Κεφάλαιο 3.2 – Παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα αντίδρασης. Καταλύτες (σελ. 90-97) – Απαντήσεις – Λύσεις
Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα
Άσκηση 7 (σελ. 91)
Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την ταχύτητα μιας αντίδρασης;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση της λίστας παραγόντων.
Απάντηση: Η συγκέντρωση των αντιδρώντων, η πίεση (αν υπάρχουν αέρια αντιδρώντα), η επιφάνεια επαφής των στερεών, η θερμοκρασία, οι ακτινοβολίες και οι καταλύτες.
Άσκηση 8 (σελ. 91)
Πώς μεταβάλλεται η ταχύτητα μιας αντίδρασης αν αυξηθούν οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση επίδρασης συγκέντρωσης.
Απάντηση: Η ταχύτητα αυξάνεται, αφού η αύξηση της συγκέντρωσης αυξάνει τον αριθμό των αποτελεσματικών συγκρούσεων μεταξύ των αντιδρώντων μορίων.
Άσκηση 9 (σελ. 91)
Σε ποιες αντιδράσεις η μεταβολή της πίεσης επηρεάζει την ταχύτητα αντίδρασης;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση προϋπόθεσης επίδρασης πίεσης.
Απάντηση: Μόνο σε αντιδράσεις όπου συμμετέχει τουλάχιστον ένα αέριο αντιδρών· τότε η αύξηση της πίεσης (με ελάττωση όγκου) αυξάνει τη συγκέντρωσή του, άρα και την ταχύτητα.
Άσκηση 10 (σελ. 91)
Πώς επιδρά η αύξηση της επιφάνειας στερεού αντιδρώντος στην ταχύτητα της αντίδρασης;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση επίδρασης επιφάνειας επαφής.
Απάντηση: Η αύξηση της επιφάνειας επαφής (π.χ. λεπτός διαμερισμός σε σκόνη) αυξάνει τον αριθμό των ενεργών συγκρούσεων στη μονάδα του χρόνου, άρα αυξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης.
Άσκηση 11 (σελ. 91)
Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία των αντιδρώντων τι μεταβολή παρατηρείται στην ταχύτητα της αντίδρασης;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση επίδρασης θερμοκρασίας μέσω κατανομής Maxwell-Boltzmann.
Απάντηση: Η ταχύτητα αυξάνεται, καθώς αυξάνεται η μέση κινητική ενέργεια των μορίων και άρα το ποσοστό των μορίων με ενέργεια μεγαλύτερη της ενέργειας ενεργοποίησης — σε πολλές περιπτώσεις, αύξηση κατά 10 °C διπλασιάζει την ταχύτητα.
Άσκηση 12 (σελ. 91)
Τι ονομάζεται καταλύτης;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού.
Απάντηση: Καταλύτης ονομάζεται μια ουσία η οποία, με την παρουσία της σε μικρά ποσά, αυξάνει την ταχύτητα μιας αντίδρασης, ενώ στο τέλος της αντίδρασης παραμένει ουσιαστικά αμετάβλητη τόσο στη μάζα όσο και στη χημική της σύσταση.
Άσκηση 13 (σελ. 91)
Τι ονομάζεται ομογενής κατάλυση και τι ετερογενής κατάλυση; Αναφέρατε ένα παράδειγμα σε κάθε περίπτωση.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Το κριτήριο διάκρισης είναι αν ο καταλύτης βρίσκεται στην ίδια φάση με τα αντιδρώντα ή όχι.
Απάντηση: Ομογενής κατάλυση: ο καταλύτης και τα αντιδρώντα βρίσκονται στην ίδια φάση — π.χ. οξείδωση CO σε CO₂ με καταλύτη H₂O(g): CO(g)+½O₂(g) →[H₂O(g)] CO₂(g). Ετερογενής κατάλυση: ο καταλύτης βρίσκεται σε άλλη φάση από τα αντιδρώντα — π.χ. σύνθεση NH₃ με καταλύτη στερεό Fe: N₂(g)+3H₂(g) →[Fe] 2NH₃(g).
