Teoria reakcji chemicznych - Notatki - Chemia - Część 1, Notatki'z Chemia. University of Podlasie in Siedlce
hannibal00
hannibal008 marca 2013

Teoria reakcji chemicznych - Notatki - Chemia - Część 1, Notatki'z Chemia. University of Podlasie in Siedlce

PDF (600 KB)
11 strona
1000+Liczba odwiedzin
Opis
Notatki dotyczące tematów z dziedziny chemii: teoria reakcji chemicznych; reaktywność chemiczna, cząsteczkowość reakcji.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 11
To jest jedynie podgląd.
3 shown on 11 pages
Pobierz dokument
To jest jedynie podgląd.
3 shown on 11 pages
Pobierz dokument
To jest jedynie podgląd.
3 shown on 11 pages
Pobierz dokument
To jest jedynie podgląd.
3 shown on 11 pages
Pobierz dokument

Teoria reakcji chemicznych

W niniejszym rozdziale omówimy (bardzo krótko) podstawowe tematy związane z

przebiegiem reakcji chemicznych. Mam nadzieję, że nawet taki krótki przegląd

problemów związanych z tym zagadnieniem pozwoli na lepsze zrozumienie

złożoności tematu i zachęci do głębszego przestudiowania poszczególnych

problemów.

Podstawę do zrozumienia poszczególnych zagadnień stanowi niewątpliwie

zrozumienie istoty elementarnego procesu reakcji między dwiema cząsteczkami.

Na co dzień mówimy krótko, że cząsteczka A reaguje z cząsteczką B dając w

wyniku reakcji cząsteczkę C. Należy jednak zdawać sobie sprawę, że ten tak krótko

ujęty proces jest w rzeczywistości o wiele bardziej złożony i w największym

uproszczeniu przebiega następująco:

 w pewnym miejscu w przestrzeni spotkały się dwie, mogące ze sobą

reagować cząsteczki A i B (np. cząsteczka kwasu organicznego i cząsteczka

alkoholu); ich energie translacji (ruchu w przestrzeni) muszą być tak

dobrane, by cząsteczki "zatrzymały się na chwilę" a nie odbiły się od siebie

jak kule bilardowe. Jednym słowem reakcja wymaga, by cząsteczki

przebywały obok siebie przez pewien okres czasu (bardzo krótki, ale jednak

określony);

 samo spotkanie, to za mało. Reagują przecież nie cząsteczki jako całość, a

jedynie ich elementy, zwane grupami funkcyjnymi. W naszym przykładzie

grupa karboksylowa –COOH i alkoholowa –OH. Zatem cząsteczki, aby móc

przereagować musza być tak usytuowane wzajemnie w przestrzeni, aby ich

grupy funkcyjne mogły się spotkać;

 jeśli nawet dojdzie do spotkania grup funkcyjnych, to aby reakcja mogła się

rozpocząć cząsteczki muszą mieć odpowiednio wysokie energie,

pozwalające na przebieg reakcji;

 wzajemne oddziaływanie elektronów walencyjnych atomów poszczególnych

grup funkcyjnych, a pośrednio całych atomów, powoduje rozluźnienie

jednych wiązań i zapoczątkowuje powstawanie nowych. Powstaje twór

zwany kompleksem aktywnym (AB*), który już nie jest tylko dwiema

cząsteczkami A i B, ale nie jest też jeszcze nową cząsteczką C (czyli już nie

kwas+alkohol ale jeszcze nie ester);

 powstały kompleks aktywny może, ale nie musi, przekształcić się w produkt.

Jeśli tak się stanie - proces reakcji się zakończy. Może jednak dojść do

rozpadu kompleksu aktywnego z powrotem na cząsteczki A i B i w ujęciu

makroskopowym - mimo, że reakcja była już w bardzo zaawansowanym

stanie - powiemy, że reakcja nie nastąpiła.

docsity.com

Podane powyżej elementarne etapy procesu reakcji to tylko jego główne elementy.

W rzeczywistości jest ich znacznie więcej i wszystkie one w głównej mierze są

zdarzeniami losowymi, czyli trywializując, zależą głównie od przypadku.

