9789612414221

a. co m ar n jig

kn kemija za gimnazije 2 ucb.indd 1

23.4.2010 14:06:14

Kemijske reakcije Učbenik za kemijo v gimnaziji Avtorja dr. Andrej Godec, dr. Ivan Leban

a. co m

Recenzentke dr. Saša Petriček, Sanja Cvar, Nika Cebin, Špela Tršek Urednica Špela Fortuna Lektorica Zala Mikeln

Tehnične risbe Darko Simeršek

Ilustracija Davor Grgičević Modeli Ivan Leban

ar n

Fotografije Tomaž Lunder, Ivan Leban, Andrej Godec, Jurij Senegačnik, Igor Modic, Mojmir Fortuna, Katarina Štilec, Ivan Esenko, Salonit Anhovo, gradbeni materiali, d. d., Talum, d. d., Kidričevo, Marko Zaplatil – Inštitut a arheologijo ZRC SAZU, © Bigstock, arhiv založbe Modrijan Oprema in oblikovanje Branka Smodiš Prelom Goran Čurčič

jig

Izdala in založila Modrijan založba, d. o. o.

Za založbo Branimir Nešović Natisnila Tiskarna Impress, d. d.

Naklada 2000 izvodov Ljubljana 2010 Prva izdaja

kn

Strokovni svet RS za splošno izobraževanje je na seji dne 15. 4. 2010 s sklepom št. 6130-1/2010/91 potrdil učbenik Atomi in molekule, učbenik za kemijo v gimnaziji, ki sta ga napisala Andrej Godec in Ivan Leban.

© Modrijan založba, d. o. o.

CIP – Kataložni zapis o publikaciji Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 54(075.3) GODEC, Andrej, 1958– Kemijske reakcije : učbenik za kemijo v gimnaziji / Andrej Godec, Ivan Leban ; [tehniške risbe Darko Simeršek ; fotografije Tomaž Lunder ... et al.]. – 1. izd. – Ljubljana : Modrijan, 2010 ISBN 978-961-241-422-1 1. Leban, Ivan, 1947– 250443520

www.modrijan.si

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 2

23.4.2010 14:06:17

Vsebina

Kako hitro poteka reakcija Teorija trkov pri reakciji Vplivi na hitrost reakcije

Kemijsko ravnotežje Kaj je kemijsko ravnotežje Vplivi na ravnotežje

Ravnotežja v vodnih raztopinah

Kisline, baze in soli Ionski produkt vode in pH Titracija močne kisline z raztopino hidroksida Kisline in baze v vsakdanjem življenju

Reakcije oksidacije in redukcije

ar n

Oksidacija in redukcija Galvanski členi Elektroliza

5 6 15 17

a. co m

Hitrost kemijskih reakcij

Elementi v periodnem sistemu Področja v periodnem sistemu Razširjenost elementov

Lastnosti nekaterih elementov in spojin

25 26 39 47 48 57 78 83

87 88 93 111

117 118 122

Kemijsko poimenovanje

164

Stvarno kazalo Označevanje kemikalij

173 175

kn

jig

Opis nekaterih elementov Pomembne anorganske spojine Novi materiali in tehnologije

137 138 148 160

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 3

23.4.2010 14:06:17

Pomoč pri prebiranju učbenika

a. co m

Avtorja želiva, da bi bil dijakom in učiteljem učbenik v dobrodošlo pomoč pri učenju kemije. Skupaj z založbo sva si prizadevala, da bi naredila sodoben, privlačen in zanimiv kemijski učbenik, ki bo mogoče koga med vami prepričal, da bi se resneje posvetil naravoslovnim in tehničnim vedam.

Seveda pa bova vesela vseh vaših morebitnih pripomb in predlogov, ki bi pripomogli k temu, da bi bil učbenik še boljši.

