Χημεια γ 3

3η ενότητα - Χημική Κινητική

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 3η Ενότητα Χημική κινητική

-37-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

-38-

3η ενότητα - Χημική Κινητική

Εισαγωγή Η χημική κινητική είναι ένας κλάδος της χημείας που μελετά: α. β. γ.

την ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων (δηλαδή το ρυθμό με τον οποίο εξελίσσονται οι χημικές αντιδράσεις). τους παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων. τον μηχανισμό με τον οποίο πραγματοποιούνται οι χημικές αντιδράσεις (δηλαδή την πορεία που ακολουθούν οι χημικές αντιδράσεις).

Θεωρούμε τη χημική εξίσωση: C(s) + O2(g) → CO2(g), ΔΗ = -94 Kcal Από αυτή παίρνουμε τις εξής πληροφορίες: Γίνεται μία ανακατανομή της ύλης (αναδιάταξη των ατόμων και δημιουργία νέων μορίων) Ελευθερώνεται θερμότητα 94 Kcal από την αντίδραση 1 mol C(s) με 1 mol O2(g) και το σχηματισμό 1 mol CO2(g). Δεν μας πληροφορεί για την ταχύτητα της αντίδρασης και το μηχανισμό με τον οποίο πραγματοποιείται. Όταν λέμε μηχανισμό της αντίδρασης εννοούμε τα ενδιάμεσα βήματα ή στοιχειώδεις αντιδράσεις που ακολουθεί η αντίδραση μέχρι να σχηματιστούν τα τελικά προϊόντα.

Θεωρία των συγκρούσεων - Θεωρία της μεταβατικής κατάστασης Σύμφωνα με τη θεωρία των συγκρούσεων (Arrhenius 1889) για ν’ αντιδράσουν δύο μόρια πρέπει να συγκρουστούν με κατάλληλη ταχύτητα και κατάλληλο προσανατολισμό. Έτσι μπορούν να σπάσουν οι χημικοί δεσμοί που συγκρατούν τα δομικά σωματίδια των αντιδρώντων και να δημιουργηθούν οι χημικοί δεσμοί των προϊόντων. Τότε η σύγκρουση λέγεται αποτελεσματική. Έχει υπολογιστεί ότι σε κάθε εκατό εκατομμύρια συγκρούσεις μόνο μία είναι αποτελεσματική. Η ελάχιστη απαιτούμενη ενέργεια για μια αποτελεσματική σύγκρουση λέγεται ενέργεια ενεργοποίησης (συμβολίζεται Εα). Όταν η ενέργεια ενεργοποίησης είναι μικρή η αντίδραση πραγματοποιείται εύκολα. Ακολουθούν παραδείγματα αποτελεσματικών και μη αποτελεσματικών συγκρούσεων, με μοριακά μοντέλα, που περιγράφουν τη χημική αντίδραση: ΝΟ + Ο3 → ΝΟ2 + Ο2

-39-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

Σύμφωνα με τη θεωρία της μεταβατικής κατάστασης σχηματίζεται μετά την κρούση των αντιδρώντων ένα ενδιάμεσο προϊόν. Αυτό απορροφά την ενέργεια ενεργοποίησης και ονομάζεται ενεργοποιημένο σύμπλοκο. Στη συνέχεια σχηματίζονται τα προϊόντα. Τα χημικά φαινόμενα περιγράφονται με ενεργειακά διαγράμματα όπως αυτό που ακολουθεί. χημική ενέργεια

ενεργοποιημένο σύμπλοκο Εξώθερμη αντίδραση

Εα αντιδρώντα

ΔΗ προϊόντα πρόοδος της αντίδρασης

Το χημικό σύστημα απορροφά την ενέργεια ενεργοποίησης από το περιβάλλον, συνήθως με μορφή θερμότητας, ανεξάρτητα από το αν η αντίδραση είναι ενδόθερμη ή εξώθερμη.

-40-

3η ενότητα - Χημική Κινητική

Ταχύτητα αντίδρασης Θεωρούμε τη χημική αντίδραση

αΑ + βΒ → γΓ + δΔ

Ο ρυθμός με τον οποίο μειώνεται η συγκέντρωση του σώματος Α δηλαδή το πηλίκο υΑ =

-dC A

dt

αποτελεί την ταχύτητα με την οποία αντιδρά (καταναλώνεται) το σώμα Α.

