Szybkość reakcji i czynniki ją zmieniające – zadania maturalne z chemii

11
zadań: 26
poleceń: 13
poleceń otwartych z oceną: 1
lekcji interaktywnych

Szybkość reakcji chemicznych i równania kinetyczne

Magnez w kwasie solnym — Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂ — Magnez w kwasie solnym — *Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂*

### Czym jest szybkość reakcji? Szybkość reakcji chemicznej (v) to wielkość określająca, jak zmienia się stężenie substratu lub produktu w jednostce czasu. Dla reakcji A → B, szybkość możemy wyrazić jako v = -Δ[A]/(Δt) (znak minus ze względu na spadek stężenia substratu) lub v = Δ[B]/(Δt). Szybkość podajemy zazwyczaj w jednostkach mol/(dm³·s). ### Równanie kinetyczne i rząd reakcji Związek między szybkością reakcji a stężeniem substratów opisuje **równanie kinetyczne**. W ogólnej postaci dla reakcji aA + bB → produkty, ma ono postać: v = k[A]^x[B]^y Gdzie: * k to **stała szybkości** (zależna od temperatury i katalizatora, niezależna od stężenia), * x, y to **rzędy reakcji** (wyznaczane empirycznie). Suma rzędów (x + y) to całkowity rząd reakcji. Ważne: współczynniki stechiometryczne (a, b) pokrywają się z rzędami reakcji (x, y) tylko dla reakcji jednoetapowych (elementarnych). ### Przykład z obliczeniem Zbadano kinetykę reakcji: 2NO + O₂ → 2NO₂. Ustalono, że reakcja jest elementarna i zachodzi w jednym etapie. W reaktorze zamkniętym zmniejszono objętość mieszaniny gazowej dwukrotnie. Jak zmieniła się szybkość reakcji? **Rozwiązanie:** Ponieważ reakcja jest elementarna, rzędy reakcji są równe współczynnikom stechiometrycznym: v = k[NO]²[O₂] Dwukrotne zmniejszenie objętości powoduje dwukrotny wzrost stężeń obu gazów. Nowe stężenia to 2[NO] i 2[O₂]. Nowa szybkość: vnowe = k(2[NO])²(2[O₂]) = k · 4[NO]² · 2[O₂] = 8 · k[NO]²[O₂] **Odpowiedź:** Szybkość reakcji wzrośnie 8 razy. ### Czynniki wpływające na szybkość reakcji 1. **Stężenie:** wyższe stężenie zwiększa liczbę zderzeń między drobinami. 2. **Temperatura:** zgodnie z równaniem Arrheniusa, wzrost temperatury drastycznie zwiększa stałą k. Wyższa temperatura sprawia, że drobiny mają wyższą energię kinetyczną, przez co więcej z nich przekracza **energię aktywacji (Ea)**. 3. **Stopień rozdrobnienia (powierzchnia styku):** w układach heterogenicznych rozdrobnienie substratu stałego pozwala na więcej skutecznych zderzeń na granicy faz. 4. **Katalizator:** substancja, która zwiększa szybkość reakcji poprzez obniżenie bariery energii aktywacji (Ea). Katalizator tworzy alternatywny, szybszy mechanizm (ścieżkę), ale sam ostatecznie się nie zużywa. Nie wpływa na wydajność i entalpię reakcji (stan równowagi osiągany jest szybciej).

Zapamiętaj

Równanie kinetyczne i rząd reakcji wyznacza się z danych doświadczalnych.
Stała szybkości k ulega zmianie tylko wraz ze zmianą temperatury lub użyciem katalizatora.
Katalizator obniża energię aktywacji, wprowadzając nowy mechanizm, ale nie przesuwa stanu równowagi i nie zmienia efektu cieplnego.
Szybkość reakcji heterogenicznej zależy od powierzchni styku (np. sproszkowany metal reaguje szybciej niż ten w bloku).

Typowe błędy

Zapisywanie równania kinetycznego poprzez mechaniczne przepisywanie współczynników stechiometrycznych jako potęg (co sprawdza się tylko dla reakcji elementarnych).
Stwierdzenie, że katalizator dostarcza energię do układu (nie dostarcza, lecz tworzy nową drogę o niższym zapotrzebowaniu na energię).
Myślenie, że szybkość reakcji w miarę jej trwania wzrasta (w rzeczywistości maleje, ponieważ maleją stężenia substratów).

Wymagania podstawy programowej

V.1.1 Definiuje szybkość reakcji; zapisuje równanie kinetyczne i oblicza zmianę szybkości po zmianie stężeń.
V.1.2 Wyjaśnia wpływ temperatury, stężenia, rozdrobnienia i katalizatora na szybkość reakcji; projektuje doświadczenie to ilustrujące.

Przykładowe zadania

Zadanie 1

Na zajęciach laboratoryjnych uczniowie badali wpływ różnych czynników na szybkość reakcji tiosiarczanu sodu z kwasem solnym. Reakcja ta przebiega z wydzieleniem siarki, co objawia się mętnieniem roztworu. Uczniowie mierzyli czas od zmieszania reagentów do momentu, w którym narysowany na kartce pod zlewką znak "X" przestał być widoczny.

