קינטיקה או דינמיקה של תגובות כתיבה ועיבוד: תרצה גרוס, שרה פרח

1. קינטיקה אודינמיקה של תגובותכתיבה ועיבוד: תרצה גרוס, שרה פרח

2. 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.

3. 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?

4. קצב • קצב הוא שינוי החל בגודל מסוים ביחידת זמןלדוגמה, מהירות נסיעה, קצב גדילה וכו' X הוא הגודל הנמדד t מציין זמן ∆ מציין שינוי יחידות – M/sec

5. קצב תגובה • קצב תגובה הוא השינוי בריכוז החומר X∆ ביחידת זמן לתגובה A B השינוי בריכוז A (המגיב) ליחידת זמן הוא שלילי והשינוי בריכוז B (התוצר) ליחידת זמן הוא חיובי

6. 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'

7. על מנת לעקוב אחר הריכוז ניתן להשתמש במספר דרכים: בגזים • שינוי בנפח הגז או בלחץ הגז. בתמיסות • שיטות ספקטרוסקופיות – צבע – עוצמת הבליעה. • מוליכות חשמלית • שינוי pH

8. 2H2O2(aq) →2H2O(l) + O2(g) מדידת שינוי בריכוזוחישובקצב תגובה ע"פ תוצאות ניסוי

9. שינוי ריכוז H2O2 ריכוז M 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 זמן 50 40 30 20 10

10. הצגה גרפית של שינוי בריכוזי החומריםכתלות בזמן(קצב התגובה הוא השיפוע)

12. קצב רגעי – שינוי בנקודת זמן מסוימת.לדוגמה – המהירות בקטע כביש מסוים לאורך המסלול • קצב ממוצע – השינוי במשך הזמן כולו. לדוגמה – המהירות הממוצעת במסלול הנסיעה כולו, שיכול לכלול קטע כביש מהיר, קטע עירוני וכו'

13. הגורמים המשפיעים על קצב תגובה ממצאי ניסוי ה-x הנעלם הערה מקדימה: הבחנה בין משך תגובה לקצב תגובה – ככל שמשך התגובה ארוך יותר, קצב התגובה איטי יותר ולהיפך. • השפעת הריכוז • השפעת הטמפרטורה

14. ההסבר התיאורטי לממצאים הניסויים - תיאוריית ההתנגשויות איך נולד תוצר? הצעה לתרחיש מולקולרי כללי 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. • תנאי ראשון להתרחשות תגובה כימית בין חומרים הוא התנגשות בין המולקולות שלהם.

15. עקומת מקסוול-בולצמן התפלגות ערכי האנרגיה הקינטית של מולקולות במצב גזי

16. ההסבר התיאורטי לממצאים הניסויים - תיאוריית ההתנגשויות - המשך • תנאי שני להתרחשות תגובה כימית בין חומרים הוא שלמולקולות המתנגשות תהיה אנרגיה מספקת על מנת לערער את הקשרים הקיימים. • אנרגיה זו נקראת אנרגיית השפעול של התגובה ומסומנת ב-Ea

17. אנרגית השפעול (אקטיבציה) Ea–האנרגיה המינימלית הנדרשת להתחלת תגובה כימית. עבור תגובה כללית: A  B

20. 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.

21. ההסבר התיאורטי לממצאים הניסויים - תיאוריית ההתנגשויות - המשך • תנאי שלישי להתרחשות תגובה כימית בין חומרים הוא שההתנגשות בין המולקולות תהיה בכיוון המתאים מבחינה מרחבית (זוית נכונה), כך שהמולקולות תהינה ערוכות לקראת יצירת הקשרים החדשים. • התנגשות אפקטיבית (בעלת אנרגיה מספקת) ובכיוון המתאים מבחינה מרחבית, נחשבת ל"התנגשות פורייה", זאת אומרת, התנגשות שעשויה להניב תוצרים.

22. מודל התנגשויות מורחב

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

24. מצב המעבר של התגובה - התצמיד המשופעל מההתנגשויות "הפוריות" נוצר מצב מעבר – לא יציב – היכול להתקדם לתוצרים או לחזור למגיבים. דוגמה לתגובה אנדותרמית:

25. סיכום ברמה המיקרוסקופית א. 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 בלתי יציב שקיים לשבריר שנייה, ונקרא תצמיד 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.

26. הסבר הממצאים הניסויים בעזרת תיאוריית ההתנגשויות השפעת ריכוז המגיבים • הממצא 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.

27. המחשה כאן

28. עקומת מקסוול-בולצמןתלות התפלגות ערכי האנרגיה הקינטית של מולקולות במצב גזי בטמפרטורה בטמפרטורה גבוהה T2יש אחוז גדול יותר של מולקולות בעלות אנרגיה שווה או גבוהה לערך הסף הדרושלהתרחשות התגובה (אנרגיית השפעולEa ) החלק היחסי מכלל המולקולות אנרגיה קינטית Ea

29. כיצד עליה בטמפרטורה עשויה להשפיע על מהירות התגובה ?מדוע ?