Aby móc projektować nowe związki, lub modyfikować metody otrzymywania już

znanych (np. dla osiągnięcia niższych kosztów wytwarzania czy technologicznie

łatwiejszego przebiegu procesu) należy znać mechanizmy reakcji, przynajmniej

tych podstawowych (tzw. procesów jednostkowych). Mechanizm reakcji opisuje

przebieg reakcji poprzez opis procesów elementarnych prowadzących od

substratów do produktów. Poznaniu mechanizmu reakcji służą badania kinetyczne

reakcji. W badaniach kinetycznych staramy się znaleźć zależności (w miarę

możliwości funkcyjne) między parametrami procesu chemicznego, takimi jak:

stężenie substratów, temperatura reakcji, rozpuszczalniki, katalizatory, a

szybkością i wydajnością reakcji.

Trzeba też zdać sobie sprawę z tego, że to co potocznie nazywamy reakcją

chemiczną zapisaną schematycznie jako A + B = Z jest najczęściej wieloetapowym

procesem, przebiegającym przez stadia pośrednie: A + B = C C + D = E ..... = Z.

Jeżeli stadia pośrednie są krótkotrwałe (np. przejście C ––> Z jest bardzo szybkie w

porównaniu z etapem A + B = C), to powierzchowne badania kinetyczne mogą

sugerować, że mamy do czynienia z reakcją elementarną a nie procesem reakcji

następczych. Generalnie można powiedzieć, że badania mechanizmów reakcji nie

należą do najłatwiejszych i najprostszych pod względem eksperymentalnym,

natomiast wnioski z nich wypływające są nie do przecenienia, szczególnie dla

technologów.

Reaktywność chemiczna

Podstawę do zrozumienia reaktywności danej grupy związków (lub nawet konkretnego

związku) stanowi niewątpliwie zrozumienie istoty elementarnego procesu reakcji,

omówionego także w rozdziale Wstęp działu dotyczącego reakcji chemicznych. Ograniczmy

się do najczęściej spotykanego przypadku reakcji między dwiema cząsteczkami różnych

związków: A i B. Na co dzień mówimy krótko, że cząsteczka A reaguje z cząsteczką B dając

w wyniku reakcji cząsteczkę C. Należy jednak zdawać sobie sprawę, że ten tak krótko ujęty

proces jest w rzeczywistości o wiele bardziej złożony i nawet w największym uproszczeniu

trzeba opisać jego przebieg w kilku punktach:

 w pewnym miejscu w przestrzeni spotkały się dwie, mogące ze sobą reagować

cząsteczki A i B (np. cząsteczka kwasu organicznego i cząsteczka alkoholu); ich

energie translacji (ruchu w przestrzeni) muszą być tak dobrane, by cząsteczki

"zatrzymały się na chwilę" a nie odbiły się od siebie jak kule bilardowe. Jednym

słowem reakcja wymaga, by cząsteczki przebywały obok siebie przez pewien okres

czasu (bardzo krótki, ale jednak określony);

 samo spotkanie, to za mało. Reagują przecież nie cząsteczki jako całość, a jedynie ich

elementy, zwane grupami funkcyjnymi. W naszym przykładzie grupa karboksylowa –

docsity.com

COOH i alkoholowa –OH. Zatem cząsteczki, aby móc przereagować musza być tak

usytuowane wzajemnie w przestrzeni, aby ich grupy funkcyjne mogły się spotkać;

 jeśli nawet dojdzie do spotkania grup funkcyjnych, to aby reakcja mogła się rozpocząć

cząsteczki muszą mieć odpowiednio wysokie energie (energię wewnętrzną),

pozwalające na przebieg reakcji;

 wzajemne oddziaływanie elektronów walencyjnych atomów poszczególnych grup

funkcyjnych, a pośrednio całych atomów, powoduje rozluźnienie jednych wiązań i

zapoczątkowuje powstawanie nowych. Powstaje twór zwany kompleksem aktywnym

(AB*), który już nie jest tylko dwiema cząsteczkami A i B, ale nie jest też jeszcze

nową cząsteczką C (czyli już nie kwas+alkohol ale jeszcze nie ester);

 powstały kompleks aktywny może, ale nie musi, przekształcić się w produkt. Jeśli tak

się stanie - proces reakcji się zakończy. Może jednak dojść do rozpadu kompleksu

aktywnego z powrotem na cząsteczki A i B i w ujęciu makroskopowym - mimo, że

reakcja była już w bardzo zaawansowanym stanie - powiemy, że reakcja nie nastąpiła.

