Prosty model kinetyczny vs trudna rzeczywistość

Piękno chemii (i nie tylko!) polega na tym, że gdy mówimy o pozornie najprostszych sprawach, bardzo często nie dotykamy istoty samego zjawiska. Inaczej mówiąc – nic nie jest takie proste, jak wydaje się być. O tym chciałbym porozmawiać z Tobą dzisiaj.

Warto zdawać sobie sprawę, że wszystko, czego się uczymy, to nie rzeczywistość by herself, a jedynie pewien model rzeczywistości. Bozia nie zdradziła nam, jak wszechrzecz działa (a szkoda)! Widzimy tyle, ile widzimy. Na tej podstawie budujemy różnego rodzaju teorie i modele. Teoria ma sens wtedy, gdy jej przewidywania są zgodne z naszymi obserwacjami. Myślimy wyłącznie naszymi modelami i teoriami, a nie gotowymi przepisami na działanie wszystkiego. Niestety nie dane nam jest znajdowanie gotowych przepisów. Poszerzanie granic poznania (nie: Poznania, hehe) spoczywa na barkach współczesnych naukowców.

Poznaliśmy pewien model reakcji I rzędu oraz model reakcji II rzędu. Właśnie, model! Chciałbym podzielić się z Tobą pewną myślą. Nasza rzeczywistość jest dużo bardziej skomplikowana i tajemnicza, niż niektórzy próbują nam wmówić. Brzmi sekciarsko? Wcale nie!

Pomyśl o tym w ten sposób. Nawet jeżeli reakcja chemiczna, którą prowadzisz, jest prosta i bardzo przewidywalna, nawet jeśli pasuje w sam raz do modelu reakcji I rzędu… To nadal jest to bardzo złożony proces. Fakt, jego wyniki pasują bardzo dobrze do modelu, ale… Czy aby matka natura na pewno wie, że właśnie zachodzi reakcja I rzędu? Albo że tę reakcję trzeba opisać takim a takim równaniem?

Moim zdaniem nie wie. Stąd pochodzi tajemnicze piękno chemii. Dzieją się rzeczy nie-do-zobaczenia gołym okiem i bardzo złożone, a często opisuje się je prostymi modelami. Dlaczego? Dlatego że konsekwencje złożonego procesu (reakcji chemicznej) niekiedy daje się opisać zgrubnie, nie zagłębiając się w każdy szczegół – zgrabnym, prostym równaniem matematycznym. Zauważ jednak, że to równanie (kinetyczne) zupełnie zaniedbuje istotę procesu – nie zagłębia się w to, co się dzieje ze zbliżającymi się do siebie atomami, nie uwzględnia ruchu i zachowań elektronów. A przecież to wszystko dzieje się w trakcie reakcji chemicznej! Ba, często wieloetapowe procesy zbiera się do kupy, opisując je jednym równaniem kinetycznym (przy reakcjach złożonych). Zaniedbujemy to wszystko, a jednak model działa… 🙂

W chemii używamy całe mnóstwo modeli. W kinetyce chemicznej tak samo. Poznaliśmy już modele reakcji I i II rzędu. Ale jak się domyślasz, istnieje mnóstwo modeli reakcji innych rzędów: zerowego, trzeciego, innych rzędów całkowitych, a także rzędów niecałkowitych. Jeżeli uważnie śledziłeś moje wywody z kinetyki, jesteś jednak uratowany – w przypadku reakcji kolejnych rzędów, rozumowanie jest analogiczne do tych przeprowadzanych przeze mnie! Oczywiście najpierw trzeba by zaznajomić się z całkami. Jeżeli jednak potrzebujesz przy tym pomocy, pisz w komentarzu, pomogę! 🙂

Modele reakcji kolejnych rzędów mają jednak pewne istotne ograniczenia. Wydaje mi się, że o nich wspomniałem. Nawet jeśli tak – pora przypomnieć. Przede wszystkim zakładaliśmy, że omawiane reakcje są nieodwracalne. To bardzo ważne, ponieważ mało który proces jest w rzeczywistości nieodwracalny! Można wręcz powiedzieć, że każdy proces chemiczny, ze swojej natury, jest potencjalnie odwracalny. Zablokowanie zachodzenia reakcji w jedną ze stron (właśnie wtedy mówimy o reakcji nieodwracalnej!) jest zawsze spowodowane przez specyficzne warunki, w jakich zachodzi reakcja. Nad tym zastanowimy się przy okazji zadania domowego.