30. הסבר הממצאים הניסויים בעזרת תיאוריית ההתנגשויות השפעת הטמפרטורה • הממצא העובדתי: העלאת הטמפרטורה מגבירה את קצב התגובה. • ההסבר: בטמפרטורה גבוהה יותר, האנרגיה הקינטית הממוצעת גבוהה יותר, זאת אומרת, המולקולות נעות מהר יותר, וצפויות להתרחש יותר התנגשויות ביחידת זמן. • בנוסף,בטמפרטורה גבוהה יותר, יש יותר מולקולות בעלות אנרגיה קינטית מספקת על מנת לעבור את הסף הנדרש לתגובה. לכן, יש סיכוי גבוה יותר לקבלת תצמידים משופעלים. בעקבות כך, קיים סיכוי גבוה יותר להיווצרות מולקולות של תוצר ביחידת זמן.

31. עניין נוסף: בניתוח של עקומת מקסוול-בולצמן ניתן לראות ש: ככל שאנרגיית השפעול גבוהה יותר, קצב התגובה יושפע יותר מעלייה בטמפרטורה(לפי היחס בין השטחים שמתחת לשתי העקומות).

32. הגורמים המשפיעים על קצב תגובה • סוג החומרים (סוג התגובה) • ריכוז החומרים • טמפרטורה • שטח פנים שאלה: האם ריכוזי המגיבים משפיעים באופן זהה על קצב תגובות שונות?התשובה היא לא. האופן שבו ריכוז המגיבים משפיע על הקצב של תגובה משתנה מתגובה לתגובה. כלומר, לתגובות שונות יש חוקי קצב שונים.

33. 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. תוצרים+ זרז תצמיד משופעל אחר מגיבים+ זרז מכאן, שהזרז מעורב באחד או יותר מהתהליכים האלמנטריים המרכיבים את מנגנון התגובה. הוא עובר שינוי ולאחריו שחזור.

36. הסבר להשפעתו של זרז לאור תיאוריית ההתנגשויות: • זרז משנה את מנגנון התגובה. • הוא יוצר מסלול אלטרנטיבי שבו אנרגיית השפעול נמוכה יותר. • כשאנרגיית השפעול יורדת, מולקולות רבות יותר יכולות לעבור את אנרגיית הסף של התגובה ולכן קצב התגובה עולה. (עולה חלקן של ההתנגשויות האפקטיביות).

37. דוגמאות: • תהליך הבר להפקת אמוניה • ייצור מרגרינה • סינתזה של פולימרים ועוד... הבונוסים הנוספים - בררנות ובטיחות

38. סוגים שונים של זרזים • קטליזה הומוגנית – הזרז הוא חומר במצב צבירה שבו נמצאים המגיבים. לדוגמה, תגובות המתרחשות בתמיסה מימית ומזורזות ע"י חומר שמומס בה. • קטליזה הטרוגנית – הזרז הוא מוצק, והמגיבים הם במצבי צבירה שונים. • בכל מקרה, הזרז אינו מגיב. כמותו כמעט ואינה פוחתת במהלך התגובה הכימית.

39. בקטליזה הומוגנית – הזרז נמצא באותה פאזה שבה מתרחשת התגובה. התגובה: O3 + O → 2O2

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

41. קטליזה אנזימטית – אנזימים הם חלבונים בעלי מסה מולרית גבוהה מאוד. כל אנזים הוא ספציפי – מזרז תגובה מסוימת. האנזים (E) פועל עלסובסטרט (S)–יוצר אתו קישור ספציפי באתר קישור(ES)–האתר הפעיל. מודל מנעול-מפתח

43. http://stwww.weizmann.ac.il/g-chem/iton/9/novel.html - קישור לפרס נובל לכימיה 2005 בנושא זרזים • 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_manhul.html - אנזימים – הזרזים של הטבע

44. אם יודעים את מנגנון התגובה, המובע בעזרת תגובות אלמנטריות, ניתן לקבוע על פיו את חוק הקצב של תגובה (צריכה להכיל רק מגיבים או זרז). במנגנון התגובה – השלב האיטי הוא השלב קובע המהירות – על פיו נקבע חוק הקצב של התגובה. 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

45. הקצב שאליו מתייחסים הואהקצב ההתחלתי. 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 k– קבוע הקצב α,β – סדר התגובה (לא בהכרח מספרים שלמים) לא קשורים למקדמים הסטוכיומטריים. סדר התגובה = סכום החזקות כאמור, חוק הקצב נקבע באופן ניסיוני. העשרה