Όμοια ο ρυθμός με τον οποίο μειώνεται η συγκέντρωση του σώματος Β, η ταχύτητα με την οποία καταναλώνεται το Β δίνεται από τη σχέση υΒ =

-dCB

dt

Οι ρυθμοί με τους οποίους αυξάνονται οι συγκεντρώσεις των σωμάτων Γ και Δ αποτελούν τις ταχύτητες σχηματισμού των σωμάτων Γ και Δ, άρα: υΓ =

dC Γ

dt

και υΔ =

dC Δ

dt

Από τη στοιχειομετρία της αντίδρασης φαίνεται ότι ο ρυθμός με τον οποίο μεταβάλλεται η συγκέντρωση κάθε ουσίας είναι διαφορετικός. Ονομάζουμε ταχύτητα της αντίδρασης αΑ + βΒ → γΓ + δΔ το μέγεθος υ:

υ υ υ υ 1 dC 1 dC 1 dC 1 dC υ= − A = − B = Γ = Δ ή υ = Α = Β = Γ = Δ α dt β dt γ dt δ dt α β γ δ

Παρατηρήσεις: Όταν η χρονική διάρκεια είναι μεγάλη (Δt) η ταχύτητα που υπολογίζουμε είναι μέση ταχύτητα. Πειραματικά μπορούμε να προσδιορίσουμε τις μεταβολές της συγκέντρωσης ουσιών σε χρονικά διαστήματα Δt, επομένως μπορούμε να προσδιορίσουμε τη μέση ταχύτητα αργών αντιδράσεων. Συνήθως η ταχύτητα στην αρχή της αντίδρασης είναι μεγάλη και με την πάροδο του χρόνου μειώνεται και τελικά μηδενίζεται. Σε σπάνιες περιπτώσεις είναι σταθερή σε όλη τη διάρκεια της αντίδρασης. Μονάδα της ταχύτητας είναι συνήθως: 1 mol·L-1·s-1 ή 1 Μ/s αλλά και άλλες όπως το 1 mol·L-1·min-1 ή 1 M/min

-41-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου

Καμπύλη αντίδρασης Η γραφική παράσταση της μεταβολής της συγκέντρωσης ενός σώματος σε συνάρτηση με το χρόνο λέγεται καμπύλη της αντίδρασης. Ο στιγμιαίος ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης μιας ουσίας είναι αριθμητικά ίσος με την τιμή της εφαπτομένης της γωνίας (φ) που σχηματίζεται από την εφαπτομένη στην καμπύλη τη δεδομένη χρονική στιγμή και από τον άξονα των χρόνων. Στην αντίδραση: α Α → β Β έχουμε τις καμπύλες:

Σε πολύ μικρή μεταβολή του χρόνου (dt → 0) όπου dt = t2 - t1 η συγκέντρωση μεταβάλλεται κατά dC = C2 – C1. Η κλίση της καμπύλης δείχνει το ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του συγκεκριμένου σώματος: εφφ=

C 2 −C1 t 2 − t1

= υB

Μετά από κάποια χρονική στιγμή tv οι συγκεντρώσεις παραμένουν σταθερές. Αυτό σημαίνει ότι η αντίδραση έχει ολοκληρωθεί.

-42-

3η ενότητα - Χημική Κινητική

Ασκήσεις Από το σχολικό βιβλίο: Ερωτήσεις - Ασκήσεις 1,2,3,4,5,6,22,23,24,25,26,27(i),28,29,30,31,32,33,52,54(α,β,γ) 1.

Σύμφωνα με τη θεωρία των συγκρούσεων, για να είναι μια σύγκρουση αποτελεσματική πρέπει τα μόρια να έχουν: α. ενέργεια μικρότερη από την ενέργεια ενεργοποίησης β. κατάλληλη ταχύτητα και κατάλληλο προσανατολισμό γ. κατάλληλη ταχύτητα και τυχαίο προσανατολισμό δ. έλθει σε επαφή Λύση Σωστή είναι η β

2.