Podane powyżej elementarne etapy procesu reakcji to tylko jego główne elementy. Każdy z

nich w dużej mierze jest zjawiskiem losowymi, czyli trywializując, zależy głównie od

przypadku. Jednak prawdopodobieństwo zaistnienia tego przypadkowego zdarzenia zależy też

w pewnym stopniu od czynników zewnętrznych - struktury reagujących cząsteczek i

parametrów procesu (przede wszystkim stężenia lub ciśnienia reagentów oraz temperatury).

Trzeba też zdać sobie sprawę z tego, że to co potocznie nazywamy reakcją chemiczną zapisaną schematycznie

jako A + B = C jest najczęściej wieloetapowym procesem, przebiegającym przez stadia pośrednie: A + B = X;

X + D = Y; ..... = C.

Pojęcie ogólnej reaktywności substancji jest pojęciem dość nieostrym i pozwala na

rozróżnienia między substancjami znacznie różniącymi się między sobą, natomiast jest zbyt

mało precyzyjny by różnicować substancje o podobnych właściwościach.. Można spokojnie

stwierdzić, że chlorek kwasu octowego jest o wiele bardziej reaktywny niż cykloheksan,

natomiast porównywanie reaktywności np. alkoholi i kwasów organicznych nie ma większego

sensu - brak ostrych kryteriów na podstawie których jednoznacznie można by przypisać jedną

z tych grup do większej reaktywności. Z tego powodu często nie mówimy o reaktywności

jakiejś substancji "w ogóle" lecz tylko w stosunku do konkretnej reakcji lub grupy reakcji. W

stosunku np. do wodorotlenków kwasy organiczne są bardziej reaktywne niż alkohole,

natomiast alkohole cechuje wyższa, niż w przypadku kwasów, reaktywność w rekcjach

utleniania.

Reaktywność w praktyce oznacza zazwyczaj ilość reakcji w jakie wchodzi dana substancja

czy grupa substancji, oraz wydajność tych reakcji w warunkach niezbyt odbiegających od

normalnych. Jeżeli jakaś reakcja dla przeprowadzenia z wydajnością liczoną w dziesiątkach

procent wymaga temperatury rzędu kilkuset stopni i ciśnienia kilkuset atmosfer, nie bierzemy

jej pod uwagę w trakcie rozpatrywania reaktywności danej substancji. Natomiast wszelkie

reakcje przebiegające z dość dużą wydajnością w temperaturach do paruset stopni i kilku

atmosfer uznajemy za "właściwość" chemiczna danego związku. Z pobieżnej nawet analizy

przebiegu reakcji chemicznej (patrz wyżej) jasno wynika, że cecha zwana reaktywnością jest

wypadkową kilku innych właściwości cząsteczki reagującej. Prześledźmy te cechy i ich

wpływ na reaktywność.

1. Spotkanie cząsteczek. Dla cząsteczek niepolarnych czynnikiem decydującym o spotkaniu jest wyłącznie

przypadek. Gdy reagentami są cząsteczki polarne dochodzi do tego aktywne

docsity.com

oddziaływania ładunków dipoli (przyciąganie ładunków różnoimiennych),

zwiększające ilość spotkań a zatem i szybkość reakcji. Ciśnienie bądź temperatura

oraz wzrost stężenia "biernie" zwiększają prawdopodobieństwo spotkania się

reagujących cząsteczek.

Tak więc pierwszy etap reakcji w danych warunkach zachodzi szybciej (łatwiej) w

przypadku substancji polarnych.