Άσκηση 14 (σελ. 91)
Τι ονομάζεται αυτοκατάλυση; Δώστε ένα παράδειγμα.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού αυτοκατάλυσης.
Απάντηση: Αυτοκατάλυση ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο ένα από τα προϊόντα μιας αντίδρασης δρα ως καταλύτης της ίδιας αντίδρασης. Παράδειγμα: στην οξείδωση του οξαλικού οξέος (COOH)₂ με KMnO₄ παρουσία H₂SO₄, το Mn²⁺ που σχηματίζεται δρα ως καταλύτης — γι' αυτό ο αποχρωματισμός του διαλύματος αρχικά είναι αργός και στη συνέχεια επιταχύνεται απότομα.
Άσκηση 15 (σελ. 91)
Τι είναι ένζυμα ή βιοκαταλύτες και ποια είναι τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των ενζύμων σε σχέση με τους άλλους καταλύτες;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση ορισμού και χαρακτηριστικών ενζύμων.
Απάντηση: Τα ένζυμα είναι ουσίες πολύπλοκης δομής που καταλύουν βιοχημικές αντιδράσεις στους ζώντες οργανισμούς. Ιδιαίτερα χαρακτηριστικά: (1) πολύπλοκη δομή, συνήθως πρωτεϊνικής φύσης με σχετική μοριακή μάζα 10⁵-10⁶· (2) πολύ εξειδικευμένη δράση (σχέση «κλειδί-κλειδαριά»)· (3) η δράση τους επηρεάζεται από θερμοκρασία (αδρανοποιούνται πάνω από 50 °C) και pH· (4) είναι πολύ πιο αποτελεσματικά από τους συνηθισμένους καταλύτες (επιταχύνουν αντιδράσεις 10⁶-10⁸ φορές).
Άσκηση 16 (σελ. 91)
Ποιες είναι οι σημαντικότερες θεωρίες κατάλυσης;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση των δύο θεωριών.
Απάντηση: Η θεωρία των ενδιάμεσων προϊόντων (ο καταλύτης σχηματίζει προσωρινά ένα ενδιάμεσο προϊόν με ένα αντιδρών και αναγεννάται σε επόμενο στάδιο) και η θεωρία της προσρόφησης (τα αντιδρώντα προσροφώνται στα ενεργά κέντρα της επιφάνειας ενός στερεού καταλύτη, όπου οι δεσμοί τους εξασθενούν, υποβοηθώντας την αντίδραση — ερμηνεύει την ετερογενή κατάλυση).
Άσκηση 34 (σελ. 94)
Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ταχύτητα της αντίδρασης επειδή: (α) η συχνότητα των συγκρούσεων των μορίων μεγαλώνει (β) οι συγκρούσεις των μορίων είναι πιο βίαιες (γ) μεγαλύτερο ποσοστό μορίων έχει την ελάχιστη ενέργεια, ώστε να δώσει αποτελεσματικές συγκρούσεις (δ) οι δεσμοί των μορίων χαλαρώνουν.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Η βασική επίδραση της θερμοκρασίας, σύμφωνα με την κατανομή Maxwell-Boltzmann, είναι η μετατόπιση του ποσοστού μορίων με ενέργεια πάνω από την Ea, όχι απλώς η συχνότητα των συγκρούσεων.
Λύση:
- Η αύξηση της συχνότητας συγκρούσεων (α) υπάρχει αλλά είναι δευτερεύουσα· η κύρια αιτία είναι ότι μεγαλύτερο ποσοστό μορίων αποκτά ενέργεια μεγαλύτερη της ενέργειας ενεργοποίησης, άρα οι συγκρούσεις γίνονται πιο αποτελεσματικές.
Απάντηση: γ. Μεγαλύτερο ποσοστό μορίων έχει την απαιτούμενη ελάχιστη ενέργεια, ώστε να δώσει αποτελεσματικές συγκρούσεις.
