Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций
DESCRIPTION
Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций. Принципиальная возможность химического превращения. Δ G < 0 (необходимо, но не достаточно) H + + OH - = H 2 O Δ Gº ~ -5 кДж / моль 2 NO + O 2 = 2NO 2 Δ Gº = -70 кДж / моль 2 H 2 + O 2 = 2H 2 O Δ Gº = -229 кДж / моль. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/1.jpg)
Лекция № 8
Кинетика и механизм химических реакций
![Page 2: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/2.jpg)
Принципиальная возможность химического превращения
ΔG < 0 (необходимо, но не достаточно)
H+ + OH- = H2O ΔGº ~ -5 кДж/моль
2NO + O2 = 2NO2 ΔGº = -70 кДж/моль
2H2 + O2 = 2H2O ΔGº = -229 кДж/моль
![Page 3: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/3.jpg)
Химическая кинетика изучает скорость и механизмы химических реакцийН.Н. Семенов – Н.М. Эммануэль – А.Л. БучаченкоРеакции в гомогенных и гетерогенных
системах
CO + ½ O2 = CO2
C6H6(ж) + 3H2 = C6H12(ж)
Fe → «FeO» → Fe3O4 → Fe2O3
![Page 4: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/4.jpg)
G лабильное состояние
самопроизвольно не самопроизв.
метастабильное равновесие равновесие
![Page 5: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/5.jpg)
сi В а) средняя скоростьс2 (8.1)
с1 А
сi В б) истинная скорость
(8.2)
размерностьА τ3 τi моль · л-¹ · с-¹
cv
ddcv
![Page 6: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/6.jpg)
1864 – 1867 гг. - К. Гульдберг, П. Вааге Закон действующих масс А + В = АВ
R
A +B
BARAB
BRB
ARA
CCP
CP
CP
BABAAB CCCCv
BA CCKv
![Page 7: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/7.jpg)
В гомогенной системе v = f (ci, T, катализатор)
В гетерогенной системе v = f (α, T, катализатор, поверхность раздела реагентов, предыстория)
![Page 8: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/8.jpg)
А = Х (8.3)
А + В = Х (8.4)
А + В + С = Х (8.5)
А + 2В = Х (8.6)
К - константа скорости: К = v при Сi = 1
mB
nA CCv
2BA
CBA
BA
A
CCkv
CCCkvCCkv
Ckv
![Page 9: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/9.jpg)
Реакция Ландольта
HIO3 + 3H2SO3 = HI + 3H2SO4 (A)
O 5HI + HIO3 = 3I2 + 3H2O (B)
I2 + H2SO3 + H2O = H2SO4 + 2HI (C)
Появление синей окраски крахмала после окисления H2SO3
v(C) > v(B)
![Page 10: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/10.jpg)
Для реакции
2Fe2+ + H2O2 = 2Fe3+ + 2OH- (8.7)
v = k · CFe2+ · CH2O2 (8.8)
так как
Fe2+ + H2O2 = Fe3+ + OH + OH- (медленно)
Fe2+ + OH = Fe3+ + OH- (быстро)
![Page 11: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/11.jpg)
Для aA + bB … = X (8.9) v = k · cx
A · cyB (8.10)
x + y – порядок реакции (8.9)
Для реакции (8.9) x + y = 2 CO + Cl2 = COCl2
v = k · CCO · C1.5Cl2
Порядок по СО = 1Порядок по Cl2 = 1.5
Суммарный порядок = 2.5
![Page 12: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/12.jpg)
Молекулярность – число молекул, участвующих в элементарном акте химического взаимодействия
Порядок – макрохарактеристика реакционной смесиМолекулярность – микрохарактеристика реакц. смеси
![Page 13: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/13.jpg)
H2S2O3 = H2O + SO2 + S первый порядок,
мономолекулярнаC12H22O11 + H2O = 2 C6H12O6
(сахароза) (фруктоза, глюкоза) первый порядок, бимолекулярна
2NO + O2 = 2NO2 маловероятна
2NO ↔ N2O2 v уменьшается
N2O2 + O2 ↔ N2O4 при нагреве
![Page 14: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/14.jpg)
BrO3- + 5Br- + 6H+ = 3Br2 + 3H2O
, т.е. n = 4
273К → 283КИзменение числа столкновений = = 02,1
273283
2
3
HBrBrOCCCkv
![Page 15: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/15.jpg)
Правило Вант – Гоффа
С. Аррениус (8.11)Модель «активных» столкновенийNi/N
T3 > T2 > T1
4210
T
T
vv
RTAKK o exp
EE1 E2 E3
T1 T2 T3
Ea
Распределение Максвелла - Больцмана
NEa / N = exp(-Ea/RT) (8.12)
![Page 16: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/16.jpg)
Из (8.11) и (8.12) A = Ea
RTEaKK o exp
RTEaKK o lnln
Kln
T1
![Page 17: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/17.jpg)
2H2O2 = 2H2O + O2 750 55(иод)
2SO2 + O2 = 2SO3 250 60(Pt)
2HJ = H2 + J2 200 60(Pt)
2NH3 = N2 + 3H2 326 167(Fe)
Ea, кДж/моль
![Page 18: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/18.jpg)
Ea
Ea’
ΔH
A+B
C+D
Ход реакции
Ea – энергия активациипрямой реакции
Ea’ – энергия активацииобратной реакции
A + B → C + D
![Page 19: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/19.jpg)
ΔGa = ΔHa – TΔSa (8.15)
Ea = f(τ)
RTHa
RSaK
RTGaKK
o
o
expexp
exp
(8.16)
![Page 20: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/20.jpg)
Ea < 0
для реакции
CH2=CH2 + Cl2 C2H4Cl2
Безактивационные, туннельные процессы(формальдегид в космосе)
Сверхпроводимость, сверхтекучесть.
