Upload
beverly-bishop
View
47
Download
6
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Egyszerű reakciók : az előbb ismertetett módon a katalizátor csökkenti az aktiválási energiát. Pl: 2H 2 + O 2 2H 2 O Pt felületén megköti a H 2 és O 2 molekulákat, felbontja a H 2 és fellazítja az O 2 kötését, így kisebb energiát kell a reakcióhoz befektetni. Pt. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Kémiai reakciókKémiai reakciókkatalíziskatalízis
Reakcióút
Reakció katalizátor nélkül
Reakció katalizátorralE
X → YY → X
Reakcióút
Reakció katalizátor nélkül
Reakció katalizátorralE
X → YY → X
Egyszerű reakciók: az előbb ismertetett módon a katalizátor csökkenti az aktiválási energiát. Pl:
2H2 + O2 2H2O
Pt felületén megköti a H2 és O2 molekulákat, felbontja a H2 és fellazítja az O2 kötését, így kisebb energiát kell a reakcióhoz befektetni.
Pt
Összetett reakciók: az eredeti reakció mellett egy másik, gyorsabban lejátszódó reakcióút nyílik meg. Pl: NH3 és HCl reakciója víz jelenlétében(katalizátor nélkül a két molekula megfelelő ütközése kellene)
NH3 + H2O = NH4+ + OH-
NH4+ + HCl = NH4Cl + H+
H+ + OH- = H2O
A H2O átmeneti vegyületet hoz létre NH3-al, mely könnyebben reagál a HCl-el. A katalizátor visszaalakul, s újabb reakcióra kész.
Katalizátorok fajtái:Aszerint, hogy a katalizátor és a reaktánsok azonos vagy különböző fázisbanvannak, megkülönböztetünk
• homogén katalízis (azonos fázis)
– NH3 és HCl előbbi reakciója (víz = folyadék fázisban)
– élő rendszerekben, katalizátorok az enzimek
• heterogén katalízis (különböző fázis)– az ipari méretű szintéziseknél, (a reakció után a katalizátor
egyszerűen kinyerhető a rendszerből), pl. hidrogénezések = telítetlen szerves vegyületek telítése H2-el Pd katalizátor alkalmazásával
Kémiai reakciókKémiai reakciókkatalíziskatalízis
Katalizátor autókban: Pt (Pd, Rh) környezetre kevésbé ártalmas termékek. kerámia méhsejt szerkezetű mag:
• Nitrogén-oxidok redukciója: 2NOx → xO2 + N2
• CO oxidációja: 2CO + O2 → 2CO2
• Elégetlen szénhidrogének oxidációja: CxH2x+2 + 2xO2 → xCO2 + 2xH2O
Entrópia (S, kJ/K): egy rendszer rendezetlenségének mértéke. A rendezetlenség
kedvezőbb állapot:• kristályos anyag oldódása (oldott anyag oldószerben való eloszlása)• gázok keveredése (kibocsátott CO2, füst)A természetes folyamatokat az irányítja, hogy:• csökkenjen a rendszer energiája (energia-felszabadulás)• növekedjen a rendezetlenség mértéke
Ezt fejezi ki a szabadentalpia: G = H – TS
Valamely folyamat (kémiai reakció) szabadentalpia változása:
G = H – TS
Spontán folyamat akkor megy végbe, ha szabadentalpia változás negatív (G<0).
Az entrópia tagnak inkább csak magas hőmérséklet esetén (T > 1500 K) van
jelentősége, szobahőmérsékleten általában elhanyagolható, azaz
G ≈ H
Kémiai reakciókKémiai reakciókSzabadentalpiaSzabadentalpia
G: szabadentalpia, kJH: entalpia, kJT: hőmérséklet, K
Kémiai reakciókKémiai reakciókegyensúlyi reakciók: A Begyensúlyi reakciók: A B
(Gyakorlatilag) egyirányú reakciók:
• nagyon stabilis a termék
• a termék más halmazállapota miatt eltávozik a rendszerből: - gáz: H2CO3 → H2O + CO2
- csapadék: AgNO3 + HCl → AgCl + HNO3
Aktivált komplexum
Reakcióút Termékek
Ea E’
a Reaktánsok
Minden kémiai reakció elvileg oda-vissza mehet, a fő különbség a befektetendő aktiválási energiában van.
Aktivált komplexum
Reakcióút
Termékek
Ea E’
a Reaktánsok
Kémiai reakciókKémiai reakciókkémiai egyensúlykémiai egyensúly
• Kiindulási anyagok felé tolódott egyensúlyban végig: ckiindulási anyag > ctermék
• Termék felé tolódó egyensúlyban egy idő után: ckiindulási anyag < ctermék
• Egyensúlyban az oda-vissza alakulás reakciósebessége megegyezik (v1 = v2)
! A koncentrációban nincs változás, de az oda-vissza reakció folyamatosan történik!