Także "unieruchomienie" na jakiś czas cząsteczek reagujących, poprzez siły

elektrostatyczne zwiększa szanse zajścia reakcji.

2. Usytuowanie przestrzenne. Ponieważ reakcje (przegrupowanie atomów i wiązań między reagującymi

cząsteczkami) najczęściej zachodzą między elementami cząsteczki (grupami

funkcyjnymi) obdarzonymi cząstkowym ładunkiem ujemnym (reakcje elektrofilowe)

lub cząstkowym ładunkiem dodatnim (reakcje nukleofilowe) takie spotkanie i

"unieruchomienie" cząsteczek reagujących w pozycji (+) (–) ułatwia przegrupowanie

atomów i ładunków między reagującymi grupami.

3. Aspekty energetyczne. Tu, w tym krótkim opracowaniu, wspomnijmy tylko, że odpowiedni poziom energii

wewnętrznej obu reagujących cząsteczek i różnica energii między substratami i

produktami oraz poziom energii aktywacji decydują o wyniku reakcji. Szczegółowsze

dane na temat czynnika energetycznego w przebiegu reakcji znajdziesz w rozdziale o

energii w reakcjach i energii cząsteczek.

4. Kształt cząsteczek substratów. Kształt cząsteczki w powiązaniu z polarnością odgrywa dużą, czasem wręcz

decydującą rolę w procesie przemian chemicznych. Przeszkody steryczne (fizyczne,

geometryczne) mogą uniemożliwić spotkanie się grup reaktywnych. Przeszkodą w

zbliżeniu się grup reagujących na odległość umożliwiającą zajście reakcji może być

także silne pole elektryczne podstawników (szczególnie silnie elektroujemnych i

"objętościowych" - brom, jod, grupa nitrowa, pierścień fenylowy). Jednocześnie w

wielu przypadkach silnie elektroujemne podstawniki na drodze indukcji zwiększają

ładunek dodatni dipola cząsteczki ułatwiając reakcje nukleofilowe. Tak więc nie

można tu sformułować jednej reguły opisującej wpływ podstawnika na reaktywność

cząsteczek.

Podsumowując: najistotniejszym i "najpewniejszym" czynnikiem wpływającym na

reaktywność jest polarność - tak całej cząsteczki, jak i wiązań w obrębie centrum reakcji.

Wpływ innych czynników mogących mieć znaczenie dla reaktywności danej grupy związków

trzeba rozpatrywać kompleksowo, w powiązaniu z daną reakcją i warunkami jej

przeprowadzania. Trzeba pamiętać, że także rozpuszczalnik i jego relacje z reagującymi w

nim substancjami (solwatacja) mogą w sposób znaczący wpływać na reaktywność.

docsity.com

alkohol metylowy

reaguje z kwasem

octowym; nic nie

stoi na

przeszkodzie do

powstania estru

metylowego kwasu

octowego (octanu

metylu)

ta sama reakcja

między kwasem

trichlorooctowym i

trichlorometanolem

napotyka na duże

przeszkody

związane z

oddziaływaniem

(odpychaniem)

ładunków

ujemnych na

elektroujemnych

atomach chloru;

jednocześnie

atomy chloru

indukcyjnie

zwiększają

polarność wiązań

w obrębie centrum

reakcji (–OH i –

COOH)

wzór na papierze,

jakimi najczęściej

operujemy, nie

oddaje prawidłowo

rzeczywistości;

wydaje się, że nic

nie broni dostępu

do grupy

alkoholowej;

wzór po lewej

wyraźnie pokazuje,

że dostęp do tej

grupy (czerwono-

niebieska) możliwy

docsity.com

jest tylko "od

dołu", dostępu z

innych kierunków

"bronią"

pierścienie

fenylowe, grupy

nitrowe

(granatowo-

czerwone) i atom

bromu (zielony)

Jeśli przemyślałaś sobie to wszystko o czym mówiliśmy na temat reaktywności, odpowiedz

sobie - dlaczego reakcje jonowe przebiegają zazwyczaj bardzo szybko (w stosunku do

reakcji "organicznych" można powiedzieć, że wręcz błyskawicznie)?

