chemia fizyczna - wyk ad 4bioproc:wyklad4.pdfchemia fizyczna - wykład 4 anna ptaszek podstawy...
Post on 28-Feb-2019
216 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
Wykład 4
Chemia fizyczna - wykład 4
Anna Ptaszek
Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego
27 października 2015
1 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
Podstawy kinetyki chemicznej
pochodna funkcji i jej interpretacja,
pojęcie szybkości i prędkości,
stechiometria reakcji,
równanie szybkości reakcji,
cząsteczkowość reakcji,
rzędowość reakcji,
energia aktywacji,
reakcje następcze i równoległe.
2 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
pochodna funkcji i jej interpretacja
-1500
-1000
-500
0
500
1000
1500
-100 -50 0 50 100
y
x
0.001*x**3+0.2*x
0
5
10
15
20
25
30
35
-100 -50 0 50 100
y
x
0.003*x**2+0.2
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
-100 -50 0 50 100
y
x
0.006*x
funkcja wyj ciowa
punkt przegi cia
I pochodna
zeruje si
II pochodna
zeruje si
0.00594
0.00596
0.00598
0.006
0.00602
0.00604
0.00606
-100 -50 0 50 100
y
x
0.006
III pochodna
3 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
pochodna funkcji i jej interpretacja
0
5
10
15
20
25
30
35
-100 -50 0 50 100
y
x
0.003*x**2+0.2
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
-100 -50 0 50 100
y
x
0.006*x
I pochodna
4 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość a prędkość
szybkość, r
określa zmianę pewnej wielkości (np. droga, objętość, stężenie)w czasie
r =d
dt
prędkość, v
określa zmianę drogi jaką przebywa ciało w czasie
v =ds
dt
5 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
szybkość reakcji, r
określa zmianę stężenia reagenta w czasie
r =dS
dt
jednostka: [mol
dm3 · s
]
reagenty
to substancje biorące czynny udział w reakcji:substraty i produkty
6 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
αA+ βB −→ γC + δD
αA −→ γC
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100
ste
ze
nie
, m
ol/cm
3
czas, s
substratu A ubywa
CA0
produktu C przybywa
7 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
αA+ βB −→ γC + δD
A0
produktów C i D przybywa
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100
steze
nie
, m
ol/c
m3
czas, s
SB0 substratów A i B ubywa
S
8 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
Jeżeli stężenie substratu maleje w czasie (jest zużywany) to:
dSAdt
< 0
Zatem szybkość zużywania substratu można zapisać jako:
rA = −dSAdt
Jeżeli stężenie produktu rośnie w czasie (powstaje) to:
dSDdt
> 0
Natomiast szybkość powstawania produktu:
rD =dSDdt
9 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
αA+ βB −→ γC + δD
SA0
produktu C przybywa
0
1
2
3
4
5
0 20 40 60 80 100
ste
zenie
, m
ol/cm
3
czas, s
substratu A ubywa
dSC/dt>0
dSA/dt<0
A/dt<0
A/dt<0
dSC/dt>0
dS
dS
10 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
-0.005
-0.004
-0.003
-0.002
-0.001
0
0.001
0.002
0 1 2 3 4 5
szybkosc z
mia
ny s
tezenia
reagento
w
stezenie reagenta
11 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
Ponadto znajomość współczynników stechiometrycznych:
αA+ βB −→ γC + δD
upoważnia do zapisu:
|rA|α
=|rB |β
=rCγ
=rDδ
12 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
Przykład: CH4 + H2O −→ CO + 3H2
szybkość zużywania wody:
rH2O = −dSH2O
dt
szybkość powstawania H2:
rH2 =dSH2
dt
ponieważ współczynnik stechiometryczny wody α = 1 i wodoruδ = 3 to:
|rH2O |1
=rH2
3
13 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
Przykład: CH4 + H2O −→ CO + 3H2
3 · |rH2O | = rH2
z tego wynika, że szybkość zużywania wody jest trzy razymniejsza niż szybkość tworzenia wodoru.
|rH2O | = rCO
natomiast szybkość zużywania wody jest jest równa szybkościtworzenia tlenku węgla.
14 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
szybkość reakcji można wyrazić za pomocą stężeń reagentów:
r = k · (SA)a · (SB)b · (SC )c · (SD)d
aby zaszła reakcja musi dojść do efektywnego zderzeniacząsteczek substratów.
