Középszint

Felidéző gyakorlás

Azonos tömegű cinkpor és cinkdarab ugyanazzal a sósavoldattal reagál. Melyik esetben vársz nagyobb kezdeti reakciósebességet?

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ

Mit nevezünk reakciósebességnek?

Egy reakció gyorsaságát a reagensek fogyásának vagy a termékek keletkezésének időbeli üteme mutatja. Rozsdásodáskor a változás lassú, égéskor gyors. Oldatreakcióban a koncentráció időbeli változásával, gázfejlődésnél a keletkezett gáz térfogatának időbeli változásával is követhetjük a folyamatot. A vizsgán gyakran grafikonból, buborékképződésből, színváltozásból vagy a reakció végéig eltelt időből kell következtetni.

Az átlagsebesség egy megadott időszakaszhoz tartozik. Ha a koncentráció–idő görbe meredekségének abszolút értéke csökken, a folyamat lassul; ha egy reakció korábban éri el ugyanazt a végső gázmennyiséget, az a megfigyelés gyorsabb lefolyásra utalhat. A végső termékmennyiség és az odáig vezető sebesség két külön adat.

Átlagos koncentrációváltozási sebesség

reagensre: vátl = −Δc/Δt
termékre: vátl = +Δc/Δt

A mínuszjel a fogyó reagensnél pozitív sebességértéket ad. Különböző komponensek sebességének összehasonlításakor a sztöchiometriai együtthatót is figyelembe kell venni.

Kidolgozott példa: átlagos reakciósebesség
  1. Feladat: Egy reagens koncentrációja 10,0 s alatt 0,80-ról 0,50 moldm3-re csökken. Mennyi a fogyásának átlagos sebessége?
  2. A koncentrációváltozás 0,50 − 0,80 = −0,30 moldm3. Az időváltozás +10,0 s.
  3. A reagens fogyására v = −Δc/Δt = −(−0,30)10,0 = 0,030 mol(dm3·s). Az előjel azért pozitív, mert a fogyás nagyságát adjuk meg.

Miért függ a sebesség a körülményektől?

Részecskemodellben a reakcióhoz a megfelelő részecskéknek találkozniuk kell, de nem minden ütközés hatásos. A részecskéknek elegendő energiával és megfelelő térbeli elrendezésben kell ütközniük. Az aktiválási energia a reakcióúton leküzdendő energiagáthoz kapcsolódik.

Nagyobb koncentrációjú homogén elegyben adott térfogatban több reagensrészecske van, így általában több lehetséges ütközés történik időegység alatt. Magasabb hőmérsékleten nem pusztán „gyorsabban mozognak” a részecskék: a kellően nagy energiájú ütközések aránya is nő, ezért sok reakció jelentősen gyorsul.

Az ütközési energiák és a hőmérséklet szemléltető modellje

Az ütközési energiák és a hőmérséklet szemléltető modelljeMinden pont egy megvizsgált ütközést jelöl, nem atomot vagy molekulát. Mindkét hőmérsékleten 100 ütközést nézünk; az energiaszempontból megfelelő ütközések narancsszínűek. Magasabb hőmérsékleten a kellően nagy energiájú ütközések részaránya nagyobb lehet. Az 5 és 25 kizárólag kitalált szemléltető szám, nem egy adott anyag mért adata és nem általános sebességi arány. Az elegendő energia önmagában nem biztosít reakciót: megfelelő térbeli elrendezés is kell. A modellben a melegítéskor az energiagát változatlan; a katalizátor ehelyett másik, kisebb energiagátú utat kínál.Nem minden ütközés energiájaelegendő a reakcióhozAlacsonyabb T: 100 ütközés5 ütközés energiája éri el a gátat.Magasabb T: 100 ütközés25 ütközés energiája éri el a gátat.Narancsszín: elegendő energiaA megfelelő térállás is szükséges!
Ábra szöveges leírása
LépésMagyarázat
Alacsonyabb hőmérsékletA példában 5 energiaszempontból megfelelő ütközés 100 közül
Magasabb hőmérsékletA példában 25 energiaszempontból megfelelő ütközés 100 közül
Mit hasonlítunk?Az elegendő energiájú ütközések arányát, nem a 100 ütközéshez szükséges időt
Minden pont egy megvizsgált ütközést jelöl, nem atomot vagy molekulát. Mindkét hőmérsékleten 100 ütközést nézünk; az energiaszempontból megfelelő ütközések narancsszínűek. Magasabb hőmérsékleten a kellően nagy energiájú ütközések részaránya nagyobb lehet. Az 5 és 25 kizárólag kitalált szemléltető szám, nem egy adott anyag mért adata és nem általános sebességi arány. Az elegendő energia önmagában nem biztosít reakciót: megfelelő térbeli elrendezés is kell. A modellben a melegítéskor az energiagát változatlan; a katalizátor ehelyett másik, kisebb energiagátú utat kínál.