Άσκηση 35 (σελ. 94)
Αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 °C θεωρούμε ότι διπλασιάζει την ταχύτητα της αντίδρασης A(g) → B(g)+Γ(g). Αν σε θερμοκρασία 40 °C η αρχική ταχύτητα είναι υ, σε θερμοκρασία 80 °C και για σταθερή συγκέντρωση του Α η ταχύτητα θα είναι: (α) 8υ (β) 16υ (γ) 4υ (δ) 80υ.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Από 40°C σε 80°C υπάρχουν 4 αυξήσεις των 10°C, άρα η ταχύτητα διπλασιάζεται 4 φορές διαδοχικά.
Λύση:
- Αριθμός διπλασιασμών = (80-40)/10 = 4. Νέα ταχύτητα = υ×2⁴ = 16υ.
Απάντηση: β. 16υ.
Άσκηση 38 (σελ. 94)
Να συμπληρωθούν τα κενά: (α) Η αύξηση της επιφάνειας επαφής του στερεού προκαλεί … της ταχύτητας γιατί στην περίπτωση αυτή … ο αριθμός των … συγκρούσεων των αντιδρώντων. (β) Η μεταβολή της πίεσης επηρεάζει την ταχύτητα της αντίδρασης μόνο στην περίπτωση κατά την οποία μεταξύ των αντιδρώντων υπάρχει … . Αυτό συμβαίνει επειδή στα αέρια η μεταβολή της πίεσης μεταβάλλει ανάλογα τη … . (γ) Η κατάλυση χαρακτηρίζεται … όταν σε άλλη φάση βρίσκονται τα αντιδρώντα σώματα και σε άλλη ο … . (δ) Τα ένζυμα έχουν … δράση, δηλαδή ένα ένζυμο για … .
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανάκληση των αντίστοιχων ορισμών από τις παραγράφους για επιφάνεια επαφής, πίεση, ετερογενή κατάλυση και εξειδίκευση ενζύμων.
Λύση:
- (α) «αύξηση»· «αυξάνεται»· «ενεργών/αποτελεσματικών».
- (β) «αέριο» (τουλάχιστον ένα αέριο αντιδρών)· «συγκέντρωση».
- (γ) «ετερογενής»· «καταλύτης».
- (δ) «εξειδικευμένη»· «συγκεκριμένο υπόστρωμα/μια συγκεκριμένη αντίδραση» (σχέση κλειδί-κλειδαριά).
Απάντηση: (α) αύξηση - αυξάνεται - ενεργών. (β) αέριο - συγκέντρωση. (γ) ετερογενής - καταλύτης. (δ) εξειδικευμένη - συγκεκριμένο υπόστρωμα (σχέση κλειδί-κλειδαριά).
Άσκηση 39 (σελ. 94)
Ποια από τις παρακάτω προτάσεις εξηγεί σωστά τη δράση ενός καταλύτη; (α) Αυξάνει την απόδοση της αντίδρασης (β) Αυξάνει την κινητική ενέργεια των μορίων των αντιδρώντων (γ) Δίνει ένα άλλο μηχανισμό στην αντίδραση (δ) Παρεμποδίζει την αμφίδρομη αντίδραση.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ο καταλύτης δρα δημιουργώντας εναλλακτική πορεία (μηχανισμό) με μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης — δεν μεταβάλλει ούτε την απόδοση ούτε την κινητική ενέργεια των μορίων.
Λύση:
- Ο καταλύτης δεν επηρεάζει το ποσοστό μετατροπής (απόδοση) ούτε την κινητική ενέργεια των μορίων· προσφέρει μια νέα πορεία (μηχανισμό) με χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποίησης.
Απάντηση: γ. Δίνει ένα άλλο μηχανισμό στην αντίδραση.
