = 01, M ν 2 L Οι νέες καμπύλες αντίδρασης που προκύπτουν δίνονται στο παρακάτω σχήμα: c(μ) 0,3 0,2 Β 0,1 Γ ν ν 45