Avtorja

Vplivi na hitrost reakcije

17

23

zanimivost

VPLIVI NA HITROST REAKCIJE Na hitrost reakcij vplivajo različni dejavniki, kot so temperatura, koncentracija, površina reaktantov in katalizator. Poglejmo nekaj primerov.

osnovno besedilo

VPLIV KONCENTRACIJE NA HITROST REAKCIJE Raztapljanje krede, CaCO3, v klorovodikovi kislini z različnimi koncentracijami, HCl, poteka po naslednji enačbi:

poskus

CaCO3(s) + 2HCl(aq)

HCl

CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l)

Natehtamo dva koščka krede z maso po 1 g ter ju damo v dve 100-mililitrski čaši. Nato v prvo čašo nalijemo 50 mL 0,5 M raztopine HCl, v drugo čašo pa 50 mL 1 M raztopine HCl. Opazujmo hitrost nastajanja mehurčkov v obeh čašah. Katera reakcija je hitrejša?

Izhajanje mehurčkov je burnejše v čaši z večjo koncentracijo HCl. Ta reakcija je hitrejša, nastaja več plina CO2.

Prve raziskave encimov je že v 19. stoletju opravil francoski kemik Louis Pasteur. Ugotovil je, da vsebujejo glive kvasovke snovi, ki omogočajo pretvorbo sladkorja v etanol (fermentacija).

Pasteur je zaslužen še za mnoga druga odkritja, na primer o povzročiteljih bolezni, razvil je tudi prvo cepivo proti steklini.

Spada med utemeljitelje mikrobiologije, vede, ki proučuje mikroorganizme in njihov vpliv na življenje. Razvil je postopek pasterizacije, pri katerem se s segrevanjem upočasni hitrost rasti mikroorganizmov v hrani in pijači, ki sicer povzročijo kvarjenje živil. Ukvarjal se je s proučevanjem kristalov in kiralnih molekul. Po njem se imenuje znameniti Pasteurjev inštitut v Parizu, ustanovljen leta 1887, na katerem se znanstveniki ukvarjajo predvsem s preprečevanjem in zdravljenjem različnih bolezni.

Hitrost reakcije se poveča, če povečamo koncentracijo reaktantov.

dodatna znanja

vsebine, ki jih učni načrt ne zajema, nadgradijo dijakovo znanje in so pomembne s stališča medpredmetnih povezav

ar n

Vpliv različnih pogojev na hitrost reakcije lahko razložimo s teorijo trkov.

Če povečamo koncentracijo reaktantov, bo več trkov med delci. Zato se poveča verjetnost, da pride do uspešnih trkov, s čimer se poveča tudi hitrost reakcije.

Podobno se zgodi, če povečamo tlak plinov pri reakciji med plini.

Večja koncentracija pomeni več trkov med molekulami, zato bo tudi hitrost reakcije večja.

Louis Pasteur (1822–1895)

D O D AT N A Z N A N J A

Mehanizem encimske katalize

Pri procesu encimske katalize se snov, ki ji rečemo substrat, S, veže na točno določeno mesto na encimu, E, ki mu zato rečemo aktivno mesto. Substratov je lahko tudi več. Pri tem nastane kompleks encimsubstrat, ES, ki pozneje razpade, pri čemer nastanejo produkti reakcije, P. Proces lahko ponazorimo takole: E + S

ES

Dvojna puščica pomeni, da gre za obojesmerno reakcijo.

E + P

Večina encimov je pri tem zelo selektivna – vežejo lahko le točno določene substrate, kar je odvisno od vrste in razporeditve atomov okrog aktivnega mesta v encimu.

Substrat se mora po obliki prilegati aktivnemu mestu, da se reakcija začne. Emil Fischer je leta 1894 predlagal model ključ-ključavnica za proces, po katerem je aktivno mesto po obliki komplementarno obliki substrata, zato se ta prilega tako kot ključ v ključavnico.

Danes vemo, da je ta proces dinamičen. Encimi so fleksibilni, oblika aktivnega mesta se lahko pri približevanju in vezavi substrata precej spremeni – se prilagodi. Nekateri encimi šele po vezavi substrata zavzamejo obliko, komplementarno obliki substrata. Encimi torej prepoznajo ustrezen substrat in prilagodijo obliko svojega aktivnega mesta za njegovo vezavo, kar omogoči učinkovito reakcijo.