DINAMIKUS EGYENSÚLYI ÁLLAPOT
Kémiai egyensúly kifejeződése a koncentrációkban és a reakciósebességekben:
Re
ak
có
se
be
ss
ég
→
Idő →
v1
egyensúly
v2Ko
nc
en
trá
ció
→
Idő →
ckiindulási anyag
egyensúly
ctermék Ko
nc
en
trá
ció
→
Idő →
ckiindulási anyagegyensúly
ctermék
Kémiai reakciókKémiai reakciókegyensúlyi állandóegyensúlyi állandó
Az egyensúlyi állandó (K) csak a külső körülményektől (nyomás, hőmérséklet) függ, független a koncentráció értékektől.
• K>1: egyensúlyban a termékek vannak nagyobb mennyiségben
• K<1: egyensúlyban a kiindulási anyagok vannak nagyobb mennyiségben
Tömeghatás törvénye: egyensúlyban a termékek megfelelő hatványon vett egyensúlyi koncentrációinak szorzata, osztva a kiindulási anyagok megfelelő hatványon vett egyensúlyi koncentrációinak szorzatával, egy adott hőmérsékleten állandó érték.
aA + bB cC + dD reakcióra:
(levezetve: v1=k1[A]a[B]b, v2=k2[C]c[D]d
egyensúlyban: v1=v2, azaz k1[A]a[B]b=k2[C]c[D]d →
ba
dc
BA
DC=K
[A]a[B]b
[C]c[D]d
k2
k1 =
Kémiai reakciókKémiai reakciókegyensúlyi állandóegyensúlyi állandó
b) hőmérsékletváltoztatás: K-t változtatja, s azon keresztül a reakciósebességeket, koncentrációkat.
• T növelés: endoterm reakciónál termékképződés (szél)
exoterm reakciónál visszaalakulás (ellenszél)
• T csökkentés: exoterm reakciónál termékképződés endoterm reakciónál visszaalakulás
Le Chatelier-Braun elv (legkisebb kényszer elve): egy dinamikus egyensúlyban levő rendszer megzavarásakor annak a folyamatnak lesz nagyobb a sebessége, amely a zavaró hatást csökkenteni igyekszik.
a) koncentrációváltoztatás (K-t nem változtatja, de a reakciósebességeket igen aA + bB cC + dD reakcióban megnöveljük B mennyiségét y-al:
eredeti egyensúlyban k1[A]a[B]b=k2[C]c[D]d, változtatva k1[A]a[B+y]b→k2[C]c[D]d
új egyensúlyban: k1[A-x]a[B+y-x]b=k2[C+x]c[D+x]d
[A-x]a[B+y-x]b
[C+x]c[D+x]d
K=
Kémiai reakciókKémiai reakciókegyensúlyi állandóegyensúlyi állandó
Le Chatelier-Braun elv:c) nyomásváltoztatás: csak molekulaszám változással járó reakciókban K-t
változtatja, s azon keresztül a reakciósebességeket, koncentrációkat.
• p növelés: molekulák számának csökkenése felé
• p csökkentés: molekulák számának növekedése felé pl: H2O + CO2 H2CO3: megfelelő mennyiségű CO2-t nyomással oldanak
az ásványvízben
d) katalizátor nem változtatja meg az egyensúlyi állandót, csak a reakciósebességeket (mindkét irányét) növeli
Ok: az egyensúlyi állandó a kiindulási anyagok és végtermékek relatív energiájától függ, ezt pedig a katalizátor nem befolyásolja.
Reakcióút
Reakció katalizátor nélkül
Reakció katalizátorralE
X → YY → X
Reakcióút
Reakció katalizátor nélkül
Reakció katalizátorralE
X → YY → X
Kémiai reakciókKémiai reakciókProtolitikus reakciókProtolitikus reakciók
Hidrogénion (proton) átadással járó reakciók főként vizes oldatbanBrönsted szerint:
• savak: protont leadó molekulák és ionok (HCl + H2O H3O+ + Cl-)
• bázisok: protont felvevő molekulák és ionok (NH3 + H2O NH4+ + OH-)
Proton sosincs szabad állapotban az oldatban, ezért ezen (mindig) egyensúlyi
reakciókban a sav és bázis együttesen van jelen: HCl + H2O H3O+ + Cl-
sav bázis sav bázis
Amfoter vegyület: partnertől függően savként illetve bázisként reagál: H2O
A sav-bázis párok erőssége ellentétes: minél erősebb a sav (pl. HCl), annál gyengébb a bázis párja (Cl-).