Mało tego, dotychczas rozpatrywaliśmy reakcję chemiczną jako jeden samodzielny proces. Nawet, jeżeli w rzeczywistości jest to reakcja złożona, wieloetapowa, opisywaliśmy ją jednym równaniem. A czy byłoby tak łatwo, gdyby oprócz badanej reakcji mogła zajść jeszcze inna? Gdyby nasz substrat ulegał przemianie w dwie różne substancje równocześnie?

Jeszcze inny problem! Nasz substrat ulega przemianie w pewną substancję, która następnie ulega przemianie w inną. Czy wtedy kinetyka jest tak prosta i oczywista, jak dotychczas?

Co więcej, jeżeli chcemy jakąś reakcję opisać jednym równaniem kinetycznym od początku do końca, musimy upewnić się, że mechanizm reakcji nie zmieni się w trakcie jej zachodzenia, czyli nie zmieni się wraz ze zmianą stężenia substratu. Gdyby taka zmiana następowała, niemal pewne byłoby to, że kinetyka procesu (równanie kinetyczne!) zmienia się w czasie reakcji…

Ostatni problem jest nie do przejścia, wymaga od eksperymentatora wprawy, cierpliwości i bardzo dużej uwagi. Jeżeli w trakcie zachodzenia reakcji zmienia się opisujące ją równanie kinetyczne, trzeba się babrać – robić wszystko na piechotę. Wszystkie pozostałe sytuacje można jednak opisać… 3… 2… 1… Tak! Kolejnymi modelami. 🙂

  • Jeżeli reakcja może zachodzić w dwie strony, to nazywamy ją reakcją odwracalną i zastosowujemy model kinetyczny o takiej samej nazwie – model reakcji odwracalnej.
  • Jeżeli jedna substancja może ulegać jednocześnie (równolegle) wielu reakcjom chemicznym (prowadzącym do otrzymywania różnych produktów), da się to opisać za pomocą modelu reakcji równoległych.
  • Jeżeli nasz substrat ulega jednej przemianie, a produkt ulega następnie kolejnej reakcji chemicznej, stosujemy model reakcji następczych.

Wszystkie te modele są stosunkowo proste do opisania i stosowania. W kolejnych artykułach prześledzimy je wszystkie krok po kroku. Tymczasem odsyłam do zadania domowego – warto się nad nim pochylić. Jak zwykle. 🙂 Do następnego razu!

 

Zadania do domu

  1. Do otwartego tygla wprowadzamy niewielką ilość stałego węglanu wapnia ($\mathrm{CaCO_3}$). Sól tę prażymy następnie w temperaturze około 1200 °C. Jaka reakcja chemiczna zachodzi? Jak sądzisz, jest to proces odwracalny czy nieodwracalny? Uzasadnij swój wybór.
  2. Reakcję z Zadania 1. prowadzi się w inny sposób – praży się względnie dużą ilość węglanu wapnia w zamkniętym reaktorze. Jakiego typu (rozważając odwracalność) reakcja zachodzi? Uzasadnij swój wybór. Porównując odpowiedzi do Zadania 1. oraz Zadania 2., sformułuj wniosek dotyczący odwracalności reakcji.
  3. W pewnym procesie zachodzi reakcja chemiczna: $\mathrm{A\longrightarrow B\longrightarrow C}$. Jaki model kinetyczny należy zastosować, aby móc przewidzieć zmiany stężenia substancji B w zależności od czasu? Jak myślisz (intuicyjnie!), jak będzie zmieniać się to stężenie? Uzasadnij swoją odpowiedź.
  4. W przemyśle przeprowadza się proces tzw. konwersji metanu z parą wodną. Istotą procesu jest otrzymywanie wodoru z metanu (traktowanego jago główny substrat) oraz pary wodnej (traktowanej jako reagent pomocniczy). Spośród wielu reakcji chemicznych mogących zachodzić w warunkach procesu, największe znaczenie mają dwie reakcje odwracalne:
    a) synteza wodoru i tlenku węgla (II) z metanu i pary wodnej,
    b) dalsza przemiana CO i wody do wodoru i tlenku węgla (IV).
    Napisz równania obu reakcji chemicznych. Pamiętaj o ich odpowiednim zbilansowaniu i uwzględnieniu informacji o reakcjach, podanych w treści zadania. Jak sądzisz, jaki model kinetyczny należałoby zastosować do opisu procesu konwersji metanu z parą wodną, przebiegającego wyłącznie wg dwóch powyższych reakcji? Uzasadnij swoją odpowiedź.

