Reakční kinetika

= Studijní obor, který zkoumá rychlost chemických reakcí a faktory, které tuto rychlost ovlivňují

Chemická reakce = děj, kdy se reaktanty mění v produkty

V reaktantech dochází k zániku chemických vazeb a v produktech dochází ke vzniku chemických vazeb nových

To, jak k přeměně dochází, řeší teorie reakční kinetiky – popisují přeměnu reaktantů na produkty

Teorie reakční kinetiky

1. Teorie srážková:

   K reakci dojde pouze v případě tzv. účinné srážky

   Podmínky účinné srážky:

   1. Prostorová orientace

   2. Dostatečná energie (na zánik chemických vazeb v reaktantech):

      Aktivační energie = minimální energie potřebná k chemické reakci – značka: $E_A$

      V grafu představuje aktivační energie rozdíl mezi počáteční hodnotou energie a maximem energie

      Růst energie na začátku znamená zánik vazeb, následný pokles znamená vznik vazeb nových

   Srážková teorie vysvětluje, proč s rostoucí teplotou roste i reakční rychlost

2. Teorie aktivovaného komplexu:

   Při chemické reakci částice prochází stavem aktivovaného komplexu = zároveň dochází k zániku chemických vazeb v reaktantech a vzniku vazeb v produktech

   V energetickém maximu během reakce je částice v aktivovaném komplexu, část aktivační energie se "bere" z energie uvolněné při vzniku vazeb $\to$ aktivační energie je menší, než energie potřebná pro zánik vazeb

Reakční rychlost

Vyjádření

1. "Fyzikální" vyjádření:

   $$aA + bB \leftrightarrows cC + dD \\[1em] v = \frac{-\Delta[A]}{a \cdot \Delta t} = \frac{-\Delta[B]}{b \cdot \Delta t} = \frac{\Delta[C]}{c \cdot \Delta t} = \frac{\Delta[D]}{d \cdot \Delta t} \\[1em] \Delta[A] = [A]_2 - [A]_1 < 0 \\[0.5em] \Delta[C] = [C]_2 - [C]_1 > 0$$

   $A$ ... nějaká látka

   $[A]$ ... molární koncentrace dané látky – jednotka je $\text{mol} \cdot \text{dm}^{-3}$

   Reakční rychlost = časový úbytek reaktantů / časový přírůstek produktů dělený příslušným stechiometrickým koeficientem

2. Kinetická rovnice:

   Autoři: Guldberg, Waage

   Reakční rychlost je přímo úměrná součinu okamžitých koncentrací reaktantů umocněných na příslušné stechiometrické koeficienty

   $$v = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b$$

   $k$ ... rychlostní konstanta – je tabelována pro konkrétní chemické reakce, její hodnota závisí na $t$ (teplotě)

   Př.:

   $$3 \space \text{KCN} + \text{H}_3\text{PO}_4 \leftrightarrows \text{K}_3\text{PO}_4 + 3 \space \text{HCN}$$

   1. Zapište kinetickou rovnici pro reakci přímou:

      $$v_1 = k_1 \cdot [\text{KCN}]^3 \cdot [\text{H}_3\text{PO}_4]^1$$

   2. Zapište kinetickou rovnici pro reakci zpětnou:

      $$v_2 = k_2 \cdot [\text{K}_3\text{PO}_4]^1 \cdot [\text{HCN}]^3$$

   3. Vypočítejte, jak se změní $v$, pokud koncentraci $\text{KCN}$ zvýšíme 2krát:

      $$\begin{align*} v_3 &= k_1 \cdot (2 \cdot [\text{KCN}])^3 \cdot [\text{H}_3\text{PO}_4]^1 \\ v_3 &= k_1 \cdot 8 \cdot [\text{KCN}]^3 \cdot [\text{H}_3\text{PO}_4]^1 \\ v_3 &= 8 \cdot v_1 \end{align*}$$

