ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ.1 ΓΕΝΙΚΑ ΓΙΑ ΤΗ ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ Χηµική κινητική είναι ο κλάδος της Χηµείας πο µελετά: Την ταχύτητα µε την οποία γίνεται µια χηµική αντίδραση Τος παράγοντες πο επηρεάζον την ταχύτητα της αντίδρασης Το µηχανισµό της αντίδρασης Θεωρία των σγκρούσεων (Arrhenius, 1889) Σύµφωνα µε τη θεωρία των σγκρούσεων για να γίνει µια χηµική αντίδραση, πρέπει τα µόρια των αντιδρώντων να σγκροστούν κατάλληλα, δηλαδή θα πρέπει οι σγκρούσεις να είναι αποτελεσµατικές ή ενεργές. Για να είναι µια σύγκροση αποτελεσµατική, πρέπει τα σωµατίδια (άτοµα, µόρια, ιόντα) πο σγκρούονται να έχον: Κατάλληλη κινητική ενέργεια (ενέργεια ενεργοποίησης) Κατάλληλο προσανατολισµό Η ελάχιστη κινητική ενέργεια πο πρέπει να έχον τα σωµατίδια πο σγκρούονται, ώστε η σύγκροση τος να είναι αποτελεσµατική, λέγεται ενέργεια ενεργοποίησης(eα). Εξώθερµη αντίδραση Ενδόθερµη αντίδραση 1
Για να είναι µια σύγκροση αποτελεσµατική, πρέπει επίσης τα σωµατίδια πο σγκρούονται να έχον τον κατάλληλο προσανατολισµό και ατό εξαρτάται από τη γεωµετρία των σωµατιδίων πο σγκρούονται. Μη αποτελεσµατική σύγκροση Αποτελεσµατική σύγκροση Θεωρία µεταβατικής κατάστασης Σύµφωνα µε τη θεωρία της µεταβατικής κατάστασης, πρέπει τα σωµατίδια πο σγκρούονται να σγκροστούν αποτελεσµατικά, οπότε να σχηµατιστεί ένα ασταθές µόριο πο λέγεται ενεργοποιηµένο σύµπλοκο. [ Α... Β... Γ] [ Α... Β... Γ] Εξώθερµη αντίδραση Ενδόθερµη αντίδραση
Ταχύτητα χηµικής αντίδρασης (): Είναι η µεταβολή της σγκέντρωσης ενός από τα σστατικά της αντίδρασης (προϊόν ή αντιδρών) στη µονάδα το χρόνο, δηλαδή είναι ο ρθµός µεταβολής της σγκέντρωσης ενός από τα σστατικά της αντίδρασης. αα+ββ γγ+δ 1 C 1 C 1 C 1 C = = = = α t β t γ t δ t Α Β Γ Α Β Γ ή = = = = α β γ δ Όπο, Α, Β = ταχύτητες κατανάλωσης (ή ρθµός µεταβολής της σγκέντρωσης ) των αντιδρώντων Α, Β. ηλαδή, CΑ Α =, t C Β = t Β Το µείον ( ) δείχνει µείωση της σγκέντρωσης το αντιδρώντος. Γ, = ταχύτητες σχηµατισµού (ή ρθµός µεταβολής της σγκέντρωσης) των προϊόντων Γ,. ηλαδή, CΓ C Γ =, = t t Το σν ( + ), δείχνει αύξηση της σγκέντρωσης το προϊόντος. Όταν µετράµε τη µεταβολή της σγκέντρωσης ενός από τα σστατικά της αντίδρασης (προϊόν ή αντιδρών) σε κάποιο χρονικό διάστηµα t, οσιαστικά πολογίζοµε τη µέση ταχύτητα της αντίδρασης για ατό το χρονικό διάστηµα. 3