oxónium ion
Arrhenius-féle sav-bázis elmélet (korábbi, közelebb áll a mindennapi élethez)Csak vizes oldatokra érvényes!• savak: vízben H+-ionra és anionra disszociálnak: HCl H+ + Cl-• bázisok: vízben OH--ionra és kationra disszociálnak: NaOH Na+ + OH-
Kémiai reakciókKémiai reakciókProtolitikus reakciók: egyensúlyi állandókProtolitikus reakciók: egyensúlyi állandók
Disszociációs egyensúlyi állandók: sav illetve bázis HNO3 NO3
- + H+ NH4OH NH4+ + OH-
[HNO3]
[NO3-][H+]
Ks=[NH4OH]
[NH4+][OH-]
Kb=
A […] koncentrációk mindig az egyensúlyi koncentrációk, nem pedig kiindulási vagy bruttó koncentrációk, ami példákban sokszor szerepel.Víz disszociációja: H2O + H2O H3O+ + OH-
Autoprotolízis: egy vegyület molekulái egymással lépnek sav-bázis reakcióba
A folyamatra felírva a tömeghatástörtet:
A H2O molekulák koncentrációja gyakorlatilag állandó (55,5 mol/dm3), ezért
összevonható K-val: Kvíz= [H3O+][OH-] = 10-14 (mol/dm3)2
vízionszorzat 25 ºC-on
[H2O]2
[H3O+][OH-]K=
Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókpHpH
Vízionszorzat jelentése: H3O+ (H+) és OH- ionok mindig vannak jelen az oldatban,
és meghatározzák egymás koncentrációját.Kémhatás:
• savas oldat: H3O+ ionok vannak többségben (>10-7 mol/dm3)
• bázikus (lúgos) oldat: OH- ionok vannak többségben (>10-7 mol/dm3)
• semleges oldat: [H3O+]=[OH-] = 10-7 mol/dm3
A kémhatás számszerű jellemzésére a -lg[H3O+] értéket használjuk, neve pH
• savas oldat: pH < 7
• bázikus (lúgos) oldat: pH > 7(Analóg módon pOH is létezik, de a gyakorlatban nem használatos.)
Számítási példa:Mennyi a 0.1 mol/dm3-es HCl illetve NaOH oldatok pH-ja?
HCl disszociációja után [H3O+]=0.1 mol/dm3 → pH=-lg[H3O+] =1
NaOH oldatban [OH-]=0.1 mol/dm3 [H3O+]=10-13 mol/dm3 → pH=13
vízionszorzatból
Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókGyenge savak disszociációjaGyenge savak disszociációja
Hidrogén-cianid: HCN + H2O H3O+ + CN-
[HCN]
[H3O+][CN-]Ks= = 10-9
mol/dm3
Számítási példa:1. Mennyi az 1 mol/dm3-es HCN oldat pH-ja?
A disszociáció során azonos mennyiségű H3O+ és CN- keletkezik: [H3O+]=[CN-]
A maradó HCN koncentrációja: 1-[H3O+] mol/dm3
behelyettesítve a tömeghatástörtbe:
A másodfokú egyenlet megoldása: [H3O+]=3.2.10-5 mol/dm3 → pH=4.5
2. Mennyi lesz a CN--koncentráció, ha a fenti oldat pH-ját erős savval 2-re állítjuk?
A tömeghatástört: , melyből [CN-]=10-7 mol/dm3
Gyenge bázisok pH számítása analóg, csak ott a végén OH--koncentrációt kapunk,amiből a vízionszorzat segítségével kapjuk meg a H3O+-koncentrációt.
1-[H3O+]
[H3O+]2
10-9=
1-[CN-]
[10-2][CN-]10-9=
Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókHidrolízisHidrolízis
Erős sav és erős bázis sójának (pl. NaCl) vizes oldata semleges kémhatású.
Ha vagy a sav, vagy a bázis gyenge, a vizes oldat nem lesz semleges.
• gyenge sav+erős bázis (NaCN): lúgos kémhatás
• gyenge bázis + erős sav (NH4Cl): savas kémhatás
A feloldáskor keletkező ionok reagálnak a víz molekulákkal: CN- + H2O HCN + OH-
NH4+ + H2O NH4OH + H+ (H3O+)
lúgos
savas
A fenti hidrolízisek is egyensúlyi folyamatok:
[CN-][HCN][OH-]
Kh=[NH4
+]
[NH4OH][H3O+]Kh=és , [H2O] beépítve Kh
hidrolízisállandóba
Ks
KvízKh=A Ks(Kb) disszociációs állandók és a megfelelő hidrolízisállandók között összefüggés van:
[CN-][H3O+][H3O+][OH-][HCN]
=Ks
Kvíz =Kh
[HCN][CN-][H3O+]
Ks= [HCN][CN-][H3O+]
Ks=
Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókSav-bázis indikátorokSav-bázis indikátorok
Szerkezet
pH 0–8,2 8,2–12,0
Szín színtelen lila
Gyenge savak illetve bázisok, azaz oldatban részben disszociálnak az oldat pH-jától függően. HxIn + xH2O Inx- + xH3O+ illetve InOH In+ + OH-
Más a színe a semleges indikátor molekulának és (a jelentősen megváltozott szerkezet miatt) a disszociációs termék ionnak. Fenolftalein: gyenge sav, disszociációs egyensúlyi állandója:
• Savas közegben: sok H3O+-ion, visszaszorul a disszociáció
• Lúgos közegben: H3O+ ionokat megköti a sok OH--ion, elősegíti a disszociációt
In2-H2In
[H2In]
[In2-][H3O+]2
K=
Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókUniverzális indikátorUniverzális indikátor
Különböző indikátorok (fenolftalein, brómtimolkék, timolkék, metilvörös, éstimolftalein) keveréke, melyek más-más pH-nál változtatják színüket.
www.lmpc.edu.au/.../indicator.htm
encarta.msn.com/.../universal_indicator.html