Најважније из лекције
Фактори који повећавају брзину реакције:
- Природа реактаната: Већа хемијска реактивност (нпр. \(\text{Ca}\) реагује брже од \(\text{Fe}\)).
- Степен уситњености: Већа додирна површина чврстих супстанци омогућава бржу реакцију (прах реагује брже од комада).
- Температура: Повишењем температуре за \(10\ ^\circ\text{C}\), брзина најчешће расте \(2\) до \(3\) пута због веће енергије честица и ефикаснијих судара.
- Концентрација / Притисак (за гасове): Према закону о дејству маса \(v = k \cdot [\text{A}]^n \cdot [\text{B}]^m\), већа концентрација реактаната или мања запремина суда (\(V \downarrow \implies c \uparrow\)) доводи до повећања брзине. Чврсте супстанце не улазе у израз за брзину.
- Катализатори: Супстанце које убрзавају реакцију смањењем њене енергије активације (\(E_\text{a}\)), при чему се саме не троше (инхибитори имају супротан ефекат).
Природа реактаната: Хемијска реактивност супстанци директно одређује брзину реакције под истим спољашњим условима. На пример, у реакцији са хлороводоничном киселином реактивнији метали реагују знатно брже (\(\text{Ca} > \text{Mg} > \text{Zn} > \text{Fe}\)).
Слободна површина додира: Код хетерогених реакција (између супстанци различитих агрегатних стања), већа додирна површина омогућава већи број судара честица у јединици времена, што повећава брзину реакције.
Калцијум-карбонат у облику праха реагује знатно бурније и брже са хлороводоничном киселином него једнака маса калцијум-карбоната у једном комаду:
\[ \text{CaCO}_3\text{(s)} + 2\text{HCl(aq)} \rightarrow \text{CaCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{O(l)} + \text{CO}_2\text{(g)} \]
Реакције у растворима између супротно наелектрисаних јона одвијају се практично тренутно због максималног степена уситњености (на ниво јона) и јаких привлачних електростатичких сила. Њихова енергија активације је приближно једнака нули (\(E_\text{a} \approx 0\)).
Зашто се шећер у праху брже раствара и реагује у односу на шећер у коцки исте масе?
Уситњавањем шећера у прах знатно се повећава укупна слободна површина честица која је у непосредном додиру са растварачем/реактантом, чиме расте број ефикасних судара и брзина процеса.
Повишењем температуре повећава се просечна кинетичка енергија честица. Тиме расте укупан број судара, али што је још важније, знатно расте удео честица које поседују енергију већу или једнаку енергији активације (\(E \ge E_\text{a}\)), што доводи до већег броја успешних судара.
За већину хемијских реакција важи емпиријско правило: повишењем температуре за сваких \(10\ ^\circ\text{C}\), брзина реакције се повећава \(2\) до \(3\) пута.
Ако се брзина неке реакције удвостручује при порасту температуре за сваких \(9\ ^\circ\text{C}\), при загревању са \(20\ ^\circ\text{C}\) на \(47\ ^\circ\text{C}\) (\(\Delta T = 27\ ^\circ\text{C} = 3 \cdot 9\ ^\circ\text{C}\)), брзина реакције ће порасти:
\[ v_1 = v \cdot 2 \cdot 2 \cdot 2 = 8v \quad (\text{повећање } 8 \text{ пута}) \]
Брзина хемијске реакције се утростручи при загревању за \(10\ ^\circ\text{C}\). Колико пута ће бити већа брзина те реакције на \(50\ ^\circ\text{C}\) у односу на брзину на \(20\ ^\circ\text{C}\)?
Промена температуре износи \(\Delta T = 50\ ^\circ\text{C} - 20\ ^\circ\text{C} = 30\ ^\circ\text{C}\), што представља три интервала од по \(10\ ^\circ\text{C}\).