Στιγµιαία ταχύτητα είναι η ταχύτητα της αντίδρασης µια ορισµένη χρονική στιγµή t. Στιγµιαία ταχύτητα είναι η απειροελάχιστη µεταβολή της σγκέντρωσης ενός από τα σστατικά της αντίδρασης (προϊόν ή αντιδρών) σε απειροελάχιστη µεταβολή το χρόνο dt. 1 dc 1 dc 1 dc 1 dc = = = = α dt β dt γ dt δ dt Α Β Γ Α Β Γ ή = = = = α β γ δ Όπο, dc Α, dc Β = η απειροελάχιστη µεταβολή της σγκέντρωσης των αντιδρώντων Α, Β. dc Γ, dc = η απειροελάχιστη µεταβολή της σγκέντρωσης των προϊόντων Γ,. dt = η απειροελάχιστη µεταβολή το χρόνο τη χρονική στιγµή t. Α, Β = ταχύτητες κατανάλωσης (ή ρθµός µεταβολής της σγκέντρωσης ) των αντιδρώντων Α, Β. ηλαδή, dcα Α =, dt = Β dcβ dt Το µείον ( ) δείχνει µείωση της σγκέντρωσης το αντιδρώντος. Γ, = ταχύτητες σχηµατισµού (ή ρθµός µεταβολής της σγκέντρωσης) των προϊόντων Γ,. ηλαδή, dcγ dc Γ =, = dt dt Το σν ( + ), δείχνει αύξηση της σγκέντρωσης το προϊόντος. 4
Η µονάδα ταχύτητας στο SI είναι: mοl Μ = = L s s Η καµπύλη αντίδρασης, δηλαδή η γραφική παράσταση της µεταβολής της σγκέντρωσης των αντιδρώντων ή προϊόντων σε σχέση µε το χρόνο, έχει τη µορφή: C C Γ C C Α C Β t 3. ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΕΠΗΡΕΑΖΟΥΝ ΤΗΝ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΜΙΑΣ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗΣ Οι παράγοντες πο επηρεάζον την ταχύτητα µιας αντίδρασης είναι: Η φύση των αντιδρώντων. Γενικά οι ιοντικές αντιδράσεις είναι σνήθως πιο γρήγορες (µικρή µε τις µοριακές αντιδράσεις πο είναι πιο αργές (µεγάλη Ε α ). Ε α ) σε σχέση Η + Cl + Κ + S Κ Cl +Η S (γρήγορη) + + (aq) (aq) (aq) Η +Ι ΗΙ (g ) (g ) (αργή) Η σγκέντρωση των αντιδρώντων. Αύξηση της σγκέντρωσης των αντιδρώντων αξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης (C, ). 5
Η πίεση όταν ένα τολάχιστον από τα αντιδρώντα είναι αέριο και σνοδεύεται από µεταβολή όγκο το σστήµατος. Αύξηση της πίεσης προκαλεί ελάττωση το όγκο το σστήµατος και αξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης ( Ρ και V, ). Η επιφάνεια επαφής των αντιδρώντων στις ετερογενείς αντιδράσεις. Αύξηση της επιφάνειας επαφής ενός στερεού πο γίνεται µε κατάτµηση (διαµερισµό) το, αξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης (επιφάνεια επαφής, ). Ένα φάρµακο δρα πιο γρήγορα όταν είναι σε µορφή σκόνης, απ ότι όταν είναι σε µορφή χαπιών. Η θερµοκρασία. Αύξηση της θερµοκρασίας, προκαλεί αύξηση στην ταχύτητα µιας αντίδρασης, ανεξάρτητα αν ατή είναι εξώθερµη ( Η < 0) ή ενδόθερµη ( Η> 0). Ατό σµβαίνει γιατί αξάνει το ποσοστό των µορίων πο µπορούν να σγκροστούν αποτελεσµατικά ( θ, ). Οι ακτινοβολίες. Ορισµένες αντιδράσεις µε την επίδραση ακτινοβολίας ή φωτός γίνονται µε µεγαλύτερη ταχύτητα. Ατό σµβαίνει γιατί µε την επίδραση της ακτινοβολίας αλλάζει ο µηχανισµός της αντίδρασης και έχει µικρότερη ακτινοβολίας, ) Η + Η + ά Cl σκοτ δι ΗC Ηλιακό φως Cl Η l (πολύ αργή) Cl (πολύ γρήγορη) Ε α (επίδραση 6
