Најважније из лекције
Брзина хемијске реакције: Мера промене концентрације реактаната или производа у времену; јединица је \(\text{mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1}\).
Теорија судара: Реакција се дешава само при ефикасном судару честица које поседују довољно енергије (\(E \ge E_a\)) и правилну просторну оријентацију, при чему настаје активирани комплекс.
Математички израз: За реакцију \( a\text{A} \rightarrow b\text{B} \), брзина је \( v = -\frac{\Delta c(\text{A})}{a\Delta t} = \frac{\Delta c(\text{B})}{b\Delta t} \). Предзнак минус се користи за реактанте како би брзина увек била позитивна.
Ток реакције: Брзина реакције стално опада с временом због смањења концентрације реактаната.
Природа реактаната: Хемијски реактивније супстанце реагују брже (нпр. \(\text{Ca} > \text{Mg} > \text{Zn} > \text{Fe}\) у реакцији са киселином).
Теорија судара: Реакција се дешава само при ефикасном судару честица које поседују довољно енергије (\(E \ge E_a\)) и правилну просторну оријентацију, при чему настаје активирани комплекс.
Математички израз: За реакцију \( a\text{A} \rightarrow b\text{B} \), брзина је \( v = -\frac{\Delta c(\text{A})}{a\Delta t} = \frac{\Delta c(\text{B})}{b\Delta t} \). Предзнак минус се користи за реактанте како би брзина увек била позитивна.
Ток реакције: Брзина реакције стално опада с временом због смањења концентрације реактаната.
Природа реактаната: Хемијски реактивније супстанце реагују брже (нпр. \(\text{Ca} > \text{Mg} > \text{Zn} > \text{Fe}\) у реакцији са киселином).
Брзина хемијске реакције представља меру смањења концентрације реактаната или повећања концентрације производа реакције у јединици времена.
Хемијска кинетика је део хемије који проучава брзину хемијских реакција, факторе који на њу утичу и механизме одигравања реакција.
\(\text{mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1}\) (мол по дециметру кубном у секунди)
Хемијске реакције се веома разликују по брзини:
- Тренутне реакције: реакције таложења у воденим растворима (нпр. мешање раствора \( \text{Pb(NO}_3)_2 \) и \( \text{KI} \) тренутно даје жути талог \( \text{PbI}_2 \)).
- Веома споре реакције: рђање гвожђа на собној температури (траје данима или годинама).
Како се током времена мењају концентрације реактаната, а како концентрације производа реакције?
Током хемијске реакције реактанти се троше, па њихова концентрација опада, док производи настају, па њихова концентрација расте.
Да би дошло до хемијске реакције, честице реактаната морају се кретати и међусобно сударати. Међутим, сваки судар не доводи до стварања производа.
Ефикасан (успешан) судар је само онај судар честица који резултује хемијском трансформацијом и настајањем производа реакције.
За ефикасан судар неопходно је испунити два услова:
- Довољна кинетичка енергија: Честице морају имати енергију једнаку или већу од енергије активације (\(E_a\)) како би савладале међусобно одбијање електронских омотача.
- Повољна просторна оријентација: Честице при судару морају бити правилно усмерене једна према другој.
Активирани комплекс је нестабилно, високоенергетско прелазно стање које се ствара при ефикасном судару честица, а чијим се распадањем граде производи реакције.
У воденим растворима супстанце реагују знатно брже него у чврстом стању јер су јони и молекули у раствору веома покретљиви, што омогућава чешће ефикасне сударе.
Зашто смеша чврстог \( \text{KI} \) и чврстог \( \text{AgNO}_3 \) реагује веома споро, док њихови водени раствори реагују тренутно?
У чврстом стању честице су везане у кристалну решетку и њихово кретање је ограничено на осциловање, па је додир могућ само на површини кристала. У воденом раствору јони су слободни и врло покретљиви, што омогућава брзо мешање и велики број ефикасних судара у јединици времена.
За општу хемијску реакцију:
\[ a\text{A} + b\text{B} \rightarrow c\text{C} + d\text{D} \]
Просечна брзина напредовања реакције (\(v\)) изражава се преко промене концентрације било ког учесника:
\[ v = -\frac{\Delta c(\text{A})}{a \cdot \Delta t} = -\frac{\Delta c(\text{B})}{b \cdot \Delta t} = \frac{\Delta c(\text{C})}{c \cdot \Delta t} = \frac{\Delta c(\text{D})}{d \cdot \Delta t} \]
\(\Delta c = c_2 - c_1\) - промена концентрације (\(\text{mol/dm}^3\))
\(\Delta t = t_2 - t_1\) - временски интервал (\(\text{s}\))
\(a, b, c, d\) - стехиометријски коефицијенти
Знак минус (–) се ставља испред израза за реактанте јер се њихова концентрација смањује током времена (\(\Delta c < 0\)). На тај начин вредност брзине реакције увек остаје позитивна (\(v > 0\)).