Повећање брзине је: \[ v_1 = v \cdot 3 \cdot 3 \cdot 3 = 3^3 \cdot v = 27v \] Брзина реакције ће се повећати \(27\) пута.
Повећање брзине је: \[ v_1 = v \cdot 3 \cdot 3 \cdot 3 = 3^3 \cdot v = 27v \] Брзина реакције ће се повећати \(27\) пута.
Гулдберг–Вагеов закон (Закон о дејству маса): Брзина хемијске реакције при константној температури директно је сразмерна производу количинских концентрација реактаната, где је свака концентрација степенована одговарајућим стехиометријским коефицијентом.
За општу хомогену хемијску реакцију:
\[ n\text{A(g)} + m\text{B(g)} \rightarrow \text{производи} \]
Израз за брзину реакције гласи:
\[ v = k \cdot [\text{A}]^n \cdot [\text{B}]^m \]
\([\text{A}]\) и \([\text{B}]\) су количинске концентрације реактаната \([\text{mol/dm}^3]\), \(k\) је константа брзине реакције.
Константа брзине хемијске реакције (\(k\)): Фактор пропорционалности карактеристичан за сваку реакцију. Вредност \(k\) зависи од природе реактаната, температуре и присутности катализатора, а не зависи од концентрација реактаната.
У израз за брзину према закону о дејству маса уврштавају се само концентрације гасовитих и растворених супстанци. Концентрације супстанци у чврстом (\(\text{s}\)) или чистом течном (\(\text{l}\)) стању су константне и не улазе у израз!
За хетерогену реакцију: \(2\text{B(g)} + \text{M(s)} \rightarrow \text{Г(s)}\), израз за брзину је:
\[ v = k \cdot [\text{B}]^2 \]
Како ће се променити брзина реакције \(2\text{NO(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{NO}_2\text{(g)}\) ако се концентрација \(\text{NO}\) повећа \(3\) пута, а концентрација \(\text{O}_2\) смањи \(2\) пута?
Почетна брзина: \(v = k \cdot [\text{NO}]^2 \cdot [\text{O}_2]\)
Брзина након промене:
\[ v_1 = k \cdot (3[\text{NO}])^2 \cdot \frac{[\text{O}_2]}{2} = k \cdot 9[\text{NO}]^2 \cdot \frac{1}{2}[\text{O}_2] = \frac{9}{2} \cdot k \cdot [\text{NO}]^2 \cdot [\text{O}_2] = 4{,}5 \cdot v \] Брзина реакције ће се повећати \(4{,}5\) пута.
Брзина након промене:
\[ v_1 = k \cdot (3[\text{NO}])^2 \cdot \frac{[\text{O}_2]}{2} = k \cdot 9[\text{NO}]^2 \cdot \frac{1}{2}[\text{O}_2] = \frac{9}{2} \cdot k \cdot [\text{NO}]^2 \cdot [\text{O}_2] = 4{,}5 \cdot v \] Брзина реакције ће се повећати \(4{,}5\) пута.
Код реакција у којима учествују гасовити реактанти, промена запремине суда или притиска директно мења количинске концентрације гасова (\(c = \frac{n}{V}\)):
- Смањење запремине суда \(x\) пута \(\Longleftrightarrow\) повећање концентрације свих гасовитих учесника \(x\) пута.
- Повећање притиска у суду \(x\) пута \(\Longleftrightarrow\) повећање концентрације свих гасовитих учесника \(x\) пута.
За реакцију \(2\text{NO(g)} + \text{H}_2\text{(g)} \rightarrow \text{N}_2\text{O(g)} + \text{H}_2\text{O(g)}\), брзина је \(v = k \cdot [\text{NO}]^2 \cdot [\text{H}_2]\).
Ако се запремина суда смањи \(3\) пута, концентрације оба гаса расту \(3\) пута: \[ v_1 = k \cdot (3[\text{NO}])^2 \cdot (3[\text{H}_2]) = k \cdot 9[\text{NO}]^2 \cdot 3[\text{H}_2] = 27 \cdot v \] Брзина реакције постаје \(27\) пута већа.
