MŰSZAKI KÉMIA ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK

1. MŰSZAKI KÉMIA ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK 2. REAKCIÓKINETIKA Dr. Bajnóczy Gábor BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

2. AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL FELTENNI TILOS !

3. Reakciókinetika Mitől függ a reakciósebesség és hogyan tudjuk befolyásolni ? C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O (g) ΔG0 = -3182 kJ 1 mol ● -910 kJ/mol 6 mol ● - 394 kJ/mol 6 mol ● -288 kJ/mol Ezek szerint a szőlőcukornak el kellene égni szobahőmérsékleten ! Igen, de nem ég el, mivel a folyamat kinetikailag gátolt A termodinamika csak a lehetőséget adja meg. Az utat nekünk kell megtalálni !

4. Aktivált állapot elmélete • Kémiai reakció létrejöttéhez szükséges • Ütközzenek a résztvevők • Megfelelő energiával történjen az ütközés • Megfelelő irányultságú legyen az ütközés Ez anyag és energia koncentrációt igényel, tehát entrópia csökkenés kell, hogy történjen. Ez ΔGrendszer pozitív értékét jelenti tehát a reagáló anyagoknak egy energia gátat kell leküzdeniük.

5. Reakciók molekularitása • Monomolekuláris reakciók A ---------- termékek • Bimolekuláris reakciók A + A ---------- termékek • A + B ---------- termékek • Trimolekuláris reakciók A + A + A ---------- termékek • A + A + B ---------- termékek • A + C + B ---------- termékek Ezt a három típust nevezzük elemi reakcióknak Tovább nem folytatható, mivel nincs gyakorlati valószínűsége, hogy négy molekula egyidejűleg hatásosan ütközzön.

6. Reakciósebesség Időegység alatt bekövetkező koncentráció változás: Monomolekuláris reakcióknál v = k [A] Bimolekuláris reakcióknál v = k [A]2 vagy v = k [A][B] Trimolekuláris reakcióknál v = k[A]3 vagy v = k[A][B]2 …. k = reakciósebességi állandó v : pillanatnyi reakciósebesség Elemi reakcióknál a sebességi egyenlet felírható a reakcióegyenletből

7. Összetett reakciók reakciósebessége 2 A + 4 B + 5 C = E + 6 D ▼ v = k [A]a● [B]b● [C]c a, b, c : kitevők tetszőleges számok, részrendek, a reakció részrendjei csak kísérletileg határozhatók meg a+b+c = a reakció rendűsége, bruttó rendje v = k [A]4● [B]-1,2● [C]0 Ennél a reakciónál [A] koncentrációjának növelése robbanáshoz vezethet [B] koncentrációjának növelésével a reakció lassulását lehet elérni, [C] koncentrációja nem befolyásolja a reakciósebességet

8. Kémiai reakciók hőmérséklet függése Növekvő hőmérséklet a reakciósebesség növekedését eredményezi A szobahőmérsékleten lejátszódó reakciók sebessége 1,5-3 szorosára nő, ha a hőfokot 10 °C-al megemeljük Reakciósebesség hőmérséklet függése (Arrhenius féle empírikus egyenlet) A reakciók gyorsítására T növelése nem mindig megfelelő pl. az energia igény miatt Katalizátor alkalmazásával viszont gyorsíthatjuk a reakciót hőmérséklet emelés nélkül

9. Légszennyező anyagok képződése a belsőégésű motorokban Szén - monoxid 2C +O2 = 2CO v1 V1 >> V2 C +O2 = CO2 2CO +O2 = 2CO2 v2 Ha nincs elegendő oxigén vagy kicsi tartózkodási idő sok lesz a füstgáz szén-monoxid tartalma Nitrogén-oxid N2 +O2 = 2NO Endoterm reakció, ezért n = 1-nél képződési maximum Szénhidrogének CxHy +O2 --- > szénváz + H2O CxHy +O2 -- > CO2 + H2O szénváz + O2 --- > CO majd CO2 Ha nincs elegendő oxigén vagy kicsi tartózkodási idő sok lesz a füstgáz szénhidrogén tartalma

10. Kisebb tűztér több légszennyező • Oka: az úgynevezett falhatás. • A falhoz közel a hőleadás miatt kisebb a hőmérséklet, így lassabb a reakciósebesség, pl.: szén-monoxid átalakulás széndioxiddá • A hőleadó felületek változásával magyarázható, hogy a kisebb tűzterű kazánok sokkal több szénhidrogént, szénmonoxidot és kormot emittálnak, mint a nagy tűzterű kazánok, mivel a nagyobb tűztér esetén kisebb a • felület – tűztér viszony. Hidegebb fal lassítja az oxidáció sebességét és a dugattyú hamarabb tolja ki a gázelegyet ebből a térrészből, mint a teljes elégéshez szükséges idő.

11. Gépkocsi katalizátor Légszennyező anyag képződés a belsőégésű motorokban Betáplált levegő mennyisége _____________________________________ Légfelesleg tényező = Elméletileg szükséges levegő mennyisége n < 1 léghiány n > 1 levegő többlet

12. Hármas hatású katalizátor ebben a tartományban még elfogadható sebességgel zajlik az oxidáció és a redukció redukció oxidáció Pt : platina katalizátor Pd: palládium katalizátor

13. Hármas hatású katalizátor

14. Hármas hatású katalizátor A keramiatest csöveinek belső falára viszik fel a katalizátort.

15. Példa az igen gyors kémiai reakciókra Légzsák: 2 NaN3 = 2 Na + 3 N2a fém nátrium gyúlékony ! 10 Na + 2 KNO3 = K2O + 5 Na2O + N2 a Na2O és K2O vakságot okoz K2O + Na2O + SiO2 ------ > alkáli - szilikátok nem veszélyes Tehát a légzsákot a - nátrium - azid, - kálium - nitrát, - szilicium – dioxid keverékéből elektromos gyújtás hatására beinduló kémiai reakció során képződő nitrogén fújja fel

16. t= 20 C lassú Keverni is kell, mert a koncentráció a felületen csökken ! Ecetsav 5% t= 80 C ( k nő) lassú t= 20 C lassú Ecetsav 20% [A] nő t= 80 C ( k nő) lassú t= 20 C lassú Sósav 10% t= 80 C ( k nő) ( anyag váltás k nő) gyors, de oldódik a vas negatív katalizátor gyors, de a vas oldódása lassú negatív katalizátor ( k lassul) vas oldódására 2CH3COOH + CaCO3 = Ca(CH3COO)2 + H2O + CO2 v= k[A]a [B]b

17. Homeopátiás gyógyszerek ? Elve: A hatóanyagot olyan mértékben kell hígítani pl.: vízzel, hogy a kész „gyógyszerben” már csak néhány molekula legyen. A vízmolekulák majd emlékeznek!!?? a hatóanyagra és így fejtik ki gyógyító hatásukat. v = k [A]a● [B]b● [C]c Ha [A] azaz a hatóanyag koncentrációja tart a nullához a „v” reakciósebesség, azaz a gyógyulásért felelős kémiai reakció sebessége is tart a nullához. A készítmény hatóanyaga: 0,01 ml Anas Barbariae hepatis et cordis extractum 200K 1 g pelletben műanyag tartályonként. 200 K (Korsakov hígítás) = 10400 hígítás 1 K = 102 hígítás