A sebességet befolyásoló tényezők kísérletben

  • Koncentráció: homogén reakcióban az egyik reagens koncentrációját változtatva, a többi feltételt azonosan tartva vizsgálhatod a hatást.
  • Hőmérséklet: két azonos összetételű rendszert különböző hőmérsékleten hasonlíts össze. A magasabb hőmérséklet általában gyorsít.
  • Felület: szilárd reagens porítása megnöveli a hozzáférhető érintkezési felületet. Ez heterogén reakciónál fontos.
  • Katalizátor: azonos körülmények között a katalizált rendszer gyorsabban haladhat, miközben a katalizátor a teljes folyamat végén visszanyerhető.

Egy összehasonlítás akkor értelmezhető, ha egyszerre csak egy vizsgált változót módosítasz. Például por és darab összevetésénél a cink tömege, a sav koncentrációja, térfogata és a hőmérséklet legyen azonos.

Katalízis és energiadiagram

A katalizátor alternatív reakcióutat tesz lehetővé kisebb aktiválási energiával. A katalizátor a folyamat részlépéseiben részt vehet, de a teljes reakció végén visszanyerhető. Nem szolgáltat „plusz energiát” a terméknek, és nem változtatja meg a reagensek és termékek közötti reakcióhőt.

Az energiadiagramon a kezdeti és végső energiaszint katalizátorral és nélküle ugyanaz; a szemléltető, egycsúcsú ábrán a katalizált út csúcsa alacsonyabb; valódi, többlépéses mechanizmusnak több átmeneti állapota is lehet. Ha a reakció megfordítható, a katalizátor mindkét irányt gyorsítja, és az egyensúly hamarabb áll be, de az egyensúlyi összetétel nem változik.

A katalizátor hatása a reakció energiaprofiljára

A katalizátor hatása a reakció energiaprofiljáraKét sima, egy csúcsú görbe azonos kezdő- és végszinttel. A katalizált görbe gátja kisebb; a két E_{a} értéket külön függőleges nyíl, a közös reakcióentalpiát egy harmadik nyíl jelöli. Az energiaszintek szemléltetők.entalpia, HreakciókoordinátaΔrH < 0Ea, kat.Ea, kat. nélkülkiindulástermékekkatalizátor nélkülkatalizátorral
A katalizált és a nem katalizált út azonos kiindulási és termékentalpiából indul, illetve oda érkezik. A katalizált út aktiválási energiája kisebb; ΔrH mindkét esetben azonos. A profil egy szemléltető, egy lépéses reakció modellje.

A katalizátor és a reakcióhő

ΔrH = Etermékek − Ereagensek
Ea,katalizált < Ea,nem katalizált

A két reakcióút kezdő- és végállapota azonos, ezért ΔrH változatlan.