Η μονάδα της ταχύτητας μπορεί να είναι: α. mol·L–1·s–1

β.

–1 –1 γ. mol·L ·h

δ.

mol·L–1·min–1 όλες οι προηγούμενες

Λύση Σωστή είναι η δ 3.

Σε κενό δοχείο εισάγονται ισομοριακές ποσότητες από τις ουσίες Α και Β, οπότε πραγματοποιείται η αντίδραση Α(g) + 2Β(g) → Γ(g). Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης: α. οι συγκεντρώσεις των Α και Β μεταβάλλονται με τον ίδιο ρυθμό β. η συγκέντρωση του Γ αυξάνεται με σταθερό ρυθμό γ. ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του Β είναι διπλάσιος από το ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του Α δ. η συγκέντρωση του Α τελικά μηδενίζεται Λύση Σωστή είναι η γ, διότι οι ρυθμοί μεταβολής είναι ανάλογοι των συντελεστών

4.

Από τη θεωρία των συγκρούσεων προκύπτει ότι: α. τα μόρια των αντιδρώντων συγκρούονται και αποκτούν κατάλληλο προσανατολισμό β. η ενέργεια ενεργοποίησης ταυτίζεται με την ενθαλπία κάθε αντίδρασης γ. το μεγαλύτερο ποσοστό των συγκρούσεων είναι αποτελεσματικές δ. η ταχύτητα της αντίδρασης εξαρτάται από τον αριθμό των αποτελεσματικών συγκρούσεων στη μονάδα του χρόνου Λύση Σωστή είναι η γ -43-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 5.

Να χαρακτηρίσετε τις προτάσεις που ακολουθούν ως σωστές ή λάθος. α. Ενέργεια ενεργοποίησης λέγεται η ελάχιστη τιμή της ενέργειας που πρέπει να έχουν τα μόρια ώστε να αντιδράσουν αποτελεσματικά. β. Σύμφωνα με τη θεωρία της μεταβατικής κατάστασης σχηματίζεται ένα ενδιάμεσο προϊόν που απορροφά την ενέργεια ενεργοποίησης και ονομάζεται ενεργοποιημένο σύμπλοκο. Λύση α. β.

6.

Σωστή Σωστή

Σε δοχείο σταθερού όγκου εισάγονται ισομοριακές ποσότητες από τα σώματα Χ και Υ, τα οποία αντιδρούν σύμφωνα με τη χημική εξίσωση: Χ(g) + 2 Y(g) → 2 Z(g) Α. Οποιαδήποτε χρονική στιγμή ισχύει:

α. [Χ] = [Y]

β. [Χ] < [Ζ]

γ. [Ζ] < [Y]

δ.

[Y] < [Χ]

Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Β. Αν ο όγκος του δοχείου και η θερμοκρασία στη διάρκεια της

αντίδρασης διατηρούνται σταθερά, η πίεση μεταβάλλεται;

Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. Λύση

Α. Υποθέτουμε ότι βάζουμε στο δοχείο n mol από κάθε σώμα.

Έχουμε:

Χ(g) + 2 Y(g) → 2 Z(g) Αρχικές ποσότητες

n mol n mol Αντιδρούν μέχρι τη στιγμή t x mol 2x mol Παράγονται μέχρι τη στιγμή t - - 2x mol Περιέχονται στο δοχείο τη στιγμή t (n-x)mol (n-2x) mol 2x mol Άρα n(X) > n(Y), σωστή είναι η δ Β.

Η πίεση δίνεται από τη σχέση PV = nRT. Εφόσον διατηρούνται σταθερά τα μεγέθη V,T,R η πίεση είναι ανάλογη με τα mol των αερίων. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης τα συνολικά mol μειώνονται (διότι από 3 mol αντιδρώντων σχηματίζονται 2 mol προϊόντων), οπότε η πίεση μειώνεται. Όταν τελειώσει η αντίδραση σταθεροποιείται.

-44-

3η ενότητα - Χημική Κινητική 7.

