Przeczytaj
Kinetyka chemiczna
Dział chemii fizycznej, który zajmuje się analizą szybkości reakcji chemicznych w różnych warunkach ciśnienia, temperatury, stężenia oraz badaniem wpływu natury reagentów, to kinetyka chemiczna. Dzięki niej możemy poznać mechanizmmechanizm szybkości poszczególnych etapów reakcji oraz ich produkty pośrednie, które mogą pojawiać się na drodze od substratu do produktu. Najważniejszymi pojęciami związanymi z tą nauką są:
szybkość;
cząsteczkowość;
rzędowość;
stała szybkości reakcji.
Każda reakcja chemiczna charakteryzuje się różną szybkością. Wnioskuje się ją po ubytku substratu bądź po przyroście ilości produktu. Właśnie dlatego szybkość reakcji chemicznej wyraża się jako zmianę stężenia molowego substratów lub produktów w jednostce czasu. Nie jest to wielkość stała, ponieważ zmienia się w czasie przebiegu reakcji. Największą wartość ma na początku reakcji, a najmniejszą pod koniec.
W jaki sposób można wpłynąć na szybkość reakcji chemicznej?
Szybkość reakcji chemicznej może ulec zmianie (zostać zwiększona lub zmniejszona) po zastosowaniu poniższych czynników:
temperatury;
stężenia reagentów;
stosowania rozpuszczalników;
katalizatorów/inhibitorówkatalizatorów/inhibitorów
mieszania;
rozdrabniania;
ciśnienia (dla reakcji w stanie gazowym).
Reakcja chemiczna jest przemianą jednego substratu lub więcej w jeden bądź kilka różnych produktów. Ważnym zagadnieniem, które wyjaśnia, w jaki sposób zachodzi reakcja pomiędzy cząsteczkami reagentów, jest teoria zderzeń. Zgodnie z nią cząsteczki mogą reagować ze sobą pod warunkiem, że zderzą się ze sobą i ich energia będzie odpowiednio wysoka. Wówczas takie zderzenie nazywane jest zderzeniem efektywnymzderzeniem efektywnym, a energia, jaką mają wtedy substraty, nazywa się energią aktywacjienergią aktywacji. W trakcie zderzenia efektywnego tworzy się kompleks aktywnykompleks aktywny, który jest stanem przejściowym na drodze od substratów do produktów. Powyższą teorię ilustruje wykres:
Warunkiem niezbędnym do zajścia reakcji chemicznej jest powstanie kompleksu aktywnego. Jego wysoka energia wewnętrznaenergia wewnętrzna stanowi czasami przeszkodę do przeprowadzenia reakcji chemicznej. Jednak pokonanie tej bariery energetycznej jest możliwe poprzez zastosowanie katalizatorów.
Chemia katalizatorów jest szybko rozwijającą się i kreatywną dziedziną nauki. Katalizatory w obecnych czasach przyjmują bardzo rozbudowany wymiar i nie są to tylko metale, tlenki czy proste sole nieorganiczne, ale również rozbudowane związki metaloorganiczne (związki organiczne, które zawierają minimum jedno wiązanie kowalencyjne pomiędzy atomem metalu i atomem węgla grupy organicznej) oraz wiele innych.
Przykładem katalizatora, opartego o związek metaloorganiczny, jest słynny katalizator Grubssa, za którego w Robert H. Grubbs, Richard R. Schrock i Yves Chauvin otrzymali nagrodę Nobla.
Katalizator ten służy do otrzymywania nowych pochodnych nienasyconych węglowodorów w wyniku reakcji metatezy krzyżowej olefin (reakcji podwójnej wymiany między alkenami, alkinami lub ich pochodnymi). Pełni on kluczową rolę w przemyśle: rafineryjnym, farmaceutycznym, polimerowym i lotniczym.
Co to jest katalizator i jakie są ich rodzaje?
Katalizator jest substancją, która ułatwia przeprowadzenie reakcji chemicznej. Łączy się z substratami i tworzy zmodyfikowany kompleks aktywny. Aby go utworzyć, potrzebna jest znacznie mniejsza energia, niż przy tworzeniu kompleksu aktywnego między samymi substratami. Zatem działanie katalizatora polega na obniżeniu energii aktywacjienergii aktywacji danej reakcji chemicznej, na skutek czego jest możliwe powstanie danego produktu. Wówczas reakcja przebiega szybciej.
Czasami działanie katalizatora skutkuje ciągiem kilku reakcji z jego udziałem, wtedy energia aktywacji ulega zmianie na dwie lub więcej mniejszych energii aktywacji.
Katalizator w trakcie reakcji chemicznej nie ulega zużyciu, bowiem po jej zakończeniu całkowicie się odtwarza, a jego ilość i postać jest taka sama na początku, jak i na końcu reakcji. Zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznej przez katalizator nazywa się katalizą.
