kemiallinen kinetiikka

kemiallinen kinetiikka

saatat tuntea happo-emästitraatiot, joissa fenoliftaleiinia käytetään päätetapahtuman indikaattorina. Et ehkä ole huomannut, kuitenkin, mitä tapahtuu, kun liuos, joka sisältää fenoliftaleiinia läsnä ollessa ylimääräinen pohja saa seistä muutaman minuutin. Vaikka liuoksessa on aluksi vaaleanpunainen väri, se muuttuu vähitellen värittömäksi fenoliftaleiinin reagoidessa voimakkaasti emäksisessä liuoksessa olevan OH – ionin kanssa.

alla olevasta taulukosta selviää, mitä tapahtuu liuoksen fenoliftaleiinipitoisuudelle, joka oli aluksi 0,005 M fenoliftaleiinissa ja 0,61 M OH-ionissa. Kuten näet, kun nämä tiedot piirretään alla olevaan kaavioon, fenoliftaleiinikonsentraatio laskee kertoimella 10 noin neljän minuutin aikana.

Experimental Data for the Reaction Between Phenolphthalein and ExcessBase

sellaiset kokeet, joista saimme yllä olevan taulukon tiedot, on luokiteltu kemiallisen kinetiikan mittauksiksi (kreikankielisestä varresta, joka tarkoittaa ”tomove”). Yksi näiden kokeiden tavoitteista on kuvata reaktionopeus, jolla reaktantit muuttuvat reaktion tuotteiksi.

termiä korko käytetään usein kuvaamaan kvantiteetin muutosta, joka tapahtuu aikayksikköä kohti. Inflaatiovauhti on esimerkiksi vakioerien perusvuosikeräyksen keskimääräisten kustannusten muutos. Nopeus, jolla objekti kulkee avaruuden läpi, on matka, joka kuljetaan aikayksikköä kohti, kuten mailia tunnissa orkilometrejä sekunnissa. Kemiallisessa kinetiikassa kuljettu matka on reaktion yhden komponentin konsentraation muutos. Reaktion nopeus on siis jonkin reagoivan aineen pitoisuuden muutos(X), joka tapahtuu tiettynä ajanjaksonat.

käytännön ongelma 1:

käytä yllä olevan taulukon tietoja laskeaksesi nopeuden, jolla fenoliftaleiini reagoi oh – ionin kanssa jokaisena seuraavista jaksoista:

(a) ensimmäisen aikajakson aikana, jolloin fenoliftaleiinipitoisuus laskee 0,0050 metristä 0,0045 metriin.

(b) toisen jakson aikana, kun pitoisuus laskee 0, 0045 metristä 0, 0040 metriin.

(c) kolmannen jakson aikana, kun pitoisuus laskee 0, 0040 metristä 0, 0035 metriin.

Klikkaa tästä tarkistaaksesi vastauksesi käytännön ongelmaan 1.

Klikkaa tästä nähdäksesi ratkaisun käytännön ongelmaan 1.

reaktion hetkellinen nopeus ja RateLaw

fenoliftaleiinin ja OH-ionin välisen reaktion nopeus ei ole vakio, vaan se muuttuu ajan myötä. Kuten useimmat reaktiot, tämän reaktion nopeus vähenee asteittain, kun reaktantit kulutetaan. Tämä tarkoittaa, että reagointinopeus muuttuu, kun sitä mitataan.

tämän mittauksiimme tuoman virheen minimoimiseksi on suositeltavaa mitata reaktionopeus lyhyinä ajanjaksoina verrattuna reaktioon kuluvaan aikaan. Voisimme esimerkiksi yrittää mitata äärettömän pientä muutosta pitoisuudessad(X), joka tapahtuu äärettömän lyhyen ajan kuluessa. Näiden yhtäläisyyksien suhde tunnetaan hetkellisenä reaktionopeutena.

hetkellinen reaktionopeus minä tahansa ajan hetkenä voidaan laskea reaktantin (tai tuotteen) pitoisuuden ja ajan kuvaajasta. Kuvaaja osoittaa, miten fenoliftaleiinin hajoamisen reaktionopeus voidaan laskea konsentraation ja ajan kuvaajasta. Reaktionopeus minään hetkenä on yhtä suuri kuin käyrälle piirretyn tangentin kulmakerroin kyseisellä hetkellä.

hetkellinen reaktionopeus voidaan mitata milloin tahansa reaktiomentin välillä, jolloin reaktantit sekoittuvat ja reaktio saavuttaa tasapainon.Kun nämä tiedot ekstrapoloidaan reagenssien sekoittumisajankohtaan, saadaan reaktion alkunopeus.