Σε δοχείο σταθερού όγκου V = 2 L εισάγονται 4 mol από το αέριο Α και 9 mol από το αέριο Β, τα οποία σε κατάλληλες συνθήκες αντιδρούν και σχηματίζουν το αέριο Γ σύμφωνα με την αντίδραση: Α(g) + 3 Β(g) → 2 Γ(g) α. Να υπολογίσετε πόσα mol από κάθε σώμα υπάρχουν στο δοχείο όταν τελειώνει η αντίδραση. β. Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης. γ. Σε κοινό διάγραμμα να κάνετε τη γραφική παράσταση της μεταβολής της συγκέντρωσης όλων των σωμάτων σε συνάρτηση με το χρόνο. Δίνεται ότι η αντίδραση ολοκληρώνεται σε tv = 10 s. Λύση Σε σταθερό όγκο οι συγκεντρώσεις είναι ανάλογες των mol. Αρχικές συγκεντρώσεις: [Α] = 4 mol/2 L = 2 M, [B] = 9 mol/2 L = 4,5 M. Η στοιχειομετρική αναλογία mol είναι 1/3 ενώ η αρχική αναλογία mol είναι 4/9 = 1/2,25. Επομένως το Β είναι σε έλλειμμα και το Α σε περίσσεια. Ακολουθεί πίνακας μεταβολών των συγκεντρώσεων.

Αρχικά Αντιδρούν Παράγονται Τελικά α. β. γ.

Α(g) + 3 B(g) → 2 Γ(g) 2 Μ 4,5 Μ - 1,5 Μ 4,5 Μ - - 3 Μ 0,5 Μ - 3 Μ

Τελικά: n(A) = 0,5·2 = 1 mol, n(B) = 0 mol, n(Γ) = 3·2 = 6 mol Δ[Γ] 3M Δ[Γ] = [Γ]τελ-[Γ]αρχ = 3 Μ - 0 = 3 Μ, υ = = = 0,15 Μ/s 2Δt 20 s

Με βάση τον πίνακα μεταβολών φτιάχνουμε το διάγραμμα που ακολουθεί.

C/M 4,5

3,0 2.0 1,5 0,5 10 •

t/s

Προσοχή! όταν υπάρχουν στερεά ή υγρά ο πίνακας γίνεται μόνο με mol.

-45-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου 8.

Σε κενό δοχείο σταθερού όγκου 4 L εισάγονται 8 mol αερίου Α, 12 mol αερίου Β, και 8 mol αερίου Γ, τα οποία αντιδρούν σύμφωνα με την αντίδραση: A(g) + 2 B(g) → 2 Γ(g) + 4 Δ(g) Αν η μέση ταχύτητα της αντίδρασης για τα 10 πρώτα δευτερόλεπτα είναι υ = 0,1 mol L–1s–1, να υπολογίσετε: α. τη μέση ταχύτητα σχηματισμού των αερίων Γ και του Δ στο χρονικό διάστημα 0 έως 10 s. β. τη σύσταση σε mol του χημικού συστήματος τη χρονική στιγμή t = 10 s Λύση α. υ(Γ) = 2υ = 0,2 Μ/s, υ(Δ) = 4υ = 0,4 Μ/s β.

Αρχικές συγκεντρώσεις: [Α] = 8 mol/ 4 L = 2 M και [B] = 12 mol / 4 L = 3 M Εφόσον ο όγκος είναι σταθερός μπορούμε να κάνουμε πίνακα μεταβολών με συγκεντρώσεις (όταν μεταβάλλεται ο όγκος ο πίνακας γίνεται πάντα με mol).

Α(g) + 2 Β(g) → 2 Γ(g) + 4 Δ(g) Αρχικά

2 M 3 M 2 Μ - Αντιδρούν x M 2x M - Παράγονται - - 2x M 4x M t = 10 s (2-x) M (3-2x) M (2+2x) M 4x M Στο χρονικό διάστημα 0 - 10 s, έχουμε

Δ[Δ] υ = ⇔ Δ[Δ] = 4⋅υ⋅Δt = 4⋅0,1mol⋅L−1 ⋅s −1 ⋅10 s = 4M 4Δt

οπότε: 4x - 0 = 4 ⇒ x = 1 Τελικές συγκεντρώσεις: [A] = 1 Μ, [Β] = 1 Μ, [Γ] = 4 Μ, [Δ] = 4 Μ Τελικά mol: n(A) = 1·4 = 4 mol A, n(B) = 1·4 = 4 mol B, n(Γ) = 4·4 = 16 mol Γ, και n(Δ) = 4·4 = 16 mol Δ

-46-

3η ενότητα - Χημική Κινητική 9.