Ако се запремина суда смањи \(3\) пута, концентрације оба гаса расту \(3\) пута: \[ v_1 = k \cdot (3[\text{NO}])^2 \cdot (3[\text{H}_2]) = k \cdot 9[\text{NO}]^2 \cdot 3[\text{H}_2] = 27 \cdot v \] Брзина реакције постаје \(27\) пута већа.
У суду се одвија реакција \(\text{H}_2\text{(g)} + \text{I}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{HI(g)}\). Колико пута ће се повећати брзина реакције ако се притисак у суду повећа \(4\) пута?
Почетна брзина: \(v = k \cdot [\text{H}_2] \cdot [\text{I}_2]\)
Повећањем притиска \(4\) пута, концентрација сваког гаса се повећава \(4\) пута:
\[ v_1 = k \cdot (4[\text{H}_2]) \cdot (4[\text{I}_2]) = 16 \cdot k \cdot [\text{H}_2] \cdot [\text{I}_2] = 16v \] Брзина реакције се повећава \(16\) пута.
Повећањем притиска \(4\) пута, концентрација сваког гаса се повећава \(4\) пута:
\[ v_1 = k \cdot (4[\text{H}_2]) \cdot (4[\text{I}_2]) = 16 \cdot k \cdot [\text{H}_2] \cdot [\text{I}_2] = 16v \] Брзина реакције се повећава \(16\) пута.
Катализатори: Супстанце које у малим количинама знатно убрзавају хемијску реакцију тако што смањују њену енергију активације (\(E_\text{a}\)), а након завршетка реакције остају хемијски и количински непромењени.
Врсте катализе:
- Хомогена катализа: Катализатор и реактанти су у истом агрегатном стању (нпр. оксидација \(\text{SO}_2\text{(g)}\) у \(\text{SO}_3\text{(g)}\) помоћу гасовитог \(\text{NO(g)}\)).
- Хетерогена катализа: Катализатор је у различитом агрегатном стању од реактаната, најчешће у чврстом стању док су реактанти течности или гасови (реакција се одвија на површини катализатора).
Ензими (ферменти): Биолошки катализатори протеинске природе који убрзавају биохемијске процесе у живим организмима (нпр. ензим каталаза убрзава разградњу \(\text{H}_2\text{O}_2\)).
Инхибитори: Супстанце које делују супротно катализаторима - успоравају хемијске реакције повећавајући енергију активације.
Катализатори не могу омогућити реакцију која се иначе термодинамички не би могла десити; они само убрзавају реакције које се већ спонтано одвијају.
Да ли се катализатор троши током хемијске реакције?
Не. Катализатор учествује у међуфазама формирања активираног комплекса, али на крају реакције излази у истој количини и хемијски непромењен.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Напишите израз за брзину хемијске реакције према закону о дејству маса за следеће процесе:
а) \(2\text{H}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O(g)}\)
б) \(\text{C(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CO}_2\text{(g)}\)
а) \(2\text{H}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O(g)}\)
б) \(\text{C(s)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow \text{CO}_2\text{(g)}\)
а) Сви реактанти су у гасовитом стању, па оба улазе у израз:
\[ v = k \cdot [\text{H}_2]^2 \cdot [\text{O}_2] \] б) Угљеник је у чврстом стању (\(\text{s}\)), па његова концентрација не улази у израз за брзину:
\[ v = k \cdot [\text{O}_2] \]
\[ v = k \cdot [\text{H}_2]^2 \cdot [\text{O}_2] \] б) Угљеник је у чврстом стању (\(\text{s}\)), па његова концентрација не улази у израз за брзину:
\[ v = k \cdot [\text{O}_2] \]
Задатак 2 (средњи): Како ће се променити брзина хемијске реакције \(2\text{NO}_2\text{(g)} \rightarrow \text{N}_2\text{O}_4\text{(g)}\) ако се:
а) концентрација \(\text{NO}_2\) смањи \(2\) пута?
