Zamknięcie działu 9

Słowniczek działu

Pojęcie Definicja skrócona
Szybkość reakcji $v = |\Delta c / \Delta t|$; zmiana stężenia w jednostce czasu
Energia aktywacji ($E_a$) Minimalna energia zderzenia, by reakcja zaszła
Katalizator Obniża $E_a$, nie zmienia ΔH; nie ulega zużyciu
Inhibitor Spowalnia reakcję
Równowaga dynamiczna $v_\text{postęp} = v_\text{odwrotna}$; stałe makroskopowe stężenia
Stała równowagi ($K_c$) (produkty/substraty) w potęgach stechiometrycznych; zależy tylko od T
Reguła Le Chateliera Układ zaburzony przesuwa się, by zmniejszyć zaburzenie
Reakcja egzotermiczna $\Delta H < 0$; oddaje ciepło
Reakcja endotermiczna $\Delta H > 0$; pochłania ciepło
Entalpia tworzenia ($\Delta H_f^\circ$) Entalpia powstawania 1 mol z pierwiastków standardowych
Prawo Hessa ΔH = suma entalpii etapów; niezależne od drogi
[R] Rząd reakcji Suma wykładników w $v = k[\text{A}]^m[\text{B}]^n$; wyznaczany doświadczalnie
[R] Stała szybkości ($k$) Zależy od T i katalizatora; Arrhenius: $k = Ae^{-E_a/RT}$
[R] $K_w$ Iloczyn jonowy wody: $[\text{H}^+][\text{OH}^-] = 10^{-14}$ (25°C)
[R] pH $-\log[\text{H}^+]$; < 7 kwaśny, = 7 obojętny, > 7 zasadowy
[R] Entropia ($S$) Miara nieuporządkowania; $\Delta S > 0$ = wzrost
[R] Energia Gibbsa ($\Delta G$) $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$; < 0: spontaniczny

W pigułce — Dział 9

  • Kinetyka: szybkość zależy od stężenia, temperatury, rozdrobnienia, katalizatora — wszystko przez teorię zderzeń i energię aktywacji.
  • Katalizator: obniża $E_a$, przyspiesza osiągnięcie równowagi, nie przesuwa jej i nie zmienia ΔH.
  • Równowaga: dynamiczna — oba procesy trwają; $K_c$ tylko od T; Le Chatelier to „zasada oporu".
  • Energetyka: ΔH < 0 = egzotermiczna; prawo Hessa — entalpia jak energia — addytywna, niezależna od drogi.
  • [R] Kinetyka precyzyjna: rząd ≠ stechiometria; Arrhenius: $k$ rośnie wykładniczo z T.
  • [R] pH i równowagi jonowe: $K_w = 10^{-14}$; pH = $-\log[\text{H}^+]$; stałe dysocjacji mierzą siłę elektrolitów.
  • [R] Termodynamika spontaniczności: $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$; ujemne = spontaniczne; związek z równowagą: $\Delta G^\circ = -RT\ln K$.

Sprawdzian działowy

1. Reakcja ma $E_a = 80\ \text{kJ/mol}$. Katalizator obniża ją do $50\ \text{kJ/mol}$. Jak zmieni się szybkość? (jakościowo, bez liczb)

Sprawdź odpowiedź

Znacząco wzrośnie — obniżenie bariery o 30 kJ/mol dramatycznie zwiększa frakcję aktywnych zderzeń (efekt wykładniczy). Nie zmieni się ΔH ani równowaga.

2. Dla reakcji $2\text{SO}_3(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{SO}_2(\text{g}) + \text{O}_2(\text{g})$ $(\Delta H > 0)$: przewidź zmianę $K_c$ po wzroście T i przesunięcie równowagi po wzroście ciśnienia.

Sprawdź odpowiedź

Wzrost T: Le Chatelier — pochłania ciepło → przesuwa w prawo (endotermicznie) → $K_c$ rośnie. Wzrost ciśnienia: 2 mole gazów → 3 mole (lewa → prawa); wzrost ciśnienia przesuwa w stronę mniejszej liczby moli → w lewo (tworzy $\text{SO}_3$). $K_c$ bez zmian.

3. Oblicz ΔH dla $\text{C}_2\text{H}_4(\text{g}) + \text{H}_2(\text{g}) \to \text{C}_2\text{H}_6(\text{g})$, korzystając z:

  • $\Delta H_f^\circ(\text{C}_2\text{H}_4) = +52\ \text{kJ/mol}$
  • $\Delta H_f^\circ(\text{C}_2\text{H}_6) = -85\ \text{kJ/mol}$
  • $\Delta H_f^\circ(\text{H}_2) = 0$
Pokaż rozwiązanie

$\Delta H = (-85) - (+52 + 0) = -85 - 52 = -137\ \text{kJ/mol}$. Reakcja egzotermiczna (uwodornienie etylenu do etanu).

4. [R] Dane: $v = k[\text{A}]^2[\text{B}]$, $k = 0{,}20\ \text{dm}^6\cdot\text{mol}^{-2}\cdot\text{s}^{-1}$, $[\text{A}] = 0{,}30\ \text{mol/dm}^3$, $[\text{B}] = 0{,}50\ \text{mol/dm}^3$. Oblicz $v$.

Pokaż rozwiązanie

$v = 0{,}20 \cdot (0{,}30)^2 \cdot 0{,}50 = 0{,}20 \cdot 0{,}090 \cdot 0{,}50 = 9{,}0 \times 10^{-3}\ \text{mol}\cdot\text{dm}^{-3}\cdot\text{s}^{-1}$.

5. [R] Oblicz pH: (a) $5{,}0 \times 10^{-4}\ \text{mol/dm}^3$ HCl; (b) $2{,}0 \times 10^{-3}\ \text{mol/dm}^3$ NaOH.

Pokaż rozwiązanie

(a) $[\text{H}^+] = 5{,}0 \times 10^{-4}$ → pH = $-\log(5 \times 10^{-4}) = 4 - \log 5 \approx 3{,}30$.

(b) $[\text{OH}^-] = 2{,}0 \times 10^{-3}$ → $[\text{H}^+] = 10^{-14} / (2{,}0 \times 10^{-3}) = 5{,}0 \times 10^{-12}$ → pH = $-\log(5 \times 10^{-12}) \approx 11{,}30$.

6. [R] Reakcja: $\Delta H = +50\ \text{kJ/mol}$, $\Delta S = +150\ \text{J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$. W jakiej temperaturze przechodzi z niesamorzutnej w spontaniczną?

Pokaż rozwiązanie

$\Delta G = 0$: $T = \Delta H / \Delta S = 50,000 / 150 \approx 333\ \text{K} \approx 60°\text{C}$. Powyżej 333 K: $\Delta G < 0$ (spontaniczna, bo $\Delta S > 0$ dominuje przy wysokiej T). Poniżej: niesamorzutna.