Model ključ-ključavnica za vezavo substrata in encima

Približevanje substrata povzroči, da se oblika aktivnega mesta na encimu spremeni.

jig

S pritiskom bata navzdol povečamo tlak plina, zato se poveča hitrost reakcije med plini.

Kemijsko ravnotežje

32

Številčno vrednost ravnotežne konstante vedno navajamo le ob urejeni enačbi kemijske reakcije.

zgled, rešene naloge

Vplivi na ravnotežje

Na sliki je direktna metanolna gorivna celica, ki poganja vetrnico. Gorivo v tej celici je 0,3-odstotna raztopina metanola, reakcija oksidacije pa poteka v prisotnosti platine kot katalizatorja:

Molekula klora lahko disociira na atome klora po enačbi: Cl2(g)

2Cl(g)

Pri 3000 °C sta v ravnotežju oba plina z ravnotežnima koncentracijama:

CH3OH(l) + 3/2 O2(g)

[Cl2]r = 0,692 mol/L in [Cl]r = 0,617 mol/L.

Standardna napetost metanolne gorivne celice znaša okrog 1,2 V. Primerna je za manjše porabnike, na primer za napajanje prenosnih računalnikov, mobilnih telefonov in fotoaparatov.

Pomanjkljivost te celice je toksičnost metanola.

Izračunajmo ravnotežno konstanto za to reakcijo pri 3000 °C. Najprej zapišemo izraz za ravnotežno konstanto, nato pa z danima ravnotežnima koncentracijama izračunamo Kc.

kn

Kc =

[Cl]2r [0,617]2 = = 0,550 [Cl2]r [0,692]

Odgovor: Ravnotežna konstanta za reakcijo disociacije molekularnega klora pri 3000 °C znaša 0,550. Ta vrednost kaže, da je pri tej temperaturi v ravnotežju nekaj več reaktantov kot produktov.

POSEBNA ZNANJA

Izračun ravnotežnih koncentracij iz Kc

vprašanja za ponavljanje in utrjevanje

Izračunajmo, kako lahko iz znane ravnotežne konstante izračunamo ravnotežne koncentracije snovi.

Pri 100 °C znaša ravnotežna konstanta za reakcijo disociacije didušikovega tetraoksida 0,588.

N2O4(g)

posebna znanja

dodatna ali poglobljena znanja, ki jih učitelj obravnava glede na zmožnosti in zanimanja dijakov

45

Metanol je ena od pomembnih surovin za pridobivanje plastike, barv in podobnega. Uporablja pa se tudi kot gorivo v avtomobilski industriji.

vrednost ravnotežne konstante ob urejeni enačbi reakcije. Lahko pa tudi iz zapisa enačbe za ravnotežno konstanto ugotovimo, kako je bila urejena enačba reakcije.

2NO2(g).

V posodo smo dali neko začetno koncentracijo N2O4(g). Ko se vzpostavi ravnotežje, je ravnotežna koncentracija N2O4(g) v posodi 0,700 mol/L.

CO2(g) + H2O(l).

1. Pri reakciji 2Cl(g) Cl2(g) sta v ravnotežju pri 3000 °C koncentraciji obeh plinov: [Cl2]r = 0,800 mol/L in [Cl]r = 0,663 mol/L. Nato smo povečali koncentracijo Cl2, tako da je nova ravnotežna koncentracija molekul 1,20 mol/L. Kam se pomakne ravnotežje?

Kolikšna je nova ravnotežna koncentracija atomov, [Cl]r?

2. Kam se pomakne ravnotežje pri reakciji: N2O4(g) 2NO2(g), če povišamo tlak? Zakaj?

3. V gorivni celici poteka tudi reakcija: 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l), ΔH° = –572 kJ/mol. Kam pomakne ravnotežje te reakcije povišana temperatura? Kaj se zgodi, če povišamo tlak?