Cząsteczkowość reakcji

Przez cząsteczkowość reakcji rozumiemy ilość cząsteczek substratów biorących udział w

reakcji elementarnej, ilość cząsteczek, które muszą się spotkać w jednym miejscu i czasie, by

reakcja mogła nastąpić.

Rozróżniamy reakcje jednocząsteczkowe (np. rozkład termiczny związku lub samoistny

rozpad radioaktywny), dwucząsteczkowe (najpopularniejsze), trójcząsteczkowe (bardzo

rzadkie, wymagają bowiem spotkania się aż trzech cząsteczek i spełnienia przez nie kryteriów

podanych w opisie ogólnych zasad - minimalne prawdopodobieństwo). Reakcje cztero- i

więcej cząsteczkowe praktycznie nie zachodzą z powodu prawdopodobieństwa praktycznie

równego zero. Jeśli z zapisu reakcji wynika taka cząsteczkowość (np. 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 -

reakcja pozornie pięciocząsteczkowa), to prawie na pewno mamy do czynienia nie z prostą

reakcją elementarna a tylko z prostym zapisem złożonego procesu kilku reakcji następczych,

z których żadna nie jest więcej niż trójcząsteczkowa.

Nawet proste w zapisie reakcje dwucząsteczkowe przy dokładniejszym badaniu okazują się

najczęściej ciągiem reakcji następczych. Na przykład prostą, wszystkim znana reakcję:

2Na + 2H2O ––> 2Na + 2OH- + H2

można zapisać jako ciąg reakcji elementarnych:

H2O ——> H + + OH-

Na + H+ ——> Na+ + H

H + H ——> H2

docsity.com

Pierwsza z nich jest jednocząsteczkową reakcją dysocjacji wody, druga dwucząsteczkowa

reakcja jonizacji sodu pod wpływem jonów wodorowych, a trzecia dwucząsteczkową reakcją

tworzenia cząsteczki wodoru z atomów wodoru.

Biorąc pod uwagę pierwszą z reakcji i pamiętając, że w rzeczywistości jony wodorowe w

roztworach wodnych występują jako jony hydroniowe H3O + , też nie jesteśmy pewni czy jest

to reakcja jednocząsteczkowa, czy może dwucząsteczkowa:

H2O + H2O ——> H3O + + HO-

Ustalenie rzeczywistej cząsteczkowości elementarnej reakcji chemicznej, czyli ilości

cząsteczek (lub czasem tylko atomów), które muszą się spotkać w tym samym miejscu i

czasie, aby mogła zajść reakcja nie jest sprawą wcale łatwą. Pamiętajmy, że zapis

stechiometryczny reakcji jest tylko zapisem symbolicznym i z prawdziwym przebiegiem

reakcji najczęściej ma związek bardzo luźny.

Rzędowość reakcji

Jeżeli zapiszemy równanie stechiometryczne jakiejś reakcji jako:

aA + bB + .... + zZ ——> xX

to równanie na szybkość reakcji w zależności od stężeń substratów przybierze postać:

V = k · [A]a · [B]b · ... · [Z]z

Pod pojęciem rzędowości reakcji będziemy rozumieli sumę wykładników potęg przy

stężeniach substratów w równaniu kinetycznym (a + b + ... + z). Czasami określamy

rzędowość tylko względem jednego substratu - np. rzędowość względem substancji A w

naszym przykładzie wynosi a. Określamy zatem, że reakcja jest rzędu zerowego, pierwszego

(pierwszorzędowa), drugiego itp.

Rzędowość reakcji, aczkolwiek ma silne powiązanie z cząsteczkowością, nie jest jednak

ścisłym określeniem fizycznej rzeczywistości, lecz raczej sposobem matematycznego opisu

pewnej sytuacji. Dość często odnosi się ona do złożonych procesów i najczęściej pojęcie

reakcji traktuje w tym codziennym, praktycznym ujęciu a nie ścisłym, jak w przypadku

cząsteczkowości. W związku z takim traktowaniem rzeczywistości niekiedy przyjmujemy

ułamkowe wartości rzędowości. Wartość rzędowości nie jest parametrem ważnym samym dla

siebie a jedynie pomaga wyciągać praktyczne wnioski co do przebiegu reakcji (procesu) i

pozwala na wnioskowanie o jego mechanizmie.