Pokaż rozwiązania

Rozwiązania

  1. Zachodzi rozkład termiczny węglanu wapnia, zgodnie z równaniem:
    $!\mathrm{CaCO_3\xrightarrow{\ \ \ T\ \ \ }CaO+CO_2(\uparrow )}$Kluczem do odpowiedzi na ostatnie pytanie jest strzałka do góry, celowo umieszczona przeze mnie w równaniu. W warunkach przemysłowych, a także w tych z treści zadania, dwutlenek węgla dostaje się do atmosfery i w znacznej części dyfunduje z obszaru reakcyjnego. Jeżeli traktować tę przemianę odwracalną, to usuwanie $\mathrm{CO_2}$ (produktu!) stanowi siłę napędową tego procesu i w konsekwencji decyduje o jego nieodwracalności.
  2. W przypadku zamkniętego reaktora, w którym praży się względnie duża ilość węglanu, oprócz procesu prażenia teoretycznie może zachodzić (znana Tobie z gimnazjum!) reakcja odwrotna:
    $!\mathrm{CaO+CO_2\longrightarrow CaCO_3}$Cały dwutlenek węgla powstający w reakcji pozostaje we względnie bliskim otoczeniu prażonego węglanu. W związku z tym ma istotny wpływ na położenie stanu równowagi, więc także – na potencjalny odwracalny charakter reakcji.
    Co prawda na nieodwracalność procesu prażenia w rzeczywistości wpływają także inne czynniki, to jednak wniosek dotyczący odwracalności jest dość oczywisty: na odwracalność (bądź nie) procesu ogromny wpływ mają warunki prowadzenia reakcji. Niemal każdy proces jest potencjalnie odwracalny, tylko szczególne warunki mogą sprawić, że zachodzenie reakcji w jedną ze stron będzie utrudnione lub niemożliwe.
  3. Jest to typowy przykład reakcji następczych. Ogólnie, jeżeli nie jesteśmy przekonani o możliwości dalszych uproszczeń, należy zastosować właśnie taki model kinetyczny – rozwiązując równania kinetyczne obu tych reakcji, można wyprowadzić zależność na stężenie substancji B w funkcji czasu.
    Jeżeli założyć, że reakcje $\mathrm{A\longrightarrow B}$ oraz $\mathrm{B\longrightarrow C}$ mają podobnej wielkości stałe szybkości, to można stwierdzić, że w początkowej fazie procesu substancja B będzie powstawała z A znacznie szybciej, niż C z B. Aby się o tym przekonać, napisz odpowiednie równania kinetyczne. Dalej jednak, w miarę jak substancji A będzie ubywać, a B przybywać, sytuacja będzie dokładnie odwrotna! Związek C będzie powstawał z B znacznie szybciej, niż B ze związku A. Wobec tego należy się spodziewać, że początkowo stężenie związku B będzie rosło, osiągnie jakąś wartość maksymalną, po czym zacznie spadać. Czy rzeczywiście tak jest? Odpowiedź poznamy w jednym z kolejnych artykułów. 🙂
  4. Równania wyglądają następująco:
    $!\mathrm{CH_4 + H_2O\rightleftharpoons CO + 3\ H_2\\ CO + H_2O\rightleftharpoons CO_2+H_2}$Wskazówką do zadania był fakt, że głównym substratem. Jest to ponownie przykład reakcji następczej! Nietypowy, ale jednak. Pożądany produkt (wodór) uzyskuje się bezpośrednio w reakcji metanu, ale także w reakcji tlenku węgla (II), który z metanu powstaje. Nietypowość z pewnością skomplikuje obliczenia, tym jednak nie musimy się przejmować. Ważne, żeby rozpoznać ten typ reakcji w tym mało typowym przykładzie. 🙂

Problem z zadaniem domowym? Potrzebujesz dodatkowych wyjaśnień? Już niebawem znajdziesz tutaj filmik video, dzięki któremu zadania rozwiążemy razem, krok po kroku. Zaglądaj regularnie!