Kinetyka i energetyka reakcji
Prawo Hessa i standardowe entalpie tworzenia
Kinetyka reakcji i kataliza
Szybkość reakcji opisuje zmianę stężenia reagenta w czasie. Znak i współczynnik stechiometryczny uwzględnia się tak, aby szybkość reakcji była dodatnia i niezależna od wybranej substancji.
Równanie kinetyczne v=k[A]^m[B]^n ustala się doświadczalnie; wykładniki nie muszą równać się współczynnikom równania sumarycznego. Rząd reakcji jest sumą wykładników.
Temperatura zwiększa udział cząsteczek o energii przekraczającej energię aktywacji. Katalizator zapewnia inną drogę o niższej barierze, ale nie zmienia ΔH, ΔG ani stałej równowagi.
v = k[A]^m[B]^n
- Większe stężenie zwiększa częstość zderzeń.
- Rozdrobnienie zwiększa powierzchnię kontaktu ciała stałego.
- k zależy od temperatury i rodzaju reakcji.
- Katalizator jest odtwarzany w cyklu reakcji, choć może ulegać dezaktywacji.
Schemat: Kinetyka reakcji i kataliza
Zależność między zmiennymi i jej interpretacja.
Podstawa programowa: IV.9
Energetyka reakcji i prawo Hessa
Zmiana entalpii reakcji przy stałym ciśnieniu odpowiada ciepłu wymienionemu z otoczeniem. ΔH<0 oznacza reakcję egzotermiczną, a ΔH>0 endotermiczną.
Prawo Hessa wynika z funkcji stanu: całkowita zmiana entalpii zależy tylko od stanu początkowego i końcowego. Równania można odwracać i mnożyć, odpowiednio zmieniając znak i wartość ΔH.
Szacunkowo ΔH można obliczyć jako energię wiązań zrywanych minus energię wiązań tworzonych. W kalorymetrii ciepło q=mcΔT, a znak dla reakcji jest przeciwny znakowi ciepła roztworu lub kalorymetru.
ΔH = ΣΔHf(produkty) − ΣΔHf(substraty); q=mcΔT
- Egzotermiczna ogrzewa otoczenie; endotermiczna je chłodzi.
- Katalizator nie zmienia ΔH.
- Standardowe entalpie tworzenia pierwiastków w stanie standardowym wynoszą 0.
- Wykres energii pokazuje Ea i różnicę energii produktów oraz substratów.
Schemat: Energetyka reakcji i prawo Hessa
Zależność między zmiennymi i jej interpretacja.
Podstawa programowa: IV.10
Najczęstsze błędy
„Rząd reakcji odczytuje się zawsze ze współczynników”
Poprawnie: Dla reakcji złożonych równanie kinetyczne ustala się z danych doświadczalnych.
„Katalizator zwiększa wydajność równowagową”
Poprawnie: Przyspiesza osiągnięcie tego samego stanu równowagi w obu kierunkach.
„Egzotermiczna ma wysoką energię aktywacji, a endotermiczna niską”
Poprawnie: Znak ΔH i wartość Ea opisują różne cechy reakcji.
„Odwrócenie równania nie zmienia ΔH”
Poprawnie: Po odwróceniu reakcji znak ΔH zmienia się na przeciwny.
Zadania z odpowiedziami
1. Wyznaczanie rzędu
Podwojenie [A] przy stałym [B] powoduje czterokrotny wzrost szybkości. Wyznacz rząd względem A.
- 1.Zapisz 2^m=4.
- 2.Rozwiąż wykładnik.
- 3.Podaj m=2.
Odpowiedź
Reakcja jest drugiego rzędu względem A.
2. Prawo Hessa
Jeśli A→B ma ΔH=−50 kJ, a B→C ΔH=+20 kJ, oblicz ΔH dla A→C.
- 1.Dodaj równania etapów.
- 2.Skróć B jako produkt i substrat pośredni.
- 3.Dodaj entalpie.
Odpowiedź
ΔH(A→C)=−50+20=−30 kJ.
Podsumowanie
- Większe stężenie zwiększa częstość zderzeń.
- Rozdrobnienie zwiększa powierzchnię kontaktu ciała stałego.
- Szybkość reakcji opisuje zmianę stężenia reagenta w czasie. Znak i współczynnik stechiometryczny uwzględnia się tak, aby szybkość reakcji była dodatnia i niezależna od wybranej substancji.
- Egzotermiczna ogrzewa otoczenie; endotermiczna je chłodzi.
- Katalizator nie zmienia ΔH.
- Zmiana entalpii reakcji przy stałym ciśnieniu odpowiada ciepłu wymienionemu z otoczeniem. ΔH<0 oznacza reakcję egzotermiczną, a ΔH>0 endotermiczną.
Słownik pojęć
- Rząd reakcji
- Suma wykładników stężeń w równaniu kinetycznym.
- Energia aktywacji
- Minimalna energia prowadząca do skutecznej przemiany.
- Katalizator
- Substancja zwiększająca szybkość przez alternatywny mechanizm.
- Entalpia
- Funkcja stanu używana do opisu wymiany ciepła przy stałym ciśnieniu.
- Prawo Hessa
- Addytywność zmian entalpii niezależnie od drogi przemiany.
- Kalorymetria
- Pomiar ciepła na podstawie zmian temperatury układu.