- •I курс.
- •Влияние температуры на скорость химической реакции
- •Теоретические представления о механизме химических реакций. Понятие о теории активных соударений.
- •Понятие о теории активированного комплекса (переходного состояния)
- •Катализ
- •Гомогенный катализ
- •Гетерогенный катализ
- •Ферментативный катализ
Министерство здравоохранения и социального развития Российской Федерации
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Саратовский государственный медицинский университет
имени В.И. Разумовского» Министерства здравоохранения и социального
развития Российской Федерации
(ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского
Минздравсоцразвития России)
Методические указания к лабораторно – практическому занятию
для студентов медицинских специальностей
Кинетика и катализ
Дисциплина: общая химия.
I курс.
Очная форма обучения.
Длительность занятия: 90 минут.
Разработка составлена асс. Куликовой Л.Н.
2011 г
Цель занятия:
рассмотреть основные понятия, используемые в кинетике. Научиться рассчитывать концентрацию вещества к заданному моменту времени, константу скорости реакции, время достижения заданной концентрации, время полупревращения. Понять зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ и температуры.
Исходные знания студентов:
Понятие о скорости химической реакции из школьного курса химии. Влияние на скорость реакции различных факторов. Закон действующих масс. Уравнение Вант-Гоффа.
План подготовки:
-
Осмыслить материал лекции №2 «Основные понятия химической кинетики. Классификация реакций в кинетике. Катализ» в соответствии с вопросами для подготовки к занятию (приложение 1).
-
Если определённые участки лекции трудны для понимания, то необходимо обратиться к следующим учебникам:
№п/п |
Авторы |
Название |
Страницы |
1 |
Ершов Ю.А., Попков А.С., Берлянд А.С., Книжник А.З. |
Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов.- М.: Высш. шк.-2000.-560 с. |
391-422 |
2 |
Глинка Н.Л. |
Общая химия. - Л.: Химия.-1978.-720 с. |
170-180 |
3 |
Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. |
Физическая и коллоидная химия.-М.: Высш. шк.-1975.-255 с. |
101-131 |
4 |
Ленский А.С. |
Введение в бионеорганическую и биофизическую химию.- М.: Высш. шк.-1989.-256 с. |
55-79 |
-
Ответить на вопросы для самоконтроля (приложение 2).
-
Выполнить тренировочный тест и проверить правильность выполнения по ключу (приложение 3).
-
Решить ситуационную задачу и сверить полученный ответ с эталоном (приложение 4).
Приложение 1: Вопросы для подготовки к занятию
-
Предмет химической кинетики.
-
Скорость реакции, средняя скорость реакции в интервале, истинная скорость.
-
Классификации реакций, применяющиеся в кинетике: реакции, гомогенные, гетерогенные и микрогетерогенные; реакции простые и сложные (параллельные, последовательные, сопряженные, цепные).
-
Молекулярность элементарного акта реакции.
-
Порядок реакции.
-
Период полупревращения.
-
Зависимость скорости реакции от концентрации. Закон действующих масс.
-
Константа скорости химической реакции.
-
Кинетические уравнения реакций нулевого, первого, второго порядков.
-
Экспериментальные методы определения скорости и константы скорости реакций.
-
Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Температурный коэффициент скорости реакции и его особенности для биохимических процессов.
-
Уравнение Аррениуса. Энергетический профиль реакции; энергия активации.
-
Понятие о теории активных соударений.
-
Роль стерического фактора.
-
Понятие о теории переходного состояния.
-
Катализ. Гомогенный и гетерогенный катализ. Энергетический профиль каталитической реакции.
-
Особенности каталитической активности ферментов. Уравнение Михаэлиса - Ментен и его анализ.
Приложение 2: Вопросы для самоконтроля
-
Что изучает химическая кинетика?
-
Что называется скоростью химической реакции?
-
Напишите выражение для средней скорости реакции. Как она определяется экспериментально?
-
Что собой представляет истинная скорость реакции?
-
По каким признакам классифицируют реакции в кинетике? Приведите эти классификации.
-
Дайте определения понятиям молекулярность, порядок реакции, период полупревращения.
-
Какие факторы влияют на скорость химической реакции?
-
Какова зависимость скорости реакции от концентрации. Сформулируйте основной постулат химической кинетики. Приведите его запись.