Σε κενό δοχείο όγκου V = 2 L εισάγονται 5 mol ισομοριακού μείγματος ΝΟ(g) και Ο2(g). Σε σταθερή θερμοκρασία πραγματοποιείται η αντίδραση: 2 ΝΟ(g) + Ο2(g) → 2 ΝΟ2(g) Τη χρονική στιγμή t1 = 25 s το δοχείο περιέχει 1 mol ΝΟ2. α. Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα κατανάλωσης του NO για το χρονικό διάστημα 0 - 25 s. β. Να υπολογίσετε τη μέση ταχύτητα της αντίδρασης για το χρονικό διάστημα 0 - 25 s. γ. Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης η πίεση παραμένει σταθερή ή μεταβάλλεται; Να εξηγήσετε την επιλογή σας. Λύση Το μείγμα είναι ισομοριακό, επομένως περιέχει 2,5 mol NO και 2,5 mol O2. α.

2 ΝΟ(g) + Ο2(g) → 2 ΝΟ2(g)

Αρχικές ποσότητες 2,5 mol 2,5 mol -

Αντιδρούν 2x mol x mol - Παράγονται

- - 2x mol τη στιγμή t (2,5-2x) mol (2,5-x) mol 2x mol n(NO2) = 1 mol ⇒ 2x = 1 ⇒ x = 0,5 [NO]αρχ = 2,5/2 = 1,25 Μ, [ΝΟ]τελ = 1,5/2 = 0,75 Μ υ(NO) = −

β. γ.

10.

υ=

υ(NO) 2

Δ[NO] Δt

=−

(0,75 − 1,25)M 25 s

= 0,02 M/s

= 0,01 Μ/s

⎛ nRT ⎞ Η πίεση ⎜ P = μειώνεται διότι μειώνεται ο συνολικός αριθμός V ⎟⎠ ⎝

των mol των αερίων.

Δίνεται η χημική εξίσωση: Η2Ο2 + ΗΙ → Ι2 + Η2Ο. α. Να προσδιορίσετε το στοιχείο που οξειδώνεται και το στοιχείο που ανάγεται. Στη συνέχεια να χαρακτηρίσετε το Η2Ο2 ως οξειδωτικό ή αναγωγικό αιτιολογώντας την επιλογή σας. β. Να συμπληρώσετε τους συντελεστές της αντίδρασης. γ. Να γράψετε τη σχέση που συνδέει το ρυθμό κατανάλωσης του Η2Ο2 με το ρυθμό κατανάλωσης του ΗΙ. Λύση α. β. γ.

Οξειδώνεται το ιώδιο από -1 σε 0 και ανάγεται το οξυγόνο από -1 σε -2. Οξειδωτικό είναι το Η2Ο2 και αναγωγικό το ΗΙ. Η2Ο2 + 2 ΗΙ → Ι2 + 2 Η2Ο υ(ΗΙ) = 2υ(Η2Ο2)