![Page 21: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/21.jpg)
Цепные (самоподдерживающиеся) реакции
H2+Cl2 2HClh
1) инициирование Cl2 + h = •Cl + •Cl (фотохимическая реакция) радикал
(частица с неспаренным электроном)
2) развитие •Cl + H2 HCl + •H
•H+Cl2 HCl +•Cl
•Cl + H2 HCl + •H
![Page 22: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/22.jpg)
3) обрыв цепи •H+ •H H2
•Cl + •Cl Cl2
•H +•Cl HCl
•Cl + •Cl + M Cl2 + M
Квантовый выход от 1 до 107
![Page 23: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/23.jpg)
Областьвзрыва2H2 + O2 2H2O
440 480 520 oC
20
40
ммрт. ст
Н.Н. Семенов - кафедра химической кинетики
![Page 24: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/24.jpg)
Защита от коррозии Fe - (Ni + Cr)
NiCr2O4 вместо «FeO»
КатализAl + 3/2I2 = AlI3 (G = -305 кДж/моль)
Селективность, эффективность
![Page 25: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/25.jpg)
Гомогенный катализ
E
Ea’ Ea”
ход реакции
Ea
A + K = AK (Ea’)
AK + B = AB + K (Ea”)
интермедиат
![Page 26: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/26.jpg)
Гетерогенный катализ
E
Ea’ Ea”
ход реакции
Ea
Ea’”
1) адсорбция А и В на катализаторе2) “A” + “B” = “AB”3) десорбция “AB” = AB
![Page 27: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/27.jpg)
1) H2O2 H2O + 1/2O2
2) катализаторы разложения аммиака
3) конверсия метана
4) окисление SO2, NH3
каталитические преобразователи ДВСCH4, CO CO2, H2O
MnO2
k
z
Cr
Fe
NiCu
Mo
Ru
Rh Pd
W
Re
Os
Pt
![Page 28: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/28.jpg)
Автокатализ2MnO4
- + 5H2C2O4 +6H+ 2Mn2+ + 10CO2 + 8H2O
I MnO4- + 4Mn2+ + 8H+ 5Mn3+ + 4H2O
II H2C2O4 + 2Mn3+ 2CO2 + 2Mn2+ + H2O
V1 < V2
Ингибиторы - каталитические яды
![Page 29: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/29.jpg)
Ферментативный катализ
ферменты (энзимы) - белковые молекулы, катализирующие реакцию
1) размер 105 - 107 (молекулярная масса)
2) высокая специфичность
CO(NH2)2 + H2O CO2 + 2NH3
Катализатор - уреаза из соевых бобов
![Page 30: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/30.jpg)
YVES CHAUVIN Шовен
ROBERT H. GRUBBS Граббс
RICHARD R. SCHROCK Шрок
Affiliation: Massachusetts Institute of Technology
Affiliation: Institut Francais du Petrole Affiliation: California Institute of Technology
За развитие метода метатезиса в органическом синтезе, «способа, заставляющего группы атомов углерода меняться местами»
Нобелевская премия - катализ (2005 г)
![Page 31: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/31.jpg)
Реакции метатезиса
AB + CD → AC + BD
![Page 32: Лекция № 8 Кинетика и механизм химических реакций](https://reader035.vdocuments.pub/reader035/viewer/2022081505/568137df550346895d9f836d/html5/thumbnails/32.jpg)
1971 год – гипотеза механизма метатезиса олефинов.1980 год – индивидуальные металлоорганические соединения W, Ta, Mo и Nb - катализаторы метатезиса1992 год - «рутениевые катализаторы Граббса» (устойчивы на воздухе)
Катализаторы – карбеновые комплексы рутения
Ru
PCy3Cl
ClPCy3
PhRu
Cl
ClPCy3
NN
PhRu
Cl
Cl
NN
O
RuCl
ClO
PCy3