-
Что называют константой скорости химической реакции?
-
Запишите кинетические уравнения реакций нулевого, первого, второго порядков.
-
Опишите экспериментальные методы определения скорости и константы скорости реакций.
-
Каким образом увеличение температуры влияет на скорость химической реакции? Сформулируйте правило Вант-Гоффа.
-
Запишите уравнение Аррениуса.
-
Изобразите энергетический профиль реакций с различным тепловым эффектом (энергетическая диаграмма для реакции, протекающей без тепловых эффектов; энергетическая диаграмма для экзотермической реакции, для эндотермической реакции).
-
Что такое энергия активации?
-
Опишите теорию активных соударений (ТАС).
-
Какова роль стерического фактора?
-
Опишите теорию переходного состояния.
-
Дайте определение понятию катализ (гомогенный и гетерогенный катализ). Изобразите энергетический профиль каталитической реакции. Какое влияние оказывает катализатор на выход продуктов реакции?
-
Каковы особенности каталитической активности ферментов? Запишите и проанализируйте уравнение Михаэлиса - Ментен.
Приложение 2: Краткий теоретический материал
Химическая кинетика изучает закономерности протекания химических процессов во времени.
Основные понятия кинетики:
Скорость реакции – это изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени:
.
Поскольку скорость реакции - величина положительная, то “+” ставится, если используется концентрация продуктов реакции, и “-” - для исходных веществ.
Например, для реакции 3H2+N2 = 2NH3.
.
Общая скорость реакции равна скорости реакции по отдельному веществу, деленная на стехиометрический коэффициент, стоящий перед этим веществом в уравнении химической реакции.
Существует понятие средней и истинной скорости реакции.
Средняя скорость в интервале – изменение концентрации реагирующих веществ за некоторый промежуток времени:
,
Средняя скорость относится к средней концентрации
Истинная скорость – изменение концентрации реагирующих веществ в конкретный момент времени и представляет собой предел средней скорости при Dt®0
,
Различают простые и сложные реакции.
Простыми называют реакции, протекающие в одну стадию.
Сложными называют реакции, протекающие в несколько стадий.
Выделяют следующие виды сложных реакций:
-
параллельные;
-
последовательные,
-
сопряженные;
-
цепные.
Основной постулат химической кинетики – закон действующих масс
w=
Скорость реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях. Эти степени называются частными порядками реакции:
p - частный порядок реакции по веществу А,
q - частный порядок реакции по веществу В.
Сумма частных порядков дает полный порядок реакции n: n=p+q.
k - константа скорости реакции, это скорость реакции при концентрации реагирующих веществ, равных единице (удельная скорость).
Молекулярность реакции - число молекул, реагирующих в одном элементарном акте реакции.
Для реакций различных порядков зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ выражается индивидуальным кинетическим уравнением.
1) Реакции нулевого порядка (n=0).
Вид реакции: A®продукт; в этом случае скорость реакции не зависит от концентрации исходного вещества, т.е. концентрация вещества А поддерживается на одном уровне.
Кинетическое уравнение: . или
,
где k0 – константа скорости реакции нулевого порядка;
t – время от начала реакции до достижения концентрации с;
а - концентрация вещества А при t=0,
с - концентрация вещества А в момент времени t .
Размерность k0 определяется выражением k0=w, поэтому .
Время полупревращения t1/2 - время, за которое концентрация исходного вещества уменьшается в 2 раза.
.
2) Реакции первого порядка ( n=1).
Вид реакции: A®продукт;
Кинетическое уравнение: или ,
Размерность константы скорости: k1, [t-1].
Время полупревращения t1/2: .
3) Реакции второго порядка ( n=2).
Вид реакции: A+В®продукт или 2A ®продукт.
Пусть к началу реакциии концентрации исходных веществ равны .
Кинетическое уравнение: или .
Размерность константы скорости: k2, [конц.-1× t-1].
Время полупревращения t1/2: .
Размерность константы скорости: k3, [конц.-2× t-1].
В общем случае .
Экспериментально скорость реакции определяют измерением концентрации реагирующих веществ за определенный промежуток времени с последующим расчетом по формулам средней или истинной скорости реакции.
Константу скорости реакции можно определить представив экспериментальные данные в линейных координатах кинетического уравнения соответствующего порядка.