Kidolgozott példa: reakcióhő és katalizátor
  1. Feladat: Egy energiaábrán a kiindulási anyagok szintje 80 kJmol, a termékeké 20 kJmol, a katalizátor nélküli csúcsé 140 kJmol. Mennyi a reakcióhő és az előre irányú aktiválási energia?
  2. A reakcióhő a vég- és kezdőszint különbsége: 20 − 80 = −60 kJmol; a reakció exoterm.
  3. Az aktiválási energia 140 − 80 = 60 kJmol. A katalizátor ezt a gátat csökkenti, de a −60 kJmol reakcióhőt nem módosítja.

Görbék és mérési adatok értelmezése

Gázfejlődésnél a gáz térfogata rendszerint nő, majd a reakció végén platót ér el. A meredekebb kezdő szakasz nagyobb kezdeti gázképződési ütemet jelent. Ha a két kísérletben azonos mennyiségű, teljesen elfogyó reagens van, a végső gáztérfogat azonos lehet akkor is, ha a porral végzett kísérlet sokkal gyorsabb.

Időadatot csak azonos elérendő állapot mellett hasonlíts össze. Például „mennyi idő kell 0,040 dm3 gázhoz?” jó sebességi összehasonlítás, ha a többi feltétel azonos; a teljes reakcióidő eltérhet, ha eltér a rendelkezésre álló anyagmennyiség.

Két reakció gáztérfogat–idő grafikonja

Két reakció gáztérfogat–idő grafikonjaSzemléltető adatok azonos mennyiségű CaCO_{3} és elegendő sósav reakciójához: A nagyobb darabokkal, B finom porral történik. A gáz térfogatát azonos hőmérsékleten és nyomáson hasonlítjuk össze. A porhoz tartozó narancsszínű görbe kezdetben meredekebb, tehát gyorsabb a gázképződés. A végső térfogat mindkettőnél 0,100 dm^{3}: a porítás a sebességet változtatta meg, nem a rendelkezésre álló reagens anyagmennyiségét. A pontokat egyenes szakaszok kötik össze; ez nem feltételez állandó pillanatnyi sebességet két mérés között. Az egybeeső pontok fedik egymást.Gyorsabb reakció, ugyanannyi gázA: darabB: porV(CO2) / dm300,0200,0400,0600,0800,1000306090120A és B végül: 0,100 dm3t / s30 s: A = 0,060; B = 0,090 dm3
Adattáblázat megtekintése
IdősA: darab, Vdm3B: por, Vdm3
000
150,0350,060
300,0600,090
600,0870,100
900,0980,100
1200,1000,100
Szemléltető adatok azonos mennyiségű CaCO3 és elegendő sósav reakciójához: A nagyobb darabokkal, B finom porral történik. A gáz térfogatát azonos hőmérsékleten és nyomáson hasonlítjuk össze. A porhoz tartozó narancsszínű görbe kezdetben meredekebb, tehát gyorsabb a gázképződés. A végső térfogat mindkettőnél 0,100 dm3: a porítás a sebességet változtatta meg, nem a rendelkezésre álló reagens anyagmennyiségét. A pontokat egyenes szakaszok kötik össze; ez nem feltételez állandó pillanatnyi sebességet két mérés között. Az egybeeső pontok fedik egymást.
Kidolgozott példa: a grafikon első 30 másodperce

Feladat: A diagramon A esetén 30 s alatt 0,060 dm3, B esetén 0,090 dm3 CO2 keletkezik.
Hasonlítsd össze az átlagos gázképződési ütemeket!

A üteme ΔV/Δt = 0,06030 = 0,0020 dm3s;
B üteme 0,09030 = 0,0030 dm3s.
B átlagos üteme az első 30 s-ban 0,00300,0020 = 1,5-szeres.

Ez a 0–30 s-os időszakasz átlaga.
Nem állítja, hogy a pillanatnyi sebesség minden pillanatban 1,5-szeres.
A pontok közötti és a kezdeti meredekség más-más sebességi információt ad.

A végső gáztérfogat mindkét esetben 0,100 dm3.
Az összevetéshez a gáz hőmérséklete és nyomása azonos;
eltérő gáztérfogat különben pusztán eltérő mérési körülményekből is adódhat.