Брзина хемијске реакције опада током времена. Разлог за то је стално смањивање концентрације реактаната, што доводи до све мањег броја ефикасних судара у јединици времена.
За реакцију \( 2\text{NO}_2(\text{g}) \rightarrow \text{N}_2\text{O}_4(\text{g}) \), израз за просечну брзину је:
\[ v = -\frac{\Delta c(\text{NO}_2)}{2\Delta t} = \frac{\Delta c(\text{N}_2\text{O}_4)}{\Delta t} \]
Напишите израз за брзину реакције \( \text{N}_2(\text{g}) + 3\text{H}_2(\text{g}) \rightarrow 2\text{NH}_3(\text{g}) \) преко промене концентрације свих учесника.
\[ v = -\frac{\Delta c(\text{N}_2)}{\Delta t} = -\frac{\Delta c(\text{H}_2)}{3\Delta t} = \frac{\Delta c(\text{NH}_3)}{2\Delta t} \]
Брзина хемијске реакције зависи од низа фактора:
- природе реактаната,
- концентрације реактаната,
- температуре,
- површине додира (уситњености чврстих супстанци),
- притиска и запремине суда (код гасова),
- мешања и присуства катализатора.
Утицај природе реактаната: Хемијска реактивност саме супстанце диктира брзину реакције под истим спољашњим условима. Реактивнији елементи реагују знатно брже.
При реакцији метала исте масе са хлороводоничном киселином (\(\text{HCl}\)) исте концентрације и температуре, брзина издвајања водоника опада у низу према њиховој реактивности:
\[ \text{Ca} > \text{Mg} > \text{Zn} > \text{Fe} \]
Калцијум реагује бурно и тренутно, док гвожђе реагује споро.
Ако у две епрувете са истом запремином и концентрацијом хлороводоничне киселине убацимо комадић магнезијума у прву, а комадић цинка једнаке масе у другу, у којој епрувети ће реакција бити бржа?
Реакција ће бити бржа у епрувети са магнезијумом, јер је магнезијум хемијски реактивнији метал од цинка (због своје природе лакше отпушта електроне).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): За реакцију сагоревања сумпора: \( \text{S}(\text{s}) + \text{O}_2(\text{g}) \rightarrow \text{SO}_2(\text{g}) \), напишите израз за брзину хемијске реакције преко промене концентрације кисеоника (\(\text{O}_2\)) и сумпор(IV)-оксида (\(\text{SO}_2\)).
Пошто су стехиометријски коефицијенти уз оба гаса једнаки 1:
\[ v = -\frac{\Delta c(\text{O}_2)}{\Delta t} = \frac{\Delta c(\text{SO}_2)}{\Delta t} \]
(Напомена: Концентрација чврстог сумпора се не узима у обзир јер је чврста супстанца).
Задатак 2 (средњи): У реакционом суду одвија се реакција \( 2\text{A} \rightarrow \text{B} \). Почетна концентрација супстанце А износила је \( 1{,}6\text{ mol/dm}^3 \). Након \( 20\text{ s} \), концентрација супстанце А смањила се на \( 0{,}8\text{ mol/dm}^3 \). Израчунајте просечну брзину напредовања хемијске реакције у том интервалу.
Подаци:
\( c_1(\text{A}) = 1{,}6\text{ mol/dm}^3 \)
\( c_2(\text{A}) = 0{,}8\text{ mol/dm}^3 \)
\( \Delta t = 20\text{ s} \)
Коефицијент: \( a = 2 \)
Применом формуле за просечну брзину: \[ v = -\frac{\Delta c(\text{A})}{2 \cdot \Delta t} = -\frac{c_2(\text{A}) - c_1(\text{A})}{2 \cdot \Delta t} \] \[ v = -\frac{(0{,}8 - 1{,}6)\text{ mol/dm}^3}{2 \cdot 20\text{ s}} = -\frac{-0{,}8\text{ mol/dm}^3}{40\text{ s}} = 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \] Одговор: Просечна брзина реакције износи \( 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \).