Άσκηση 40 (σελ. 94)
Να εξηγήσετε αν ισχύουν ή όχι οι προτάσεις: (α) Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ταχύτητα μόνο των ενδόθερμων αντιδράσεων. (β) Η αντίδραση 3A(g)+2B(g) → Γ(g)+4Δ(g) είναι 5ης τάξης. (γ) Η απλή αντίδραση A(g)+2B(g) → Γ(g)+Δ(g) είναι 3ης τάξης. (δ) Οι μονάδες της σταθεράς ταχύτητας k για όλες τις αντιδράσεις είναι mol⁻¹ L s⁻¹. (ε) Επειδή η αύξηση της θερμοκρασίας κατά 10 °C διπλασιάζει την ταχύτητα, η αύξηση κατά 100 °C εικοσαπλασιάζει την ταχύτητα.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Η θερμοκρασία αυξάνει την ταχύτητα ανεξαρτήτως θερμοδυναμικού χαρακτήρα· η τάξη προσδιορίζεται πειραματικά, όχι από τη στοιχειομετρία, εκτός αν η αντίδραση δηλώνεται απλή· οι μονάδες του k εξαρτώνται από την τάξη· ο διπλασιασμός ανά 10°C είναι εκθετικός, όχι γραμμικός.
Λύση:
- (α) Λάθος: η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ταχύτητα τόσο των ενδόθερμων όσο και των εξώθερμων αντιδράσεων, αφού πάντα αυξάνει το ποσοστό μορίων με ενέργεια πάνω από την Ea.
- (β) Λάθος: η τάξη δεν προκύπτει από τους στοιχειομετρικούς συντελεστές της χημικής εξίσωσης παρά μόνο πειραματικά (εκτός αν δηλωθεί ρητά ότι η αντίδραση είναι απλή).
- (γ) Σωστό: αφού δηλώνεται ρητά ότι η αντίδραση είναι απλή, οι εκθέτες ταυτίζονται με τους συντελεστές 1 και 2, άρα η τάξη είναι 1+2=3.
- (δ) Λάθος: οι μονάδες του k εξαρτώνται από τη συνολική τάξη της αντίδρασης (π.χ. s⁻¹ για 1ης τάξης, mol⁻¹ L s⁻¹ μόνο για 2ης τάξης).
- (ε) Λάθος: η αύξηση κατά 100°C αντιστοιχεί σε 10 διαδοχικούς διπλασιασμούς (100/10), άρα η ταχύτητα γίνεται 2¹⁰=1024 φορές μεγαλύτερη, όχι 20 φορές (ο διπλασιασμός είναι εκθετικός, όχι γραμμικός φαινόμενο).
Απάντηση: (α) Όχι. (β) Όχι. (γ) Ναι. (δ) Όχι. (ε) Όχι (θα γινόταν 2¹⁰=1024 φορές μεγαλύτερη, όχι 20 φορές).
Άσκηση 53 (σελ. 98)
Όταν περίσσεια σκόνης MgCO₃ προστεθεί σε 50 mL διαλύματος HCl 1 M, γίνεται η μονόδρομη αντίδραση MgCO₃+2HCl → MgCl₂+H₂O+CO₂↑. Να προβλέψετε την επίδραση των παρακάτω μεταβολών (i-vi) στην (α) αρχική ταχύτητα [βραδύτερη/ταχύτερη/ίδια] και (β) στον συνολικό όγκο CO₂ [μικρότερος/μεγαλύτερος/ίδιος]: i. Ίδια ποσότητα MgCO₃ σε μεγαλύτερους κόκκους σκόνης. ii. 1 g NaOH διαλύεται στο οξύ πριν την προσθήκη MgCO₃. iii. 50 mL HCl 2 M αντί 50 mL HCl 1 M. iv. 25 mL HCl 2 M αντί 50 mL HCl 1 M. v. Ίσος όγκος νερού προστίθεται στο οξύ πριν την προσθήκη MgCO₃. vi. 100 mL HCl 1 M αντί 50 mL HCl 1 M.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Το HCl είναι πάντα ο περιοριστικός αντιδραστήριος (το MgCO₃ είναι σε περίσσεια), άρα ο τελικός όγκος CO₂ καθορίζεται από τα mol HCl. Η αρχική ταχύτητα εξαρτάται από την επιφάνεια επαφής και τη συγκέντρωση HCl.