4. Kako vpliva katalizator na položaj ravnotežja pri kemijski reakciji?

5. Metanol pridobivajo iz sinteznega plina po reakciji: CO(g) + 2H2(g) CH3OH(g). Čeprav je reakcija eksotermna, jo izvajajo pri povišani temperaturi. Zakaj?

a) Izračunajmo ravnotežno koncentracijo NO2(g) v tej zmesi.

[N2O4]o Majhen krogec desno spodaj označuje začetno koncentracijo snovi.

Vsaka kemijska reakcija poteka do ravnotežja. Ko je v ravnotežju, se koncentracija produktov in reaktantov ne spreminja več. Ravnotežje pri kemijski reakciji je lahko pomaknjeno v smer nastajanja produktov ali pa v smer nastajanja reaktantov.

b) Kolikšna je bila začetna koncentracija [N2O4]o in za koliko odstotkov se je zmanjšala med reakcijo?

Podatki: [N2O4]r = 0,700 mol/L Kc(100 °C) = 0,588 a) Iz enačbe za ravnotežno konstanto bomo izračunali ravnotežno koncentracijo dušikovega dioksida.

[NO ]2

[NO ]2

2 r Kc = [N O2 ]r ⇒ 0,588 = [0,700] 2

4 r

r

povzetek

Ravnotežna konstanta, Kc, je razmerje med množinskimi koncentracijami produktov in reaktantov v ravnotežju. Je številka brez enote. Čim večja je, tem bolj je ravnotežje reakcije pomaknjeno v desno. Njeno vrednost vedno navajamo le ob urejeni enačbi reakcije, saj so koeficienti v urejeni enačbi potence ravnotežnih koncentracij v enačbi za izračun ravnotežne konstante. Odvisna je le od temperature.

Spremembo položaja ravnotežja lahko dosežemo tako, da spremenimo koncentracijo ene od snovi, ki sodelujejo pri reakciji, temperaturo ali pa tlak. Prisotnost katalizatorja ne vpliva na položaj ravnotežja.

[NO2]r = 0,588 · 0,700 = 0,642 mol/L

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 4

23.4.2010 14:06:17

kn

jig

ar n

a. co m

Hitrost kemijskih reakcij

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 5

Spoznali bomo: kako hitro potekajo reakcije kako določimo hitrost kemijske reakcije kako na hitrost vplivajo koncentracija, površina reaktantov, temperatura in katalizator teorijo trkov in aktivacijsko energijo

23.4.2010 14:06:18

Hitrost kemijskih reakcij

6

KAKO HITRO POTEKA REAKCIJA

a. co m

Reakcije potekajo različno hitro – nekatere zelo počasi, druge hitro.

Hitrost reakcije nam pove, kako hitro se med reakcijo snovi pretvarjajo druga v drugo.

Rjavenje železa je počasna reakcija. Nastanek stalaktitov (kapnikov) je ravno tako počasen proces, saj zrastejo le za kakšno desetinko milimetra na leto. Tudi staranje človeškega organizma je razmeroma počasen proces. Nevtralizacija kisline z bazo je primer hitre reakcije; ta reakcija poteka na primer, ko odvečno kislino v želodcu nevtraliziramo z antacidi, kot sta natrijev hidrogenkarbonat ali kalcijev karbonat. Zelo hitre reakcije so tudi eksplozije.

ar n

Gorenje je kemijska reakcija, ki poteka zelo hitro. Reakcijo lahko upočasnimo ali zaustavimo tako, da preprečimo dostop kisika, na primer z gašenjem.

Kemijska kinetika je področje kemije, ki proučuje hitrost kemijskih reakcij in vpliv različnih pogojev nanjo. Na ta način lahko bolje razumemo, kako reakcije potekajo, in lahko predvidimo, kako povečati ali zmanjšati njihovo hitrost takrat, ko je to potrebno. Te raziskave so pomembne tako za razumevanje procesov v živih organizmih in v našem okolju, kot na primer za optimiziranje industrijskih procesov.

kn

jig

Kipe iz brona (zlitine bakra in kositra), ki so izpostavljeni zračni atmosferi, sčasoma prekrije patina. To je porozna prevleka, ki nastane pri reakciji bakra z ogljikovim dioksidom, žveplovim dioksidom in vodo iz zraka. Pri tem nastanejo bakrov karbonat, bakrov sulfat in bakrov hidroksid, nekaj pa je lahko tudi bakrovega klorida. Patino imenujejo tudi plemenita rja, ker ščiti kovino pred nadaljnjimi atmosferskimi vplivi, na primer dežjem ali vročino.