-47-

3η ενότητα - Χημική Κινητική

Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα Η ταχύτητα των αντιδράσεων εξαρτάται απ’ τον αριθμό των αποτελεσματικών συγκρούσεων στη μονάδα χρόνου, οι παράγοντες που επηρεάζουν τον αριθμό των αποτελεσματικών συγκρούσεων είναι οι εξής: Η φύση των αντιδρώντων Οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων Η πίεση Η θερμοκρασία Η επιφάνεια επαφής των στερεών Οι ακτινοβολίες Οι καταλύτες Φύση των αντιδρώντων Γενικά οι ιοντικές αντιδράσεις είναι πιο γρήγορες από τις μοριακές αντιδράσεις, γιατί στις μοριακές αντιδράσεις πρέπει να σπάσουν κάποιοι δεσμοί και να δημιουργηθούν νέοι δεσμοί. Τα πιο δραστικά σώματα αντιδρούν πιο γρήγορα από τα λιγότερο δραστικά. π.χ. η αντίδραση Η2 + Cl2 → 2 HCl είναι πιο γρήγορη από την αντίδραση Η2 + Br2 → 2 HBr γιατί το χλώριο είναι δραστικότερο από το βρώμιο. Συγκέντρωση των αντιδρώντων Γενικά όταν αυξηθεί η συγκέντρωση των αντιδρώντων, υπάρχουν περισσότερα μόρια στον ίδιο χώρο, αυξάνεται η πιθανότητα των συγκρούσεων των μορίων άρα και η πιθανότητα των αποτελεσματικών συγκρούσεων, κι’ έτσι αυξάνεται η ταχύτητα της αντίδρασης. Όσο εξελίσσεται η αντίδραση μειώνεται η συγκέντρωση των αντιδρώντων άρα και η ταχύτητα της αντίδρασης. Πίεση Η πίεση επηρεάζει την ταχύτητα όταν στα αντιδρώντα υπάρχουν αέρια. Με ελάττωση του όγκου του δοχείου έχουμε αύξηση της πίεσης, οπότε βάσει της

n σχέσης C = έχουμε αύξηση της συγκέντρωσης των αντιδρώντων αερίων, άρα V αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης. Θερμοκρασία Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία τα μόρια αποκτούν μεγαλύτερη κινητική ενέργεια, άρα κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα και αυξάνεται ο αριθμός των συγκρούσεων των μορίων στη μονάδα χρόνου. Έτσι αυξάνεται η ταχύτητα.

-51-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου Έχει υπολογιστεί πειραματικά ότι αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 °C έχει ως συνέπεια διπλασιασμό της ταχύτητας. Επιφάνεια των αντιδρώντων στερεών Τα στερεά συμμετέχουν στις αντιδράσεις με την επιφάνεια τους και όχι με όλη τη μάζα τους. Όταν αυξάνεται η επιφάνεια τους αυξάνεται και η ταχύτητα της αντίδρασης. Έτσι όταν αντιδρά στερεό με υγρό ή στερεό με αέριο τεμαχίζουμε το στερεό σε σκόνη ώστε να αυξηθεί η επιφάνεια επαφής και η αντίδραση να γίνει πιο γρήγορα. Ακτινοβολίες Ορισμένες αντιδράσεις επιταχύνονται παρουσία ακτινοβολιών. Τα αντιδρώντα απορροφούν τις ακτινοβολίες, αυξάνεται η ενέργεια τους με αποτέλεσμα να αυξηθεί η ταχύτητα της αντίδρασης. Καταλύτες Οι καταλύτες είναι χημικές ουσίες, οι οποίες αυξάνουν την ταχύτητα των χημικών αντιδράσεων, χωρίς να καταναλώνονται ή να αλλοιώνονται χημικά. Οι καταλύτες δεν επηρεάζουν τις ποσότητες των ουσιών που θα σχηματιστούν αλλά μόνο την ταχύτητα με την οποία σχηματίζονται.

Καταλυτικές αντιδράσεις Οι καταλυτικές αντιδράσεις διακρίνονται σε ετερογενείς και ομογενείς. “Μια καταλυτική αντίδραση λέγεται ετερογενής όταν ο καταλύτης βρίσκεται σε διαφορετική φυσική κατάσταση από τα αντιδρώντα και ομογενής όταν βρίσκεται στην ίδια φυσική κατάσταση με τα αντιδρώντα”. π.χ. ο λευκόχρυσος καταλύει την αντίδραση:

1

(s) H2 (g) + O2 (g) ⎯Pt⎯ →H2O(l) 2

οι υδρατμοί καταλύουν την αντίδραση:

1

H O(g)

2 CO(g) + O2 (g) ⎯⎯⎯ → CO2 (g) 2

Όταν ένα προϊόν παίζει το ρόλο του καταλύτη η κατάλυση χαρακτηρίζεται ως αυτοκατάλυση π.χ. όταν αντιδρά υπερμαγγανικό κάλιο KMnO4 με οξαλικό οξύ HOOC-COOH παράγονται ιόντα Mn+2 (στο MnSO4) που λειτουργούν ως καταλύτης της αντίδρασης. Έτσι η αντίδραση είναι στην αρχή αργή και μετά επιταχύνεται.

