קינטיקה או דינמיקה של תגובות כתיבה ועיבוד: תרצה גרוס,...

קינטיקה או

דינמיקה של תגובותכתיבה ועיבוד: תרצה גרוס, שרה

פרח

קינטיקה כימית

ישנן תגובות שמתרחשות תוך שניות, בעוד שאחרות יכולות לארוך שעות, ימים ואף חודשים.

גם כאשר תגובה היא ספונטאנית, לא תמיד היא מתרחשת מעצמה – קצב התגובה איטי מדי.

לקצב תגובות יש חשיבות כלכלית.

חקר הגורמים המשפיעים על קצב התגובה מאפשר להבין טוב יותר את מנגנון התרחשות

התגובה.

זמן =

איך יודעים שתגובה מתרחשת?•

איך יודעים כמה מהר היא מתקדמת? )מהו •הקצב בו הופכים מגיבים לתוצרים(

כיצד מתחילה תגובה כימית?•

אלו גורמים משפיעים על קצב התגובה וכיצד?•

מהו רצף השלבים – המנגנון – בו המגיבים •?הופכים לתוצרים

קצב

קצב הוא שינוי החל בגודל מסוים ביחידת זמן•לדוגמה, מהירות נסיעה, קצב גדילה וכו'

Xהוא הגודל הנמדד t מציין זמן

∆ מציין שינוי

M/secיחידות –

Δ t

Δ [X]קצב

קצב תגובה

∆ Xקצב תגובה הוא השינוי בריכוז החומר •ביחידת זמן

A B לתגובה )המגיב( ליחידת זמן הוא Aהשינוי בריכוז

)התוצר( ליחידת זמן Bשלילי והשינוי בריכוז הוא חיובי

Δt

Δ[A]

Δt

Δ[B]

Δt

Δ[B]

קצב התגובה יהיה תמיד בעל ערך חיובי, ולכן: •

קביעת קצב התגובה מבוססת על ניסויים בהם •נערך מעקב אחר התקדמות התגובה: העלמות

המגיבים או הצטברות התוצרים. למשל, מוצק ששוקע, גז שנפלט, שינוי צבע וכו'

Δ t

Δ [A]קצבתגובה

Δt

Δ[B]

על מנת לעקוב אחר הריכוז ניתן להשתמש •במספר דרכים:

בגזים שינוי בנפח הגז או בלחץ הגז.•

בתמיסות שיטות ספקטרוסקופיות – צבע – עוצמת הבליעה.•מוליכות חשמלית•pHשינוי •

2H2O2)aq( →2H2O)l( + O2)g(

[H2O2]∆M

0.41

0.22

0.15

0.09

[H2O2]M

t∆min

tmin

1.000

10

0.5910

10

0.3720

10

0.2230

0.131040

ע"פ תוצאות קצב תגובה וחישוב שינוי בריכוזמדידת ניסוי

[H2O2∆ / ]t∆M / min

0.041

0.022

0.015

0.009

H2O2שינוי ריכוז

זמן

ריכוז

M

50 40 30 20 10

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

הצגה גרפית של שינוי בריכוזי הצגה גרפית של שינוי בריכוזי )קצב )קצב כתלות בזמןכתלות בזמן החומריםהחומרים

התגובה הוא השיפוע(התגובה הוא השיפוע(

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 10 20 30 40 50 60 70 80

זמן )דקות(

)M(

כוזרי

H2O2)aq(

O2)g(

H2O)l(

– שינוי בנקודת זמן מסוימת.קצב רגעי •לדוגמה – המהירות בקטע כביש מסוים לאורך

המסלול

– השינוי במשך הזמן כולו. קצב ממוצע •לדוגמה – המהירות הממוצעת במסלול

הנסיעה כולו, שיכול לכלול קטע כביש מהיר, קטע עירוני וכו'

הגורמים המשפיעים על קצב תגובה הנעלםxממצאי ניסוי ה-

הערה מקדימה: הבחנה בין משך תגובה לקצב תגובה –

ככל שמשך התגובה ארוך יותר, קצב התגובה איטי יותר ולהיפך.