Patiniranje je počasna reakcija. Večje količine kislega dežja raztapljajo patino, s čimer se proces propadanja kovine pospeši.

Merjenje hitrosti Med reakcijo se reaktanti pretvarjajo v produkte. Hitrost reakcije merimo tako, da v določenih časovnih intervalih izmerimo maso, prostornino, množino ali koncentracijo enega izmed reaktantov; te se zmanjšujejo. Lahko pa merimo tudi maso, prostornino, množino ali koncentracijo produktov, te se med reakcijo povečujejo.

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 6

23.4.2010 14:06:19

Kako hitro poteka reakcija

7

RAZTAPLJANJE CINKA V KLOROVODIKOVI KISLINI Pri raztapljanju cinka v klorovodikovi kislini nastane cinkov(II) klorid in plin vodik.

ZnCl2(aq) + H2(g)

a. co m

Enačba reakcije: Zn(s) + 2HCl(aq)

HCl

Določimo hitrost reakcije. V določenih časovnih presledkih bomo merili prostornino plina vodika, ki nastaja. Aparaturo sestavimo, kot je prikazano na sliki.

V 50-mililitrsko erlenmajerico ali plastično stekleničko natehtamo približno 3 g cinka v prahu. Poskus lahko naredimo tudi v večji epruveti.

Pripravimo gumijast zamašek s plastično cevko in stekleno kad ali večjo čašo z vodo. 50-mililitrski merilni valj napolnimo z vodo, pokrijemo s prstom in ga narobe obrnjenega postavimo v čašo z vodo tako, da vanj ne vdre zrak. Valj vpnemo v stojalo.

Nato na cink nalijemo 30 mL 2 M raztopine HCl. Hitro pokrijemo z zamaškom, cev iz zamaška pa speljemo v merilni valj.

t/min

kn

jig

V/mL

ar n

Opazujemo hitrost nastajanja mehurčkov in merimo prostornino nastalega plina vodika v odvisnosti od časa. Meritve zapisujemo v tabelo in narišemo diagram. Na ordinato nanašamo prostornino v mL, na absciso pa čas v minutah. Po kolikšnem času se reakcija konča?

Zapis 2 M raztopina HCl preberemo 2-molarna raztopina klorovodikove kisline, c = 2 mol/L.

Odvisnost hitrosti nastajanja vodika od časa

POSEBNA ZNANJA

Računanje hitrosti Med potekom reakcije se koncentracija reaktantov zmanjšuje, koncentracija produktov pa povečuje. Koncentracije se lahko spreminjajo enakomerno ali pa na primer eksponentno v odvisnosti od časa.

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 7

23.4.2010 14:06:20

Hitrost kemijskih reakcij

a. co m

8

Koncentracija reaktantov se zmanjšuje, koncentracija produktov se povečuje linearno v odvisnosti od časa.

Hitrost spreminjanja koncentracij je konstantna, torej ves čas enaka.

ar n

Koncentracija reaktantov se eksponentno zmanjšuje v odvisnosti od časa; koncentracija produktov se eksponentno povečuje. Hitrost spreminjanja koncentracije se s časom spreminja; na začetku je večja, potem pa se manjša. Taka vrsta reakcij je pogostejša.

V tem primeru se le del reaktantov pretvori v produkte.

Hitrost reakcije, v, določimo tako, da izračunamo spremembo množinske koncentracije, Δc, v določenem časovnem intervalu, Δt. hitrost =

Δc Δt

Hitrost reakcije običajno izračunamo glede na enega od reaktantov.