\( c_1(\text{A}) = 1{,}6\text{ mol/dm}^3 \)
\( c_2(\text{A}) = 0{,}8\text{ mol/dm}^3 \)
\( \Delta t = 20\text{ s} \)
Коефицијент: \( a = 2 \)
Применом формуле за просечну брзину: \[ v = -\frac{\Delta c(\text{A})}{2 \cdot \Delta t} = -\frac{c_2(\text{A}) - c_1(\text{A})}{2 \cdot \Delta t} \] \[ v = -\frac{(0{,}8 - 1{,}6)\text{ mol/dm}^3}{2 \cdot 20\text{ s}} = -\frac{-0{,}8\text{ mol/dm}^3}{40\text{ s}} = 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \] Одговор: Просечна брзина реакције износи \( 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \).
Задатак 3 (тежак): За реакцију \( 2\text{X}(\text{g}) + \text{Y}(\text{g}) \rightarrow \text{Z}(\text{g}) \), у интервалу од \( t_1 = 10\text{ s} \) до \( t_2 = 30\text{ s} \), концентрација супстанце X опадне са \( 1{,}2\text{ mol/dm}^3 \) на \( 0{,}4\text{ mol/dm}^3 \).
а) Израчунајте просечну брзину напредовања реакције.
б) Колика је брзина настајања производа Z и колико износи концентрација супстанце Z у тренутку \( t_2 = 30\text{ s} \), ако је у тренутку \( t_1 = 10\text{ s} \) концентрација Z била \( 0{,}3\text{ mol/dm}^3 \)?
а) Израчунајте просечну брзину напредовања реакције.
б) Колика је брзина настајања производа Z и колико износи концентрација супстанце Z у тренутку \( t_2 = 30\text{ s} \), ако је у тренутку \( t_1 = 10\text{ s} \) концентрација Z била \( 0{,}3\text{ mol/dm}^3 \)?
а) Брзина реакције:
\( \Delta t = 30\text{ s} - 10\text{ s} = 20\text{ s} \)
\( \Delta c(\text{X}) = 0{,}4 - 1{,}2 = -0{,}8\text{ mol/dm}^3 \) \[ v = -\frac{\Delta c(\text{X})}{2 \cdot \Delta t} = \frac{0{,}8\text{ mol/dm}^3}{2 \cdot 20\text{ s}} = 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \]
б) Брзина настајања и концентрација супстанце Z:
Пошто је стехиометријски коефицијент уз Z једнак 1: \[ v = \frac{\Delta c(\text{Z})}{\Delta t} \implies \Delta c(\text{Z}) = v \cdot \Delta t = 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \cdot 20\text{ s} = 0{,}4\text{ mol/dm}^3 \] Концентрација у тренутку \( t_2 \): \[ c_2(\text{Z}) = c_1(\text{Z}) + \Delta c(\text{Z}) = 0{,}3\text{ mol/dm}^3 + 0{,}4\text{ mol/dm}^3 = 0{,}7\text{ mol/dm}^3 \] Одговор: Просечна брзина реакције је \( 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \), а концентрација производа Z након \( 30\text{ s} \) износи \( 0{,}7\text{ mol/dm}^3 \).
\( \Delta t = 30\text{ s} - 10\text{ s} = 20\text{ s} \)
\( \Delta c(\text{X}) = 0{,}4 - 1{,}2 = -0{,}8\text{ mol/dm}^3 \) \[ v = -\frac{\Delta c(\text{X})}{2 \cdot \Delta t} = \frac{0{,}8\text{ mol/dm}^3}{2 \cdot 20\text{ s}} = 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \]
б) Брзина настајања и концентрација супстанце Z:
Пошто је стехиометријски коефицијент уз Z једнак 1: \[ v = \frac{\Delta c(\text{Z})}{\Delta t} \implies \Delta c(\text{Z}) = v \cdot \Delta t = 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \cdot 20\text{ s} = 0{,}4\text{ mol/dm}^3 \] Концентрација у тренутку \( t_2 \): \[ c_2(\text{Z}) = c_1(\text{Z}) + \Delta c(\text{Z}) = 0{,}3\text{ mol/dm}^3 + 0{,}4\text{ mol/dm}^3 = 0{,}7\text{ mol/dm}^3 \] Одговор: Просечна брзина реакције је \( 0{,}02\text{ mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1} \), а концентрација производа Z након \( 30\text{ s} \) износи \( 0{,}7\text{ mol/dm}^3 \).