Οι Καταλύτες. Λµένα Θέµατα και Ασκήσεις κ.λ.π Καταλύτης είναι οσία πο σε µικρές ποσότητες αξάνει την ταχύτητα µιας αντίδρασης και µένει στο τέλος της αντίδρασης αµετάβλητη και ως προς τη χηµική σύσταση και ως προς τη µάζα. Πολλές χηµικές αντιδράσεις µε την παροσία καταλτών, αξάνον την ταχύτητα τος. Ατό οφείλεται στο ότι ο καταλύτης αλλάζει το µηχανισµό της αντίδρασης και µειώνεται η Ε α (παροσία καταλύτη, ). SΟ +Ο SΟ (g ) (g ) 3(g ) SΟ +Ο SΟ ΝΟ (g ) (g ) 3 (αργή) (γρήγορη) 3.3 ΝΟΜΟΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΜΙΑΣ ΑΝΤΙ ΡΑΣΗΣ Έχοµε τη γενική αντίδραση: αα +ββ γγ +δ Νόµος ταχύτητας της αντίδρασης: Είναι η µαθηµατική σχέση της στιγµιαίας ταχύτητας αντίδρασης, σε σνάρτηση µε τις σγκεντρώσεις των αντιδρώντων, σε ορισµένη θερµοκρασία και προσδιορίζεται µόνο πειραµατικά: = Α Β x y k[ ] [ ] = στιγµιαία ταχύτητα της αντίδρασης, σε m οl L s k = σταθερά ταχύτητας, εξαρτάται από τη φύση των αντιδρώντων και τη θερµοκρασία. Προσδιορίζεται πειραµατικά. Οι µονάδες της εξαρτώνται από την τάξη της αντίδρασης [Α], [Β] = οι σγκεντρώσεις των αντιδρώντων Α, Β σε m οl L x, y = αριθµοί πο προσδιορίζονται πειραµατικά 7
Τάξη αντίδρασης: Είναι το άθροισµα x+y των εκθετών των σγκεντρώσεων στο νόµο ταχύτητας της αντίδρασης. Στη γενική αντίδραση, έχοµε: Ολική τάξη της αντίδρασης: x+y x τάξης ως προς Α y τάξης ως προς Β Οι εκθέτες x, y δεν τατίζονται πάντα µε τος στοιχειοµετρικούς σντελεστές των αντιδρώντων (α, β) στη χηµική εξίσωση της αντίδρασης. Παρατήρηση: Στις ετερογενείς αντιδράσεις, όπο σµµετέχον στερεά µε αέρια ή γρά, τα στερεά παραλείπονται από το νόµο ταχύτητας, επειδή επηρεάζον την ταχύτητα της αντίδρασης µόνο µε την επιφάνεια επαφής τος και όχι µε τη σνολική τος µάζα: Νόµος ταχύτητας: C +Ο CΟ (s) (g ) = k[ Ο ] Οι χηµικές αντιδράσεις ανάλογα αν γίνονται σε ένα ή περισσότερα στάδια, διακρίνονται σε: Απλές ή στοιχειώδεις αντιδράσεις: Είναι οι αντιδράσεις πο η µετατροπή των αντιδρώντων σε προϊόντα, γίνεται σε ένα µόνο στάδιο. Στις αντιδράσεις ατές οι εκθέτες x και y στο νόµο της ταχύτητας τατίζονται µε τος στοιχειοµετρικούς σντελεστές α και β των αντιδρώντων στη χηµική εξίσωση. αα +ββ γγ +δ (γίνεται σε ένα στάδιο) 8
Νόµος ταχύτητας: [ ] α β =Κ Α [ Β ] (απλή ή στοιχειώδης αντίδραση) Παρατήρηση: Όταν x=α και y=β, δεν σηµαίνει ποχρεωτικά ότι η χηµική αντίδραση είναι απλή ή στοιχειώδης. Πολύπλοκες αντιδράσεις: Είναι οι αντιδράσεις πο η µετατροπή των αντιδρώντων σε προϊόντα γίνεται σε περισσότερα από ένα στάδια. Στις αντιδράσεις ατές ο νόµος ταχύτητας καθορίζεται από τη στοιχειώδη αντίδραση πο γίνεται πιο αργά, δηλαδή από το βραδύτερο στάδιο µηχανισµού της πολύπλοκης αντίδρασης. Μηχανισµός µιας πολύπλοκης αντίδρασης είναι το σύνολο των στοιχειωδών αντιδράσεων πο χρειάζονται για να πραγµατοποιηθεί η αντίδραση. Α+ Β Γ (πολύπλοκη αντίδραση) Πιθανός µηχανισµός: Α+Β +Β Γ Α+ Β Γ (αργό στάδιο) (γρήγορο στάδιο) Νόµος ταχύτητας: = k[ Α ] [Β] Σγγραφέας : Ανδρούλα Γεωργίο 9