Ker se koncentracija reaktantov med reakcijo zmanjšuje, bi bila tako izračunana sprememba negativna: Δc < 0. Hitrost je vedno pozitivna vrednost, zato moramo v enačbo zapisati predznak minus.

jig

v(reaktanti) = –

Δc(reaktantov) = ckončna – czačetna Δc

ckončna < czačetna ⇒ Δc < 0 ⇒ v = – Δt ⇒ ⇒ v>0

sprememba množinske koncentracije čas, potreben za spremembo

v = – Δc Δt

Enota za hitrost kemijske reakcije je mol/Ls ali pa mol/Lmin.

kn

Δc v(produkti) = Δt

Δc(produktov) = ckončna – czačetna Δc

ckončna > czačetna ⇒ Δc > 0 ⇒ v = Δt ⇒ ⇒ v>0

Enoto za hitrost lahko zapišemo na več načinov: mol = mol/Ls = Ls = molL–1s–1

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 8

Hitrost lahko izračunamo tudi glede na enega od produktov. Ker se koncentracija produktov med reakcijo povečuje, predznak minus zdaj ni potreben: v = Δc Δt Tudi v tem primeru je hitrost pozitivna vrednost.

Poglejmo, kako grafično določimo hitrost reakcije, pri kateri se koncentracija reaktanta enakomerno (linearno) spreminja s časom. Na premici si izberemo dve točki ter odčitamo pripadajoči vrednosti na ordinati (c1, c2) in pripadajoči vrednosti na abscisi (t1, t2). Ko razliki med posameznima vrednostma delimo in vstavimo predznak minus, dobimo hitrost reakcije. = – ct2 –– ct 1 v = – Δc Δt 2 1

23.4.2010 14:06:20

Kako hitro poteka reakcija

9

Hitrost se na grafu kaže kot naklon premice. Izbrani točki naj bosta čim bolj narazen, da je napaka pri določevanju vrednosti hitrosti čim manjša. Postopek prikazuje slika spodaj.

Δs

Δv = Δt

a. co m

Tak postopek lahko uporabimo le, če je krivulja med točkama premica. To je takrat, ko se koncentracija reaktantov enakomerno manjša v odvisnosti od časa. Hitrost takšne reakcije je stalna (konstanta) – s časom se ne spreminja.

Podobno je definirana tudi na primer hitrost avtomobila: pot, deljena s časom.

Izračunamo jo tako, da razdaljo, ki jo avtomobil prevozi, Δs, delimo s časovnim intervalom, Δt, v katerem je avtomobil to pot opravil.

»Pot« je pri kemijski reakciji sprememba koncentracije snovi.

Določevanje hitrosti reakcije, pri kateri se koncentracija enakomerno spreminja v odvisnosti od časa.

jig

ar n

Če se koncentracija med reakcijo eksponentno zmanjšuje, krivulja med izbranima točkama ni premica. To pomeni, da se hitrost med takšno reakcijo spreminja.

Določevanje povprečne hitrosti reakcije, pri kateri se koncentracija spreminja eksponentno v odvisnosti od časa.

kn

Hitrost reakcije se od začetka reakcije zmanjšuje. V vsakem naslednjem trenutku je malo manjša. V tem primeru si lahko pri določevanju hitrosti pomagamo tako, da izberemo dve točki na krivulji in odčitamo pripadajoči vrednosti koncentracije in časa na obeh oseh.

Hitrost reakcije je enaka negativni vrednosti razmerja Δc Δt . Tako dobljena vrednost hitrosti je povprečna vrednost hitrosti v danem časovnem intervalu. S takim postopkom smo predpostavili, da je med obema izbranima točkama ravna črta in hitrost stalna, kar pa ne drži, kot je razvidno tudi iz slike. Hitrost se namreč tudi v tem časovnem intervalu ves čas spreminja.

Poglejmo primer.

V kisli raztopini saharoza hidrolizira, pri čemer nastajata fruktoza in glukoza. Enačba za to reakcijo je: C12H22O11(aq) + H2O(l) saharoza

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 9

C6H12O6(aq) + C6H12O6(aq) fruktoza glukoza

Ta proces imenujemo inverzija saharoze.