Nopeuslait ja Nopeusvakiot

mielenkiintoinen tulos saadaan, kun hetkellinen taantumisnopeus lasketaan käyrän eri kohdissa edeltävän jakson kuvaajassa. Reaktionopeus jokaisessa tämän käyrän pisteessä on suoraan proportionaalinen fenoliftaleiinin pitoisuuteen kyseisellä hetkellä.

Rate = k(fenoliftaleiini)

koska tämä yhtälö on kokeellinen laki, joka kuvaa reaktion nopeutta, sitä kutsutaan reaktion nopeuslaiksi. Suhteellisuusvakio, k, tunnetaan nopeusvakiona.

käytännön ongelma 2:

laske nopeusvakio fenoliftaleiinin ja OH – ionin väliselle reaktiolle, jos hetkellinen reaktionopeus on 2.5 x 10-5 moolia litrassa sekunnissa, kun fenoliftaleiinin pitoisuus on 0,0025 M.

Klikkaa tästä tarkistaaksesi vastauksesi käytännön ongelmaan 2.

Klikkaa tästä nähdäksesi ratkaisun käytännön ongelmaan 2.

käytännön ongelma 3:

käytä fenoliftaleiinin ja OH – ionin välisen reaktion nopeusvakiota laskeaksesi reaktion hetkellisen alkunopeuden edellisessä taulukossa luetelluille kokeellisille tiedoille.

Klikkaa tästä tarkistaaksesi vastauksesi käytännön ongelmaan 3.

Klikkaa tästä nähdäksesi ratkaisun käytännön ongelmaan 3.

erilaisia tapoja ilmaista reaktionopeus

on yleensä useampi kuin yksi tapa mitata reaktionopeus. Wecan tutkii vetyjodidin hajoamista esimerkiksi mittaamalla nopeutta, jolla seuraavassa reaktiossa muodostuu joko H2 tai I2 tai theraattia, jolla HI kulutetaan.

2 HI(g) H2(g) + I2(g)

kokeellisesti toteamme, että nopeus, jolla I2 muodostuu, on ISPROPORTIAALINEN HI-pitoisuuden neliöön minä tahansa hetkenä.

Mitä tapahtuisi, jos tutkisimme nopeutta, jolla H2 muodostuu?Tasapainotettu yhtälö ehdottaa, että H2 ja I2 on muodostettava atexactly samalla nopeudella.

Mitä kuitenkin tapahtuisi, jos tutkisimme nopeutta, jolla HI kuluu tähän reaktioon? Koska HI kulutetaan, sen pitoisuuden muutoksen on oltava anegatiivinen luku. Tavan mukaan reaktionopeus ilmoitetaan aina positiivisena lukuna. Meidän on siis vaihdettava merkkiä ennen kuin raportoimme reaktiossa kuluvan areaktantin reaktionopeuden.

negatiivinen merkki tekee kaksi asiaa. Matemaattisesti se muuntaa HI-pitoisuuden negatiivisen muutoksen positiiviseksi nopeudeksi. Fyysisesti se muistuttaa meitä siitä, että reagoijan keskittyminen vähenee ajan myötä.

mikä on H2: n tai I2: n muodostumista tarkkailemalla saadun reaktionopeuden ja hi: n katoamisen välinen suhde? Reaktion stoikiometriassa sanotaan, että jokaista tuotettua H2-tai I2-molekyyliä kohden on kaksi HI-molekyyliä. Tämä tarkoittaa, ettähi: n hajoamisnopeus on kaksi kertaa niin nopea kuin H2: n ja i2: n muodostumisnopeus. Voimme kääntää tämän suhteen matemaattiseksi yhtälöksi seuraavasti.

tämän seurauksena nopeusvakio, joka saadaan tutkimalla nopeutta, jolla H2 ja I2 muodostuvat tässä reaktiossa (k), ei ole sama kuin nopeusvakio, joka saadaan seuraamalla nopeutta, jolla HI kulutetaan (k’)

käytännön ongelma 4:

laske nopeus, jolla HI katoaa seuraavassa reaktiossa hetkellä, jolloin I2: ta muodostuu nopeudella 1,8 x 10-6 moolia litrassa sekunnissa:

2 HI(g) H2(g) + I2(g)

Klikkaa tästä tarkistaaksesi vastauksesi käytännön ongelmaan 4.

Klikkaa tästä nähdäksesi ratkaisun käytännön ongelmaan 4.

Nopeuslaki vs. areaktion Stoikiometria

1930-luvulla Sir Christopher Ingold työtovereineen tutki Londonin yliopistossa substituutioreaktioiden kinetiikkaa mm.