השפעת הריכוז•השפעת הטמפרטורה•

ההסבר התיאורטי לממצאים הניסויים - תיאוריית ההתנגשויות

הצעה לתרחיש מולקולרי כללי איך נולד תוצר? המתבסס על התיאוריה הקינטית של הגזים:

מולקולות נמצאות בתנועה מתמדת. הן בעלות •אנרגיות שונות והן מתנגשות ביניהן.

כתוצאה מכך, עשויים להתרחש שינויים בהרכב •המולקולות ובאנרגיה הפנימית שלהן.

להתרחשות תגובה כימית בין תנאי ראשון•שלהם. התנגשות בין המולקולות חומרים הוא

עקומת מקסוול-בולצמן

התפלגות ערכי האנרגיה הקינטית של מולקולות במצב גזי

ההסבר התיאורטי לממצאים הניסויים - תיאוריית ההתנגשויות -

המשך

להתרחשות תגובה כימית בין תנאי שני•שלמולקולות המתנגשות תהיה חומרים הוא

על מנת לערער את הקשרים אנרגיה מספקת הקיימים.

של אנרגיית השפעולאנרגיה זו נקראת •Eaהתגובה ומסומנת ב-

האנרגיה – Eaאנרגית השפעול )אקטיבציה(

המינימלית הנדרשת להתחלת תגובה כימית.

A Bעבור תגובה כללית:

אנרגיית שפעול וקצב תגובות

אנרגיית השפעול היא גודל קבוע המאפיין •תגובה מסוימת, ואינו תלוי בטמפרטורה.

קצב התגובה בטמפרטורה מסויימת מושפע •מגודלה של אנרגיית השפעול.

תגובה בעלת אנרגיית שפעול גבוהה, איטית יותר מתגובה בעלת אנרגיית שפעול נמוכה,

אם שתיהן מתרחשות באותה טמפרטורה.

ההסבר התיאורטי לממצאים הניסויים - תיאוריית ההתנגשויות -

המשך להתרחשות תגובה כימית בין תנאי שלישי•

שההתנגשות בין המולקולות חומרים הוא )זוית תהיה בכיוון המתאים מבחינה מרחבית

נכונה(, כך שהמולקולות תהינה ערוכות לקראת יצירת הקשרים החדשים.

התנגשות אפקטיבית )בעלת אנרגיה מספקת( •ובכיוון המתאים מבחינה מרחבית, נחשבת

, זאת אומרת, התנגשות ל"התנגשות פורייה"שעשויה להניב תוצרים.

מודל התנגשויות מורחבמודל התנגשויות מורחב

תאוריית ההתנגשויות המורחבתתאוריית ההתנגשויות המורחבת

המגיב מולקולות על לפועל, תצא שתגובה מנת המגיב על מולקולות על לפועל, תצא שתגובה מנת על להתנגש זו בזו עם אנרגיה מינימלית ובכיוון מתאים.להתנגש זו בזו עם אנרגיה מינימלית ובכיוון מתאים.

מצב המעבר של התגובה - התצמיד המשופעלמצב המעבר של התגובה - התצמיד המשופעל

מההתנגשויות "הפוריות" נוצר מצב מעבר – לא יציב – מההתנגשויות "הפוריות" נוצר מצב מעבר – לא יציב – היכול להתקדם לתוצרים או לחזור למגיבים.היכול להתקדם לתוצרים או לחזור למגיבים.

דוגמה לתגובה אנדותרמית:דוגמה לתגובה אנדותרמית:

סיכום ברמה המיקרוסקופיתא. המולקולות נעות ומתנגשות עם אנרגיות שונות ובזויות

שונות.

ב. אם הן מתנגשות באנרגיה נמוכה מדי או בזווית לא מתאימה, לא קורה דבר.