2KMnO4 +5(COOH)2 +3H2SO4 →K2SO4 +2MnSO4 +10CO2 +8H2O

Καταλυτικές ιδιότητες εμφανίζουν τα μέταλλα σε λεπτότατο διαμερισμό (σκόνη), τα ιόντα Η+, τα ιόντα ΟΗ-, ενώσεις που εύκολα οξειδώνονται και ανάγονται, κ.α.

-52-

3η ενότητα - Χημική Κινητική Εξήγηση της δράσης των καταλυτών Ο καταλύτης επηρεάζει το μηχανισμό της αντίδρασης, παρέχοντας μια εναλ-λακτική πορεία που απαιτεί μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης. Έτσι περισσό-τερα μόρια αποκτούν την ενέργεια ενεργοποίησης και αυξάνεται ο αριθμός των αποτελεσματικών συγκρούσεων. Η κατάλυση ερμηνεύεται με διάφορες θεωρίες όπως η θεωρία του σχηματισμού ενδιαμέσων προϊόντων, η θεωρία της προσρόφησης κ.α. Σύμφωνα με τη θεωρία των ενδιάμεσων προϊόντων μια αργή αντίδραση της μορφής: Α + Β → ΑΒ που έχει ενέργεια ενεργοποίησης Εα, όταν χρησιμοποιήσουμε τον καταλύτη Κ γίνεται με τον εξής μηχανισμό:

Α + Κ → ΑΚ

με ενέργεια ενεργοποίησης Εα1

ΑΚ + Β → ΑΒ + Κ με ενέργεια ενεργοποίησης Εα2 Το άθροισμα των ενεργειών ενεργοποίησης Εα1 και Εα2 είναι μικρότερο από την Εα και η αντίδραση με τη βοήθεια του καταλύτη γίνεται με μεγαλύτερη ταχύτητα. Να προσέξουμε ότι στο πρώτο στάδιο ο καταλύτης καταναλώνεται και στο δεύτερο ξανασχηματίζεται.

Εφαρμογές των καταλυτών Επιλέγοντας τον κατάλληλο καταλύτη μπορούμε να επιταχύνουμε μια χημική αντίδραση ή να την οδηγήσουμε σε επιθυμητά προϊόντα. Στη βιομηχανία οι περισσότερες αντιδράσεις είναι καταλυτικές, στη βιοχημεία σχεδόν όλες οι αντιδράσεις γίνονται με τη βοήθεια ενζύμων, στην καθημερινή ζωή χρησιμοποιούμε προϊόντα όπως σκόνες πλυντηρίων με ένζυμα, καταλυτικά αυτοκίνητα, παράγουμε κρασί από μούστο με την αλκοολική ζύμωση που γίνεται με ένζυμα κ.α.

-53-

Χημεία θετικού προσανατολισμού Γ΄ Λυκείου Ασκήσεις Από το σχολικό βιβλίο: σελ. 90 Ερωτήσεις - Ασκήσεις 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 34, 35, 38, 39, 40, 42, 53, 55 23.

Να αναφέρετε δύο παράγοντες από τους εξαρτάται η ταχύτητα κάθε μιας από τις παρακάτω αντιδράσεις (εκτός της θερμοκρασίας). α. β. γ.

N (g) + 3 H2 (g) ⎯καταλυτες ⎯⎯⎯ → 2 NH3 (g) 2

Na CO (s) + 2 HCl(aq) → 2 NaCl(aq) + CO2 (g) + H2O(l) 2 3 φως CH (g) + Cl2 (g) ⎯διαχυτο ⎯⎯⎯ → CH3Cl(g) + HCl(g) 4

Λύση α. β. γ.

24.

πίεση, καταλύτες επιφάνεια Na2CO3, συγκέντρωση HCl πίεση, ακτινοβολίες

Να εξηγήσετε τα παρακάτω φαινόμενα: α. Η ζάχαρη καίγεται στον αέρα στους 600 °C ενώ στον ανθρώπινο οργανισμό καίγεται στους 36,7 °C. β. Ένα κομμάτι μάρμαρο διαλύεται πιο αργά σε υδροχλωρικό οξύ από ίση ποσότητα μαρμαρόσκονης. γ. Όταν αυξήσουμε τη θερμοκρασία κατά 40 °C η ταχύτητα της αντίδρασης δεκαεξαπλασιάζεται Λύση α. β.