Poteka v prisotnosti encimov, na primer v želodcu sesalcev. Glukozo imenujemo tudi grozdni sladkor, fruktozo pa sadni sladkor. Molekulski formuli obeh sta enaki, razlikujeta pa se v strukturi.

Fruktoza je več kot dvakrat slajša od glukoze.

23.4.2010 14:06:20

Hitrost kemijskih reakcij

10

Z merjenjem so določili odvisnost množinske koncentracije saharoze, [saharoza], od časa pri 25 °C: [saharoza]

t/min

[saharoza]

t/min

0,500

0

0,241

200

0,482

10

0,201

250

0,448

30

0,167

300

0,417

50

0,116

400

0,387

70

0,056

600

0,347

100

0,019

900

0,289

150

a. co m

Množinsko koncentracijo neke snovi lahko zapišemo z oglatim oklepajem.

Zapis [saharoza] pomeni množinsko koncentracijo raztopine saharoze v mol/L ali mol/dm3. Enote ob oglatem oklepaju posebej ne pišemo.

Določimo povprečno hitrost reakcije v časovnih intervalih od 50 do 70 minut, od 250 do 300 minut in od 400 do 600 minut po začetku reakcije.

jig

ar n

Najprej narišemo diagram odvisnosti koncentracije saharoze od časa.

Na njem si izberemo točke ob zahtevanih časih in odčitamo pripadajoče vrednosti koncentracij na ordinati. V pomoč bodo številke iz tabele. Nato za dane časovne intervale izračunamo razmerja Δc Δt in hitrost.

kn

Določitev povprečne hitrosti inverzije saharoze v treh časovnih intervalih

50 do 70 minut: –4 mol c2 – c1 (0,387 – 0,417) mol –0,030 mol v = – Δc Δt = – t2 – t1 = – (70 – 50) min L = – 20 min L = 15 · 10 L min

250 do 300 minut: –4 mol c2 – c1 (0,167 – 0,201) mol –0,034 mol v = – Δc Δt = – t2 – t1 = – (300 – 250) min L = – 50 min L = 6,8 · 10 L min

400 do 600 minut: –4 mol c2 – c1 (0,056 – 0,116) mol –0,060 mol v = – Δc Δt = – t2 – t1 = – (600 – 400) min L = – 200 min L = 3,0 · 10 L min

Kot kažejo ti izračuni, se hitrost med reakcijo zmanjšuje.

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 10

23.4.2010 14:06:20

Kako hitro poteka reakcija

11

D O D AT N A Z N A N J A

a. co m

Odgovor: Povprečna hitrost inverzije saharoze v časovnem intervalu od 50 do 70 minut znaša 15 · 10–4 mol/Lmin, od 250 do 300 minut znaša 6,8 · 10–4 mol/Lmin, od 400 do 600 minut pa znaša 3,0 · 10–4 mol/Lmin.

Hitrost je vsak trenutek drugačna

Pravo vrednost hitrosti v določenem trenutku dobimo tako, da določimo tangento na krivuljo ob tistem času in izračunamo njen naklon. Prava vrednost hitrosti je hitrost v točno tistem trenutku, ne pa povprečna vrednost v nekem časovnem intervalu.

Določitev hitrosti reakcije ob treh različnih časih. Naklon tangente se s časom zmanjšuje, hitrost se torej manjša, reakcija se končuje.

ar n

Določimo hitrost reakcije inverzije saharoze ob času 60 minut, 100 minut, 300 minut, 500 minut in 600 minut po začetku reakcije.

Najprej narišemo diagram odvisnosti koncentracije od časa.

Nato določimo naklon krivulje ob zahtevanih časih. To naredimo tako, da ob ustreznem času narišemo na krivuljo tangento, to je ravno črto, ki se dotika krivulje, in izračunamo njen naklon.

Kako narišemo tangento?

kn

jig

Ob zahtevanem času, na primer 100 minut, potegnemo navpičnico do krivulje (rdeča črtkana črta na diagramu). V tej točki nato narišemo tangento (zelena črtkana črta). Pri risanju si lahko za silo pomagamo s koti med tangento in krivuljo na obeh straneh dotikališča: ta dva kota morata biti enaka. Tangento na obeh koncih podaljšamo, tako da preseka ordinato in absciso. Tako namreč dosežemo večjo natančnost pri odčitovanju vrednosti na obeh oseh.