б) запремина суда у коме се налази гас смањи \(4\) пута?
а) концентрација \(\text{NO}_2\) смањи \(2\) пута?
б) запремина суда у коме се налази гас смањи \(4\) пута?
Израз за брзину реакције: \(v = k \cdot [\text{NO}_2]^2\)
а) \(v_1 = k \cdot \left(\frac{[\text{NO}_2]}{2}\right)^2 = \frac{1}{4} \cdot k \cdot [\text{NO}_2]^2 = \frac{v}{4}\)
Одговор: Брзина реакције ће се смањити \(4\) пута.
б) Смањењем запремине суда \(4\) пута, концентрација гаса \(\text{NO}_2\) се повећава \(4\) пута: \[ v_2 = k \cdot (4[\text{NO}_2])^2 = 16 \cdot k \cdot [\text{NO}_2]^2 = 16v \] Одговор: Брзина реакције ће се повећати \(16\) пута.
а) \(v_1 = k \cdot \left(\frac{[\text{NO}_2]}{2}\right)^2 = \frac{1}{4} \cdot k \cdot [\text{NO}_2]^2 = \frac{v}{4}\)
Одговор: Брзина реакције ће се смањити \(4\) пута.
б) Смањењем запремине суда \(4\) пута, концентрација гаса \(\text{NO}_2\) се повећава \(4\) пута: \[ v_2 = k \cdot (4[\text{NO}_2])^2 = 16 \cdot k \cdot [\text{NO}_2]^2 = 16v \] Одговор: Брзина реакције ће се повећати \(16\) пута.
Задатак 3 (средњи): При загревању реакционе смеше са \(30\ ^\circ\text{C}\) на \(60\ ^\circ\text{C}\), брзина реакције се повећала \(8\) пута. Колико пута се повећа брзина ове реакције при порасту температуре за сваких \(10\ ^\circ\text{C}\)?
Промена температуре износи \(\Delta T = 60\ ^\circ\text{C} - 30\ ^\circ\text{C} = 30\ ^\circ\text{C}\), што садржи три корака од по \(10\ ^\circ\text{C}\) (\(n = 3\)).
Ако фактор повећања по кораку означимо са \(\gamma\), онда је: \[ \gamma^3 = 8 \implies \gamma = \sqrt[3]{8} = 2 \] Одговор: При повишењу температуре за сваких \(10\ ^\circ\text{C}\), брзина се повећава \(2\) пута.
Ако фактор повећања по кораку означимо са \(\gamma\), онда је: \[ \gamma^3 = 8 \implies \gamma = \sqrt[3]{8} = 2 \] Одговор: При повишењу температуре за сваких \(10\ ^\circ\text{C}\), брзина се повећава \(2\) пута.
Задатак 4 (тежак): Хемијска реакција се одвија према једначини \(2\text{A(g)} + \text{B(g)} \rightarrow 2\text{C(g)}\).
Колико пута ће се променити брзина ове реакције ако се концентрација супстанце \(\text{A}\) повећа \(4\) пута, концентрација супстанце \(\text{B}\) смањи \(2\) пута, а истовремено се температура повиси тако да константа брзине реакције порасте \(3\) пута?
Колико пута ће се променити брзина ове реакције ако се концентрација супстанце \(\text{A}\) повећа \(4\) пута, концентрација супстанце \(\text{B}\) смањи \(2\) пута, а истовремено се температура повиси тако да константа брзине реакције порасте \(3\) пута?
Почетна брзина: \(v = k \cdot [\text{A}]^2 \cdot [\text{B}]\)
Нови параметри:
Нови параметри:
- \(k_1 = 3k\)
- \([\text{A}]_1 = 4[\text{A}]\)
- \([\text{B}]_1 = \frac{1}{2}[\text{B}]\)