Szybkość reakcji

docsity.com

Szybkość reakcji określamy jako stosunek wielkości zmiany stężenia substratów reakcji do

czasu w jakim ta zmiana nastąpiła.

Szybkość reakcji w danej chwili jest wprost proporcjonalna do chwilowego stężenia

substratów.

Z makroskopowego punktu widzenia można uznać, że stężenie substratów zmienia się w

sposób ciągły (analogowo), co oznacza, że i szybkość reakcji zmienia się w sposób ciągły.

Zatem określić szybkość reakcji można tylko różniczką

gdzie znak minus ma na celu utrzymanie sensu fizycznego szybkości reakcji. Może ona być

tyko wartością dodatnią, natomiast zmiana stężenia substratów (dc) jest wartością ujemną -

substratów ubywa.

Z drugiej strony, wychodząc z twierdzenia, że szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do

stężenia substratów, można napisać ogólne równanie

Łącząc te dwa równania (ponieważ lewe strony są równe, to prawe też) otrzymujemy:

Rozwiązując to równanie różniczkowe obliczamy wartość współczynnika k. Jest to parametr

najistotniejszy z praktycznego punktu widzenia. Nazywamy go stałą szybkości reakcji i

znając jego wartość jesteśmy w stanie obliczyć szybkość reakcji w danym momencie (co

praktyczne interesuje nas rzadziej) jak również określić czas potrzebny do osiągnięcia w

konkretnej reakcji założonej wydajności. Porównując wartości k różnych reakcji możemy tym

sposobem porównywać dynamikę tych reakcji. Proszę zauważyć, że z równania drugiego

wynika, że gdy ci = 1 to V = k.

Możemy powiedzieć, że wartość stałej szybkości reakcji k równa się liczbowo

szybkości reakcji, jaka wystąpiłaby w przypadku, gdyby stężenie każdego substratu

wynosiło dokładnie 1 M.

Równania rzędu reakcji

docsity.com

Jeżeli ogólne równanie różniczkowe (powyżej) rozwiążemy przy założeniu odpowiednich

wartości i (ilość substratów) oraz ai to otrzymamy równania kinetyczne odpowiednich

rzędów. I tak równanie kinetyczne dla pierwszego rzędu (najczęściej występujący przypadek)

ma postać

gdzie k - stała szybkości reakcji, co to początkowe stężenie substratu, zaś x - stężenie

produktu po czasie t.

Czas połowicznej przemiany t (często określany jako t0,5) po którym reakcji ulegnie połowa

substratu (co - x = 0,5co) w przypadku reakcji biegnącej zgodnie z równaniem I rzędu wynosi

Jak z powyższego równania wynika, czas ten nie zależy od początkowego stężenia

substratów. Według równania I rzędu przebiega, między innymi, reakcja samorzutnego

rozpadu promieniotwórczego (typowa reakcja jednocząsteczkowa).

Dla reakcji biegnącej zgodnie z równaniem kinetycznym drugiego rzędu i stężeniach

początkowych substratów ca i cb (x - stężenie produktu po czasie t) mamy ogólne równanie:

zaś dla częstego przypadku, gdy stężenia obu substratów są równe (ca=cb = co), lub gdy mamy do czynienia z reakcją A + A = A2 otrzymujemy:

Ogólnie, czas połowicznej przemiany zależy proporcjonalnie od rzędu reakcji n:

docsity.com

Stałą szybkości reakcji obliczamy podstawiając znalezione doświadczalnie wartości stężenia

substratu lub produktu i odpowiadające im wartości czasu do właściwego równania

kinetycznego (tzn. takiego, które daje w wyniku stałe wartości k, niezależnie od czasu

reakcji). Tego typu działanie wymaga najczęściej prześledzenia przebiegu co najmniej 80%

reakcji. Dla reakcji biegnących stosunkowo wolno stosuje się często o wiele mniej

czasochłonną metodę szybkości początkowych. Metoda ta polega na znalezieniu szybkości

reakcji dla dwóch różnych stężeń początkowych. Zasadą obliczania szybkości początkowych

ilustruje poniższy rysunek:

