Kinetyka i energetyka reakcji
Reguła Le Chateliera-Brauna
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.8
Równowaga chemiczna i zasada Le Chateliera
W stanie równowagi szybkości reakcji wprost i odwrotnej są równe, lecz obie reakcje nadal zachodzą. Stężenia są stałe w czasie, ale nie muszą być równe.
Stała K zależy od temperatury. Do wyrażenia nie wprowadza się czystych ciał stałych ani cieczy, ponieważ ich aktywność przyjmuje się jako stałą.
Porównanie ilorazu reakcji Q ze stałą K wskazuje kierunek zmian: Q<K — reakcja biegnie w prawo, Q>K — w lewo. Zasada Le Chateliera jakościowo przewiduje odpowiedź na zmianę stężenia, ciśnienia lub temperatury.
Kc = Π[produkty]^ν / Π[substraty]^ν
- Katalizator nie zmienia K ani składu równowagowego.
- Zmiana objętości wpływa na równowagi gazowe z różną liczbą moli gazu po stronach.
- Temperatura działa jak dostarczanie lub odbieranie ciepła, zależnie od znaku ΔH.
- Dodanie obojętnego gazu przy stałej objętości nie zmienia ciśnień parcjalnych reagentów.
Schemat: Równowaga chemiczna i zasada Le Chateliera
Kolejne etapy procesu wraz z kierunkiem zmian.
Podstawa programowa: IV.8
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.
„W równowadze reakcja się zatrzymuje”
Poprawnie: Równowaga jest dynamiczna; szybkości obu kierunków są równe.
„Katalizator przesuwa równowagę w stronę produktów”
Poprawnie: Zmniejsza czas dojścia do równowagi bez zmiany jej położenia.
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. Wpływ ciśnienia
Dla N₂+3H₂⇌2NH₃ przewidź skutek zmniejszenia objętości.
- 1.Policz mole gazu po obu stronach.
- 2.Zmniejszenie objętości zwiększa ciśnienie.
- 3.Równowaga przesuwa się ku mniejszej liczbie moli gazu.
Odpowiedź
Przesuwa się w prawo, ku 2 molom NH₃ zamiast 4 moli reagentów.
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.
- Katalizator nie zmienia K ani składu równowagowego.
- Zmiana objętości wpływa na równowagi gazowe z różną liczbą moli gazu po stronach.
- W stanie równowagi szybkości reakcji wprost i odwrotnej są równe, lecz obie reakcje nadal zachodzą. Stężenia są stałe w czasie, ale nie muszą być równe.
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.
- Równowaga dynamiczna
- Stan równych szybkości reakcji przeciwnych.
- Iloraz reakcji
- Wyrażenie jak K obliczone dla aktualnych stężeń.
- Aktywność
- Efektywne stężenie uwzględniające nieidealność układu.