1.1 Napisz w formie jonowej skróconej równanie reakcji zachodzącej podczas tego doświadczenia. (1 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: S₂O₃²⁻ + 2H⁺ → S↓ + SO₂↑ + H₂O
Jony tiosiarczanowe S₂O₃²⁻ w środowisku kwasowym (H⁺) dysproporcjonują do wolnej siarki (S) oraz tlenku siarki(IV) (SO₂).
1.2 Zaprojektuj doświadczenie, które pozwoli uczniom zbadać wpływ stężenia tiosiarczanu sodu na szybkość tej reakcji. Określ, jaka wielkość musi zostać zmieniona, a jakie parametry należy utrzymać na stałym poziomie. (2 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: Należy przygotować serię doświadczeń, w których użyje się różnych objętości roztworu tiosiarczanu sodu uzupełnionych wodą destylowaną do stałej objętości (co zmieni jego stężenie początkowe). Stałe parametry, które należy zachować, to: temperatura roztworów, stężenie i objętość dodawanego kwasu solnego (HCl) oraz całkowita objętość mieszaniny reakcyjnej.
Aby zbadać wpływ stężenia jednego z substratów, należy zmieniać jego stężenie, zachowując stałe stężenie drugiego substratu oraz stałą temperaturę i całkowitą objętość mieszaniny.
1.3 Wzrost temperatury podczas reakcji tiosiarczanu sodu z kwasem solnym powoduje skrócenie czasu trwania reakcji. Wskaż główne mikroskopowe uzasadnienie tego faktu. (1 pkt)
- A. Wzrost temperatury zmniejsza energię aktywacji reakcji.
- B. Wzrost temperatury przesuwa równowagę w stronę produktów.
- C. Rośnie odsetek zderzeń między cząsteczkami o energii równej lub większej od energii aktywacji.
- D. Maleje entalpia tworzenia produktów w podwyższonej temperaturze.
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: C. Rośnie odsetek zderzeń między cząsteczkami o energii równej lub większej od energii aktywacji.
Zgodnie z teorią zderzeń, wyższa temperatura zwiększa energię kinetyczną cząsteczek, przez co większy ich odsetek przekracza barierę energii aktywacji.

Zadanie 2

Badano kinetykę reakcji tlenku azotu(II) z chlorem, przebiegającej zgodnie z równaniem: 2NO(g) + Cl₂(g) → 2NOCl(g) Przeprowadzono trzy doświadczenia w stałej temperaturze i zmierzono początkową szybkość reakcji w zależności od początkowych stężeń substratów. Wyniki zebrano w tabeli: | Numer | [NO]₀, mol/dm³ | [Cl₂]₀, mol/dm³ | v₀, mol/(dm³·s) | |---|---|---|---| | 1 | 0,10 | 0,10 | 1,2·10⁻⁴ | | 2 | 0,20 | 0,10 | 4,8·10⁻⁴ | | 3 | 0,10 | 0,20 | 2,4·10⁻⁴ |

2.1 Wyznacz rząd reakcji względem tlenku azotu(II) oraz względem chloru. Napisz równanie kinetyczne tej reakcji. (2 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: Rząd reakcji względem NO: 2. Rząd reakcji względem Cl₂: 1. Równanie kinetyczne: v = k·[NO]²·[Cl₂]
Z doświadczeń 1 i 2 wynika, że dwukrotny wzrost stężenia NO przy stałym stężeniu Cl₂ powoduje czterokrotny wzrost szybkości (rzad 2). Z dośw. 1 i 3: dwukrotny wzrost stężenia Cl₂ powoduje dwukrotny wzrost szybkości (rząd 1).
2.2 Oblicz wartość stałej szybkości k w badanej temperaturze i podaj jej jednostkę. (2 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: k = v / ([NO]²·[Cl₂]) = 1,2·10⁻⁴ / ((0,1)²·0,1) = 1,2·10⁻⁴ / 10⁻³ = 0,12 dm⁶·mol⁻²·s⁻¹
Po podstawieniu danych z doświadczenia 1 do równania v = k[NO]²[Cl₂] otrzymujemy: 1,2·10⁻⁴ = k·(0,1)²·0,1.
2.3 Oceń prawdziwość podanych zdań. (1 pkt)
- 1. Wartość stałej szybkości tej reakcji zmieni się, jeśli zwiększymy dwukrotnie stężenie tlenku azotu(II). (P/F)
- 2. Całkowity rząd tej reakcji wynosi 3. (P/F)
- 3. Równanie kinetyczne każdej reakcji można wyprowadzić bezpośrednio na podstawie równania stechiometrycznego. (P/F)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: 1 – F, 2 – P, 3 – F
Stała szybkości k zależy wyłącznie od temperatury i rodzaju substratów, nie zależy od stężeń. Rząd reakcji ustala się doświadczalnie, nie zawsze pokrywa się on ze współczynnikami.

Ćwicz ten dział z oceną – Premium Załóż darmowe konto

Inne tematy z tego działu

Termochemia i entalpia reakcji