Przeciwieństwem katalizatorów są inhibitory, stosuje się je do reakcji przebiegających zbyt gwałtownie, aby zwolnić ich przebieg i uzyskać nad nimi kontrolę. Wyróżniamy katalizatory/inhibitory homogenicznehomogeniczne, czyli będące w takiej samej fazie co substraty, oraz heterogeniczneheterogeniczne, które są w innej fazie niż substraty. Znanych jest kilka rodzajów katalizy, wyróżniamy:
katalizę homogeniczną (jednorodną, jednofazową), np.:
katalizę heterogeniczną (niejednorodną, wielofazową), np.:
biokatalizę (zachodzącą pod wpływem enzymów, witamin lub hormonów), np.:
autokatalizęautokatalizę (katalizowaną powstającym produktem), np.:
Katalizowane reakcje | Przykłady katalizatorów | Przykład reakcji |
---|---|---|
uwodornienie alkenów | metale, np.: , , (heterogeniczna) | |
synteza amoniaku | metale, np.: , , (heterogeniczna) | |
rozkład jodowodoru | metale, np.: , (heterogeniczna) | |
rozkład tlenku azotu() | metale, np.: , (heterogeniczna) | |
reakcja utleniania tlenku siarki() | tlenek (homogeniczna) , (heterogeniczna) | |
reakcja alkilowania Friedela‑Craftsa | chlorek glinu (heterogeniczna) | |
reakcja estryfikacji kwasu octowego z alkoholem etylowym | kwas lub (homogeniczna) | |
reakcja nitrowania związków aromatycznych | stężony kwas (homogeniczna) | |
reakcja halogenowania | halogenek żelaza() np.: , (heterogeniczna) |
Z życia codziennego nazwa „katalizator” kojarzyć Ci się może z motoryzacji. I jeśli takie skojarzenie nasunęło Ci się jako pierwsze, to bardzo słusznie!
Katalizator samochodowy (w żargonie motoryzacyjnym – reaktor katalityczny) to część układu wydechowego, znajdująca się we wszystkich współczesnych samochodach osobowych (i innych urządzeniach napędzanych silnikiem spalinowym). Spełnia ona funkcję systemu, który zmniejsza ilość szkodliwych składników spalin.
Działanie reaktora katalitycznego polega na pobudzaniu składników spalin do reakcji ze sobą poprzez substancje chemiczne (katalizatory) zawarte w reaktorach. Odpowiednio dobrane substancje chemiczne w postaci katalizatorów powodują powstawanie mniej szkodliwych spalin. Najczęściej wykorzystywanymi substancjami katalitycznymi w tym celu są metale szlachetne, takie jak rod, pallad czy platyna.
Słownik
substancja chemiczna, której dodatek do reakcji powoduje przyspieszenie, a po zakończeniu reakcji jest ona w całości odzyskiwana; wyróżniamy katalizatory homogeniczne, czyli będące w takiej samej fazie co substraty, oraz heterogeniczne, które są w innej fazie niż substraty
zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznej przez dodanie do układu reakcyjnego katalizatora, znajdującego się w innej fazie termodynamicznej niż co najmniej jeden substrat
zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznej przez powstający w trakcie reakcji produkt (pełniący funkcję katalizatora)
zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznej przez enzymy, witaminy oraz hormony pełniące funkcje katalizatora w reakcjach biochemicznych
substancja chemiczna, której dodatek do reakcji powoduje spowolnienie lub zatrzymanie, a po zakończeniu reakcji jest ona w całości odzyskiwana; wyróżniamy inhibitory homogeniczne, czyli będące w takiej samej fazie co substraty, oraz heterogeniczne, które są w innej fazie niż substraty
energia, która wynika z ruchów i oddziaływań cząsteczek oraz zawartych w nich elektronów i jąder
opis dokładnego przebiegu reakcji chemicznej, wskazujący na produkty pośrednie powstałe w trakcie reakcji
zderzenie z dostatecznie dużą energią, aby mógł powstać kompleks aktywny
najmniejsza ilość energii, jaką muszą pobrać cząsteczki substratów do utworzenia kompleksu aktywnego
takie ułożenie atomów/cząsteczek substratów, które pozwala na osiągnięcie maksymalnej energii
reakcja chemiczna, która przebiega z wydzieleniem energii z układu reakcyjnego do otoczenia
reakcja chemiczna, która przebiega z pochłanianiem energii z otoczenia do układu reakcyjnego
Bibliografia
Encyklopedia PWN
Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.
Bełtowska‑Brzezinska M., Podstawy kinetyki chemicznej - skrypt do wykładów, Poznań 2009.
Hejwowska S, Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.
Energia w reakcjach chemicznych, online: http://www.mlyniec.gda.pl/%7Echemia/ogolna/reakcje/reakcje_energia.html,dostęp: 15.06.2021.
Reaktor katalityczny, online: https://pl.wikipedia.org/wiki/Reaktor_katalityczny, dostęp: 15.06.2021.