Faktory ovlivňující rychlost chemické reakce

1. Koncentrace reaktantů:

   S rostoucí koncentrací roste i $v$

   $$\begin{align*} aA + bB &\leftrightarrows cC + dD \\ v_1 &= k_1 \cdot [A]^a \cdot [B]^b \\ v_2 &= k_2 \cdot [C]^c \cdot [D]^d \end{align*}$$

   V soustavě neustále ubývá reaktantů ($A, B$) a přibývá produktů ($C, D$)

   Na začátku je $v_1$ maximální a $v_2 = 0$, přitom $v_1$ klesá a $v_2$ roste $\to$ časem dojde k $v_1 = v_2$ = chemická rovnováha

   $\to v = v_1 - v_2$ neustále klesá

2. Teplota:

   S rostoucí teplotou roste i $v$

   $$v = k \cdot [A]^a \cdot [B]^b$$

   $k$ je závislá na teplotě

   Závislost rychlostní konstanty na teplotě popisuje Arrheniova rovnice:

   $$k = A \cdot e^{-\frac{E_A}{R \cdot T}}$$

   $A$ ... frekvenční faktor

   $e$ ... Eulerovo číslo ($\approx 2.71828$)

   $E_A$ ... aktivační energie

   $R$ ... univerzální plynová konstanta

   $T$ ... termodynamická teplota

   Van't Hoffovo pravidlo: Zvýšíme-li teplotu soustavy o $10 \space °\text{C}$, zvýší se rychlost chemické reakce ${2{-}4} \times$

3. Tlak:

   Ovlivňuje $v$ pouze u plynných reaktantů

   S rostoucím tlakem roste $v$

4. Velikost povrchu reagujících částic:

   Platí, pokud je aspoň 1 reaktantem pevná látka

   S rostoucím povrchem roste $v$

   Př.:

   $$\text{Zn} + 2 \space \text{HCl} \to \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2$$

   Pokud granuli zinku nameleme na prach, bude reakce rychlejší

5. Volba reaktantů:

   Neovlivňujeme $v$ konkrétní reakce, ale vybíráme jinou

   Př. – rozpouštění zinku:

   $$\begin{align*} \text{Zn} + \text{HCl} &\to ... \\ \text{Zn} + \text{H}_3\text{C}{-}\text{COOH} &\to ... \end{align*}$$

   $\text{HCl}$ je silná kyselina, zatímco $\text{H}_3\text{C}{-}\text{COOH}$ je slabá kyselina $\to$ první reakce proběhne rychleji

6. Katalyzátory:

   = Látky, které se účastní chemické reakce, ovlivňují její rychlost, ale vycházejí z reakce nezměněny

   V chemické rovnici se uvádějí nad šipkou

   Př.:

   $$2 \space \text{H}_2\text{O}_2 \overset{\text{MnO}_2}{\longrightarrow} 2 \space \text{H}_2\text{O} + \text{O}_2$$

   Dělí se na stimulátory (zvyšují $v$) a inhibitory (snižují $v$)

   ---

   19. 9. 2022

   Princip působení stimulátorů: Stimulátor rozdělí reakci na 2 kroky s nižší $E_A$ – počet částic s určitou energií lze znázornit Gaussovým rozdělením, snížením $E_A$ bude napravo od $E_A$ větší část částic

   Př.:

   $$\begin{align*} \text{A} + \text{B} &\to \text{C} \\[0.5em] \text{A} + \text{K} &\to \text{AK} \\ \text{AK} + \text{B} &\to \text{C} + \text{K} \end{align*}$$

   $\text{K}$ ... katalyzátor – nespotřebovává se

   $\text{AK}$ ... nestabilní (reaktivní) meziprodukt

   Katalýza = děj, kdy je $v$ ovlivněna nějakým katalyzátorem

   Katalýza může být:

   1. Homogenní:

      Reaktanty i katalyzátor tvoří homogenní směs

      Je poměrně vzácná – např. esterifikace

   2. Heterogenní:

      Reaktanty i katalyzátor tvoří heterogenní směs

      Nejčastěji: Katalyzátor je pevný, látka je kapalná, nebo plynná