Rysunek wyżej przedstawia graficzny zapis zmian stężenia w czasie dla pełnego przebiegu

reakcji, dolny - powiększenie obejmujące początkowe chwile reakcji (około 5%)

Dla reakcji biegnącej stosunkowo wolno jesteśmy w stanie zmierzyć na tyle dużą wartość c,

że błąd pomiaru jest niewielki, a jednocześnie wartość jest tak mała w stosunku do czasu

pełnej reakcji, że możemy uznać c/ za praktycznie równe dc/dt czyli prędkości

początkowej reakcji. Z wartości prędkości reakcji i stężenia początkowego możemy obliczyć

stałą szybkości.

Podstawianie uzyskiwanych doświadczalnie danych na temat stężenia substratów bądź

produktów w czasie, pozwala na uzyskanie informacji na temat rzędowości badanego

procesu. Informacje te w połączeniu z badaniami wpływu temperatury na szybkość reakcji, a

docsity.com

w bardziej szczegółowych badaniach także różnego rodzaju podstawników i katalizatorów,

pozwalają na opracowanie mechanizmu danej reakcji lub nawet całego typu reakcji.

Energia w reakcjach chemicznych[±²]

Wstęp

W dużym skrócie można powiedzieć, że przebieg reakcji chemicznej determinują trzy

czynniki: energia wewnętrzna reagujących cząsteczek (generalnie entalpia H), energia

"zewnętrzna" określona temperaturą oraz entropia (S).

Przyroda preferuje takie przemiany, które powodują obniżenie energii (H<0) i powiększenie

entropii (S>0Reakcje, które spełniają oba te warunki zachodzą samorzutnie. Do takich

reakcji możemy zaliczyć reakcje utlenienia - węgiel samorzutnie przechodzi w CO2, bowiem

zachodzi tu zarówno przypadek obniżenia energii wewnętrznej (reakcja egzotermiczna), jak i

podwyższenia entropii (ciało stałe przechodzi w stan gazowy). Jeżeli podczas jakiejś

przemiany oba czynniki przeciwdziałają przejściu substratów w produkty - reakcja nie

zachodzi spontanicznie i najczęściej jest trudna do przeprowadzenia. Najczęściej jednak

spotykaną sytuacją jest taka, gdy jeden czynnik sprzyja reakcji a drugi ją hamuje (H<0

S<0 lub H>0 S>0). O przebiegu reakcji decyduje wówczas sumaryczny wynik tych

dwóch działań, określany wartością zwaną entalpią swobodną procesu (czasem określana

nazwą: potencjał termodynamiczny) i obliczaną ze wzoru:

G=H-T·S

Reakcja jest reakcja spontaniczną (może przebiegać samorzutnie) jeżeli wartość G<0.

Różnica entalpii i entropii reakcji, o której była mowa wyżej, to nie jedyne czynniki

determinujące przebieg reakcji. Teoria stanu przejściowego (kompleksu aktywnego) opisuje

przebieg reakcji jako przejście od substratów (A+B) do produktów (AB) poprzez kompleks

aktywny ([AB]*)

A+B —> [AB]* —> AB

Kompleks aktywny nie jest jeszcze produktem, ale nie jest także już substratem. Jest stanem

nietrwałym, a charakteryzuje go wysoka energia. Różnicę między jego energią i energią

substratu nazywamy energią aktywacji (EA).

Różnica entalpii i entropii danej przemiany chemicznej nie zależy od drogi jaką ta przemiana

przebiega, a jedynie dotyczy różnicy między stanem energetycznym substratów i produktów

(są to tzw. funkcje stanu) i opisuje teoretyczne możliwości przebiegu danej reakcji. Energia

aktywacji określa różnicę energii kompleksu aktywnego i substratów w konkretnych

docsity.com

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
3 shown on 11 pages
Pobierz dokument