Λύση:
- i. Μεγαλύτεροι κόκκοι ⟹ μικρότερη επιφάνεια επαφής ⟹ βραδύτερη ταχύτητα· τα mol HCl δεν αλλάζουν ⟹ ίδιος όγκος CO₂.
- ii. Το NaOH εξουδετερώνει μέρος του HCl πριν αντιδράσει με το MgCO₃ ⟹ μικρότερη διαθέσιμη συγκέντρωση/mol HCl ⟹ βραδύτερη ταχύτητα και μικρότερος όγκος CO₂.
- iii. Ίδιος όγκος (50 mL) αλλά διπλάσια συγκέντρωση (2 Μ) ⟹ διπλάσια mol HCl (0,1 mol) και μεγαλύτερη συγκέντρωση ⟹ ταχύτερη αντίδραση και μεγαλύτερος όγκος CO₂.
- iv. 25 mL×2M=0,05 mol HCl, ίδια mol με τα αρχικά 50 mL×1M=0,05 mol, αλλά η συγκέντρωση παραμένει 2Μ (μεγαλύτερη) ⟹ ταχύτερη αντίδραση, αλλά ίδια συνολικά mol HCl ⟹ ίδιος όγκος CO₂.
- v. Ίσος όγκος νερού προστίθεται ⟹ τα mol HCl παραμένουν ίδια (0,05 mol) αλλά η συγκέντρωση μειώνεται στο μισό ⟹ βραδύτερη αντίδραση, ίδιος συνολικός όγκος CO₂.
- vi. Διπλάσιος όγκος (100 mL) ίδιας συγκέντρωσης (1Μ) ⟹ ίδια συγκέντρωση HCl (άρα ίδια αρχική ταχύτητα) αλλά διπλάσια mol HCl (0,1 mol) ⟹ μεγαλύτερος όγκος CO₂.
Απάντηση: i. βραδύτερη - ίδιος. ii. βραδύτερη - μικρότερος. iii. ταχύτερη - μεγαλύτερος. iv. ταχύτερη - ίδιος. v. βραδύτερη - ίδιος. vi. ίδια - μεγαλύτερος.
Άσκηση 55 (σελ. 98)
Ποια από τις παρακάτω γραφικές παραστάσεις αντιπροσωπεύει την ταχύτητα μιας ενζυμικά καταλυόμενης αντίδρασης σε συνάρτηση με την αύξηση της θερμοκρασίας; Επιλογές: (1) ευθεία αύξουσα γραμμή, (2) καμπύλη που αυξάνει και τείνει σε πλατό, (3) καμπανοειδής καμπύλη (αυξάνει μέχρι μέγιστο και μετά μειώνεται), (4) καμπύλη που αρχικά αυξάνει λίγο και μετά απότομα.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Τα ένζυμα, όντας πρωτεϊνικής φύσης, αδρανοποιούνται πάνω από τους 50 °C — η ταχύτητα αρχικά αυξάνεται με τη θερμοκρασία (όπως κάθε αντίδραση) αλλά μετά από ένα βέλτιστο σημείο μειώνεται απότομα λόγω αποδιάταξης του ενζύμου.
Λύση:
- Η μορφή (3), καμπανοειδής, αποδίδει σωστά την αρχική αύξηση της ταχύτητας με τη θερμοκρασία και την επακόλουθη μείωσή της πάνω από τη βέλτιστη θερμοκρασία λειτουργίας του ενζύμου, λόγω θερμικής αποδιάταξης (denaturation) της πρωτεΐνης.
Απάντηση: γ. (3) — καμπανοειδής καμπύλη με μέγιστο στη βέλτιστη θερμοκρασία του ενζύμου.