ג. אם האנרגיה מתאימה והזווית מתאימה נוצר חלקיק תצמיד בלתי יציב שקיים לשבריר שנייה, ונקרא

משופעל.

ד. תצמיד משופעל מתפרק למולקולות שיצרו אותו, או למולקולות חדשות. במקרה זה אנו אומרים כי

ההתנגשות היתה פורייה.

ה. אם מתרחשות התנגשויות פוריות רבות, מתרחשת תגובה הניתנת למדידה ברמה מאקרוסקופית.

הסבר הממצאים הניסויים בעזרת תיאוריית ההתנגשויות

השפעת ריכוז המגיביםהממצא העובדתי: העלאת ריכוז אחד המגיבים מעלה •

את קצב התגובה.ההסבר: ריכוז גבוה יותר של מגיב משמעותו יותר -

מולקולות מתרוצצות בכל יחידת נפח. כשיש יותר מולקולות ביחידת נפח, גדל הסיכוי להתנגשויות בכלל ולהתנגשויות פוריות בפרט, לכן עשויים להתקבל יותר

תוצרים באותו פרק זמן.מסביר גם את השינוי בקצב התגובה )השיפוע( עם הזמן. -

ריכוז המגיבים פוחת ולכן הקצב פוחת.

כאןהמחשה

עקומת מקסוול-בולצמןתלות התפלגות ערכי האנרגיה הקינטית של

מולקולות במצב גזי בטמפרטורה

יש אחוז גדול יותר T2 בטמפרטורה גבוהה של מולקולות בעלות אנרגיה שווה או

להתרחשות גבוהה לערך הסף הדרוש ( Eaהתגובה )אנרגיית השפעול

החלק היחסי

מכלל המולקולות

Eaאנרגיה קינטית

כיצד עליה בטמפרטורה עשויה להשפיע על מהירות התגובה ?

מדוע ?

הסבר הממצאים הניסויים בעזרת תיאוריית ההתנגשויות

השפעת הטמפרטורההממצא העובדתי: העלאת הטמפרטורה מגבירה את •

קצב התגובה.ההסבר: בטמפרטורה גבוהה יותר, האנרגיה הקינטית •

המולקולות נעות הממוצעת גבוהה יותר, זאת אומרת, מהר יותר, וצפויות להתרחש יותר התנגשויות ביחידת

זמן.יותר מולקולות בטמפרטורה גבוהה יותר, יש בנוסף,•

בעלות אנרגיה קינטית מספקת על מנת לעבור את . לכן, יש סיכוי גבוה יותר לקבלת הסף הנדרש לתגובה

תצמידים משופעלים. בעקבות כך, קיים סיכוי גבוה יותר להיווצרות מולקולות של תוצר ביחידת זמן.

עניין נוסף:

בניתוח של עקומת מקסוול-בולצמן ניתן לראות ש:

ככל שאנרגיית השפעול גבוהה יותר, קצב )לפי התגובה יושפע יותר מעלייה בטמפרטורה

היחס בין השטחים שמתחת לשתי העקומות(.

הגורמים המשפיעים על קצב תגובה

סוג החומרים )סוג התגובה(•

ריכוז החומרים•

טמפרטורה•

שטח פנים•

משפיעים באופן זהה על ריכוזי המגיבים שאלה: האם קצב תגובות שונות?

התשובה היא לא. האופן שבו ריכוז המגיבים משפיע על הקצב של תגובה משתנה מתגובה לתגובה.

שונים. חוקי קצבכלומר, לתגובות שונות יש

גורם נוסף המשפיע על קצב תגובות

קטליזה

זרז )קטליזטור( – חומר שנוסף למגיבים הגורם להגברת קצב התגובה. הזרז אינו מתכלה במהלך

התגובה ולכן אינו מופיע בניסוח התגובה נטו.