Felidéző gyakorlás

Katalizátor hozzáadása után melyik mennyiség marad változatlan azonos kiindulási és végállapot esetén?

Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.

Válassz egy választ

Középszinten ezt gyakorold

  • Rendezd a reakciókat sebességük szerint, és kapcsolj hozzá megfigyelhető változást.
  • Elemezz egyszerű kísérletet úgy, hogy a változtatott és a rögzített körülményeket megnevezed.
  • Magyarázd a koncentráció és hőmérséklet hatását az ütközések segítségével.
  • Rajzolj energiadiagramot katalizátorral és nélküle, azonos kezdő és végső energiaszinttel.
Középszintű érettségi követelmények

Az Oktatási Hivatal részletes kémiaérettségi-követelményei

1.5.2 Reakciókinetika

A reakciók sebesség szerinti csoportosítása; homogén reakcióknál a koncentráció, általában a hőmérséklet hatása; egyszerű sebességi és katalíziskísérletek értelmezése; a katalizátor fogalma, hatása és a katalizált, illetve nem katalizált út energiadiagramja.

Önellenőrzés

  • Egy kísérletből megnevezem az egyetlen változtatott tényezőt és a mért sebességi jelet.
  • A nagyobb koncentráció és hőmérséklet hatását pontos, részecskeszintű okkal indoklom.
  • A katalizált energiadiagramon ugyanott jelölöm a kezdő és végső állapotot.
  • Emelt szinten a megadott sebességi egyenlet kitevőivel számolok; nem a sztöchiometriai együtthatókkal.
Középszintű érettségi mintafeladat · 10 pont

Két kísérletben azonos tömegű és tisztaságú CaCO3 reagál azonos térfogatú, azonos koncentrációjú sósavval ugyanazon a hőmérsékleten.
Az A kísérletben nagy darabok, a B kísérletben finom por szerepel.
A sav mindkét esetben elegendő a teljes reakcióhoz.
Az A kísérletben 30 s alatt 0,060 dm3, a B kísérletben ugyanennyi idő alatt 0,090 dm3 CO2 keletkezik.

  1. Melyik kísérlet gyorsabb a megadott időszakban, és mi a részecskeszintű oka? (3 pont)
  2. Mekkora az A kísérlet átlagos gázképződési üteme az első 30 s-ban? (2 pont)
  3. Azonos lesz-e a reakció végén a keletkezett CO2 anyagmennyisége?
    Indokold. (2 pont)
  4. Rajzold le vagy írd körül a katalizált és nem katalizált reakció energiadiagramjának két alapvető különbségét, illetve azonosságát. (3 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
  1. Melyik kísérlet gyorsabb a megadott időszakban, és mi a részecskeszintű oka? (3 pont)A B kísérlet gyorsabb a 30 s-os szakaszban (1 pont);
    a por nagyobb hozzáférhető felületet ad (1 pont), így több megfelelő felületi ütközés történhet időegység alatt (1 pont).
  2. Mekkora az A kísérlet átlagos gázképződési üteme az első 30 s-ban? (2 pont)Az átlagos ütem ΔV/Δt (1 pont) = 0,060 dm330 s = 0,0020 dm3s (1 pont).
  3. Azonos lesz-e a reakció végén a keletkezett CO2 anyagmennyisége? Indokold. (2 pont)Igen, a végső CO2-anyagmennyiség azonos (1 pont), mert a CaCO3 azonos mennyiségű, és a sav mindkét esetben elegendő a teljes reakcióhoz (1 pont).
  4. Rajzold le vagy írd körül a katalizált és nem katalizált reakció energiadiagramjának két alapvető különbségét, illetve azonosságát. (3 pont)A katalizált út alacsonyabb aktiválási energiájú csúcsot mutat (1 pont);
    a kezdő és végső energiaszint mindkét úton azonos (1 pont), így a reakcióhő is azonos (1 pont).

Összesen: 10 pont. Rajz és szöveges leírás egyaránt elfogadható, ha a három energiaviszony egyértelmű.