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

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

Reakciókinetika C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O (g) ΔG0 = -3182 kJ 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 !

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.

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.

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

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

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

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

Szén-monoxid és szénhidrogén koncentráció csökkentése forduló kamrával

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.

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

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

Hármas hatású katalizátor

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

Példa az igen gyors kémiai reakciókra Légzsák: 2 NaN3 = 2 Na + 3 N2 a 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

2CH3COOH + CaCO3 = Ca(CH3COO)2 + H2O + CO2 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

Homeopátiás gyógyszerek ? Elve: A hatóanyagot olyan mértékben kell hígítani pl.: vízzel, hogy a kész „gyógyszerben” már csak néhány molekula vagy annyi se 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