מכאן, שהזרז מעורב באחד או יותר מהתהליכים האלמנטריים המרכיבים את מנגנון התגובה. הוא

עובר שינוי ולאחריו שחזור.

תוצרים+ זרז תצמיד משופעל אחר מגיבים+ זרז

הסבר להשפעתו של זרז לאור תיאוריית ההתנגשויות:

זרז משנה את מנגנון התגובה.•

מסלול אלטרנטיבי שבו אנרגיית הוא יוצר •השפעול נמוכה יותר.

מולקולות רבות כשאנרגיית השפעול יורדת, •יותר יכולות לעבור את אנרגיית הסף של

ולכן קצב התגובה עולה. )עולה חלקן התגובהשל ההתנגשויות האפקטיביות(.

דוגמאות:תהליך הבר להפקת אמוניה•ייצור מרגרינה•סינתזה של פולימרים ועוד...•

הבונוסים הנוספים - בררנות ובטיחות

סוגים שונים של זרזים

– הזרז הוא חומר במצב קטליזה הומוגנית•צבירה שבו נמצאים המגיבים. לדוגמה, תגובות

המתרחשות בתמיסה מימית ומזורזות ע"י חומר שמומס בה.

– הזרז הוא מוצק, קטליזה הטרוגנית•והמגיבים הם במצבי צבירה שונים.

בכל מקרה, הזרז אינו מגיב. כמותו כמעט ואינה •פוחתת במהלך התגובה הכימית.

– הזרז נמצא באותה פאזה שבה בקטליזה הומוגנית מתרחשת התגובה.

O3 + O → 2O2התגובה:

– הזרז נמצא בפאזה אחרת בקטליזה הטרוגנית מהפאזה שבה מתרחשת התגובה.

מודל מנעול-מפתח

אנזימטית מסה קטליזה בעלי חלבונים הם אנזימים – מזרז – ספציפי הוא אנזים כל מאוד. גבוהה מולרית

תגובה מסוימת.

על(E)האנזים פועל קישור – (S)סובסטרט אתו יוצר .האתר הפעיל – (ES) ספציפי באתר קישור

•http://stwww.weizmann.ac.il/g-chem/iton/9/novel.html

בנושא זרזים2005 - קישור לפרס נובל לכימיה •http://lib.cet.ac.il/pages/item.asp?item=16581

כימאים המציאו סוג חדש של זרזים המסוגלים לפרק כמה מן המזהמים הגרועים ביותר עוד לפני שהם

מגיעים לסביבה•http://www6.snunit.k12.il/science/biology/h_man

hul.html - אנזימים – הזרזים של הטבע

את יודעים התגובהאם תגובות מנגנון בעזרת המובע ,את פיו על לקבוע ניתן הקצבאלמנטריות, של חוק

תגובה )צריכה להכיל רק מגיבים או זרז(.

– התגובה קובע במנגנון השלב הוא האיטי השלב – על פיו נקבע חוק הקצב של התגובה.המהירות

למעשה, מנגנון התגובה מוצע על מנת להסביר את חוק הקצב המתקבל לאור תוצאות ניסויים.

לעיתים, ניתן להציע יותר ממנגנון אחד היכול להסביר חוק קצב מסוים, ולא תמיד ניתן לקבוע מי מהם הוא

"הנכון".

העשרה

הקצב ההתחלתי. הקצב שאליו מתייחסים הוא

חוק הקצב מבטא את הקצב ההתחלתי כתלות בריכוזים ההתחלתיים של המגיבים )או הזרז(.

עבור תגובה כללית כלשהי:

aA)g( + bB)g( cC)g( + dD)g(חוק הקצב יהיה:

Rate = k[A]α[B]β

kקבוע הקצב –α,β )סדר התגובה )לא בהכרח מספרים שלמים –

.לא קשורים למקדמים הסטוכיומטריים סכום החזקותסדר התגובה =

העשרהכאמור, חוק הקצב נקבע באופן ניסיוני.