-0.005
-0.004
-0.003
-0.002
-0.001
0
0.001
0.002
0 1 2 3 4 5
szybkosc z
mia
ny s
tezenia
reagento
w
stezenie reagenta
15 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
rząd reakcji
r = k · (SA)a · (SB)b · (SC )c · (SD)d
rząd reakcji (względem reagenta)określają współczynniki a, b, c i dz równania szybkości reakcji,
stała szybkości reakcji
to współczynnik proporcjonalności k z równania na szybkośćreakcji
16 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
Przykład: CH4 + H2O −→ CO + 3H2
jeżeli szybkość zużywania wody zależy tylko od stężenia wody(jest jej w nadmiarze):
rH2O = −dSH2O
dt= k · SH2O
jeżeli szybkość zużywania wody zależy od stężenia wody imetanu:
rH2O = −dSH2O
dt= k · SH2O · SCH4
17 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
Przykład: CH4 + H2O −→ CO + 3H2
jeżeli szybkość powstawania CO zależy tylko od stężenia wody(jest jej w nadmiarze):
rCO =dSCOdt
= |rH2O | = k · SH2O
jeżeli szybkość powstawania CO zależy od stężenia wody imetanu:
rCO =dSCOdt
= |rH2O | = k · SH2O · SCH4
18 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
Przykład: CH4 + H2O −→ CO + 3H2
jeżeli szybkość powstawania H2 zależy tylko od stężenia wody(jest jej w nadmiarze):
rH2 = 3 · |rH2O | = 3 · k · SH2O
jeżeli szybkość powstawania H2 zależy od stężenia wody imetanu:
rH2 = 3 · |rH2O | = 3 · k · SH2O · SCH4
19 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
rząd reakcji
r = k · (SA)a · (SB)b · (SC )c · (SD)d
Przykład: CH4 + H2O −→ CO + 3H2
rząd reakcji (względem reagenta) określają współczynniki a, b,c i d z równania szybkości reakcji:
r = rH2 = 3 · |rH2O | = 3 · k · SH2O
jest to reakcja I-rzędowa względem wody (b=1)
20 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
rząd reakcji
r = k · (SA)a · (SB)b · (SC )c · (SD)d
Przykład: CH4 + H2O −→ CO + 3H2
rząd reakcji (względem reagenta) określają współczynniki a, b,c i d z równania szybkości reakcji:
r = rCO = |rH2O | = k · SH2O · SCH4
jest to reakcja I-rzędowa względem wody (b=1) i I-rzędowawzględem metanu (a=1)
21 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
reakcja odwracalna:
αA+ βB ⇔ γC + δD
rA = −dSAdt
= k1 · SaA · Sb
B − k2 · ScC · Sd
D
22 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
reakcje równoległe:
α1A −→ βB
α2A −→ γC
rA = −dSAdt
= k1 · SaA + k2 · Sb
A
rB =dSBdt
= k1 · SaA
rC =dSCdt
= k2 · SaA
23 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
SA
SB
SC
czas rakcji
ste
zen
ie r
ea
ge
nta
24 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
reakcje następcze:
α1A −→ βB −→ γC
rA = −dSAdt
= k1 · SaA
w przypadku reakcji I-rzędowych względem reagentów:
rA = −dSAdt
= k1 · SA
rB =dSBdt
= k1 · SA − k2 · SB
rC =dSCdt
= k2 · SB
25 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
szybkość reakcji
SA
SB
SC
czas rakcji
ste
zen
ie r
ea
ge
nta
t max
26 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
energia aktywacji
en
erg
ia
droga reakcji egzotermicznej
dolina substratów
dolina produktów
A B
A B
C D
E1
E2
27 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
energia aktywacji
en
erg
ia
droga reakcji endotermicznej
dolina substratów
dolina produktów
A B
A B
C D E1
E2
28 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
energia aktywacji
Wartość stałej szybkości reakcji k nie zależy od stężeniareagentów ale od temperatury. Stała szybkości k opisujeczęstość zderzeń aktywnych (efektywnych) pomiędzycząsteczkami.Ilościowo zależność stałej szybkości od temperatury ujmujerównanie Arrheniusa:
k = ko · exp(−ERT
)E - energia aktywacji J
mol ,ko - współczynnik częstości zderzeń.
29 / 31
Chemiafizyczna -wykład 4
Anna Ptaszek
energia aktywacji
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
290 295 300 305 310 315
k s
tala
szyb
ko
sci
T, K
30 / 31
top related