Tangenta je premica, ki se v določeni točki dotika krivulje. Hitrost reakcije je naklon tangente ob določenem času.

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 11

23.4.2010 14:06:20

Hitrost kemijskih reakcij

12

Nato določimo koordinate presečišč tangente z obema osema in izrac2 – c1 čunamo naklon tangente, to je: Δc Δt = t2 – t1 . Hitrost reakcije je enaka negativni vrednosti tega naklona.

Naredimo izračun za določitev naklona in hitrosti pri času 100 minut.

a. co m

Ko narišemo tangento in jo podaljšamo, da preseka obe osi, dobimo koordinate presečišč: presečišče z ordinato: t1 = 0 min, c1 = 0,475 mol/L presečišče z absciso: t2 = 373 min, c2 = 0 mol/L Določitev koordinate presečišč tangente z obema osema

–4 mol c2 – c1 (0 – 0,475) mol Naklon je torej: Δc Δt = t2 – t1 = (375 – 0) min L = –12,67 · 10 L min

Ta naklon je označen na grafu.

–4 –4 mol mol Hitrost je: v = – Δc Δt = –(–12,67 · 10 ) L min = 12,67 · 10 L min

Hitrost ob času 100 minut je 12,67 · 10–4 mol/Lmin.

jig

ar n

Na podoben način določimo tudi hitrost pri 300 in pri 600 minutah.

Vse tri so prikazane na diagramu, kjer pa posamezne tangente zaradi preglednosti niso podaljšane do presečišč z obema osema.

Hitrost v različnih trenutkih med reakcijo

kn

Vse hitrosti ob različnih časih so bile določene po zgoraj opisanem postopku iz naklonov tangent.

t/min

Odgovor: Hitrost reakcije je enaka negativni vrednosti naklona tangente. V tabeli so navedene hitrosti reakcije ob zahtevanih časih.

60

–1

–1

v/ mol L min

100 –4

14,66 · 10

300 –4

12,67 · 10

500 –4

6,104 · 10

600 –4

2,940 · 10

2,042 · 10–4

Hitrostni zakon Hitrost reakcije se s časom manjša, kot prikazuje slika hitrosti inverzije saharoze v odvisnosti od časa na drugi strani. Po daljšem času se hitrost približuje vrednosti nič, reakcija se končuje.

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 12

23.4.2010 14:06:20

Kako hitro poteka reakcija

Odvisnost hitrosti inverzije saharoze od časa

Iz teh meritev pa lahko vidimo še več.

a. co m

13

jig

ar n

Če narišemo še diagram odvisnosti hitrosti od koncentracije, lahko vidimo, da je hitrost premo sorazmerna s koncentracijo saharoze; odvisnost je linearna, dobimo premico, ki poteka iz izhodišča.

Hitrost reakcije inverzije saharoze linearno narašča v odvisnosti od koncentracije.

To odvisnost hitrosti od koncentracije lahko zapišemo takole: v=kc

kn

Tako zapisani enačbi rečemo hitrostni zakon. Oblika enačbe pove, da je hitrost reakcije linearno odvisna od koncentracije (v = k  c1). Takšne reakcije imenujemo reakcije prvega reda. Koncentracija reaktantov se pri teh reakcijah eksponentno zmanjšuje v odvisnosti od časa.

V takšnih enačbah je k sorazmernostna konstanta, ki ima posebno ime; rečemo ji konstanta reakcijske hitrosti in je značilna za določeno reakcijo. Če poznamo konstanto k, lahko izračunamo hitrost ali pa koncentracijo kadarkoli med reakcijo.

Konstanta k je enaka naklonu premice v diagramu odvisnosti hitrosti od koncentracije. V našem primeru inverzije saharoze znaša: –3 –1 k = 3,65 · 10 min

kemija za gimnazije 2 ucb.indd 13

23.4.2010 14:06:20