γ.

25.

Η καύση στον οργανισμό γίνεται σε ήπιες συνθήκες με τη βοήθεια των ενζύμων Όταν αντιδρούν στερεά παίζει σημαντικό ρόλο η επιφάνειά τους. Η σκόνη έχει πολύ μεγάλη επιφάνεια σε σχέση με το κομμάτι μάρμαρο και αντιδρά πιο γρήγορα. Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία κατά 10 °C η ταχύτητα της αντίδρασης διπλασιάζεται. Επομένως κατά 40 °C η ταχύτητα πολλαπλασιάζεται με τον αριθμό 24 = 16.

Δίνονται οι αντιδράσεις: Η2(g) + Cl2(g) → 2 HCl(g) αργή στους 25 °C Η2(g) + F2(g) → 2 HF(g) γρήγορη στους 25 °C Τα αντιδρώντα έχουν την ίδια συγκέντρωση και στις δύο αντιδράσεις. Να εξηγήσετε γιατί διαφέρει η ταχύτητά των αντιδράσεων. Λύση Η διαφορά οφείλεται στη δραστικότητα των μορίων Cl, F. Το F ως δραστικότερο αντιδρά πιο γρήγορα από το Cl. -54-

3η ενότητα - Χημική Κινητική 26.

Περίσσεια σκόνης MgCO3 διαλύονται σε 50 mL διαλύματος HCl 1 M, οπότε γίνεται η αντίδραση: MgCO3(s) + 2 HCl(aq) → MgCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l) α. Η αρχική ταχύτητα της αντίδρασης θα είναι πιο μικρή, αν χρησιμοποιήσουμε:

i.

100 mL διαλύματος HCl 0,5 M

ii.

25 mL διαλύματος HCl 1 M

iii.

40 mL διαλύματος HCl 2 M

Να αιτιολογήσετε την απάντησή σας. β. Σε ποια περίπτωση παράγεται περισσότερο CO2; Λύση α.

β.

Σωστή απάντηση είναι η i. Η ταχύτητα της αντίδρασης εξαρτάται από τη συγκέντρωση του HCl. Μειώνεται με τη μείωση της συγκέντρωσης. Περισσότερο CO2 παράγεται στην περίπτωση iii, διότι χρησιμοποιείται μεγαλύτερη ποσότητα HCl σε mol.

27.

Σε θερμοκρασία 20 °C μια αντίδραση έχει ταχύτητα 0,3 M/s, ποια θα είναι η ταχύτητα της στους 50 °C; Να θεωρήσετε ότι όταν αυξάνεται η θερμοκρασία κατά 10 °C η ταχύτητα διπλασιάζεται.

28.

Μια καταλυτική αντίδραση γίνεται στα εξής στάδια: 4 Cu(s) + O2(g) → 2 Cu2O(s) 2 Cu2O(s) + 2 H2(g) → 2 H2O(ℓ) + 4 Cu(s) Να γραφεί η συνολική αντίδραση και να καθοριστεί ο καταλύτης. Είναι ετερογενής ή ομογενής καταλυτική αντίδραση;

29.

Μια καταλυτική αντίδραση χαρακτηρίζεται ……………………, όταν ο καταλύτης και τα ……………………. βρίσκονται στην ίδια φάση. …………………………………. λέγεται το φαινόμενο κατά το οποίο ένα από τα προϊόντα μιας αντίδρασης δρα ως καταλύτης. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 50 °C τα ένζυμα ……………………….. Η παρουσία καταλύτη συνήθως αλλάζει το ……………………… της αντίδρασης.

30.

Η ταχύτητα της αντίδρασης Zn(s) + 2 HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g) δεν εξαρτάται από: α. τη συγκέντρωση του διαλύματος υδροχλωρίου β. τη θερμοκρασία γ. το βαθμό διαμερισμού του ψευδαργύρου δ. την πίεση

-55-