CH3Br(aq) + OH-(aq) ch3oh(Aq) + Br-(aq)

he havaitsivat, että tämän reaktion nopeus on verrannollinen molempien vaikuttajien keskittymiin.

Rate = k(CH3Br)(OH -)

kun he tekivät samanlaisen reaktion hieman erilaisella starttimateriaalilla, he saivat samanlaisia tuotteita.

(CH3)3cbr(aq) + OH-(aq) (CH3)3COH(aq) + Br-(aq)

mutta nyt reaktionopeus oli verrannollinen vain yhden reaktantin pitoisuuteen.

Rate = k((CH3)3CBr)

nämä tulokset havainnollistavat tärkeää asiaa: areaktion nopeuslakia ei voida ennustaa reaktion stoikiometriasta, vaan se on määritettävä kokeellisesti. Joskus nopeuden laki on yhdenmukainen sen kanssa, mitä odotamme reaktion stoikiometrialta.

2 HI(g) H2(g) + I2(g)

Rate = k(HI)2

Often, however, it is not.

molekulaarisuusjärjestys

jotkut reaktiot tapahtuvat yhdessä vaiheessa. Reaktio, jossa klooriatomi siirtyy ClNO2: sta NO: ksi muodostaen NO2: ta ja ClNO on hyvä esimerkki yksivaiheisesta reaktiosta.

ClNO2(g) + NO(g) NO2(g) + ClNO(g)

Other reactions occur by a series of individual steps. N2O5,for example, decomposes to NO2 and O2 by a three-step mechanism.

reaktion vaiheet luokitellaan MOLEKULAARISUUDEN mukaan,joka kuvaa kulutettujen molekyylien määrää. Kun yksimolekyyli kulutetaan, askelta kutsutaan unimolekulaariseksi. Kun kaksi molekyyliä konsensoituu, se on bimolekulaarinen.

käytännön ongelma 5:

Määritä reaktion jokaisen vaiheen molekulaarisuus, jolla N2O5 hajoaa NO2: ksi ja O2: ksi.

Klikkaa tästä tarkistaaksesi vastauksesi käytännön ongelmaan 5.

Klikkaa tästä nähdäksesi ratkaisun käytännön ongelmaan 5.

reaktiot voidaan luokitella myös niiden järjestykseen. N2O5: n kompositio on ensimmäisen kertaluvun reaktio, koska reaktion therate riippuu ensimmäiseen potenssiin nostetun N2O5: n konsentraatiosta.

Rate = k(N2O5)

HI: n hajoaminen on toisen kertaluvun reaktio, koska reaktion rate riippuu toiseen potenssiin nostetun HI: n konsentraatiosta.

nopeus = k(HI)2

kun reaktion nopeus riippuu useammasta kuin onereagentista, luokitellaan reaktio kunkin reagenssin järjestyksen mukaan.

Practice Problem 6:

Classify the order of the reaction between NO and O2 to form NO2:

2 NO (g) + O2 (g) 2 NO2(g)

oleta tälle reaktiolle seuraava nopeuslaki:

Rate = k(NO)2(O2)

Klikkaa tästä tarkistaaksesi vastauksesi käytännön ongelmaan 6.

molekulaarisuuden ja reaktion järjestyksen ero on tärkeä. Reaktion molekulaarisuus eli vaihe reaktion sisällä kuvaa sitä,mitä molekyylitasolla tapahtuu. Reaktion järjestys kuvaa, mitä tapahtuu makroskooppisella asteikolla. Määritämme reaktion järjestyksen seuraamalla reaktion tuotteita tai reaktantteja katoaa. Päättelemme reaktion molekulaarisuudesta selittääksemme kokeelliset tulokset.

Collision Theory Model of Chemical Reactions

the collision theory model of chemical reactions can be used to explain the observed rate laws for both one-step and multi-step reactions. Tämän mallin mukaan reaktion jokaisen vaiheen nopeus riippuu siihen osallistuvien hiukkasten välisten törmäysten tiheydestä.

alla oleva kuva antaa pohjan ymmärtää törmäysteorian mallin vaikutuksia yksinkertaisiin, yksivaiheisiin reaktioihin, kuten seuraavaan.

ClNO2(g) + NO(g) NO2(g) + ClNO(g)

kineettinen molekyyliteoria olettaa, että törmäysten määrä kaasussa riippuu hiukkasten määrästä litrassa. Nopeus, jolla no2 ja ClNO muodostuvat tässä reaktiossa, on siis suoraan verrannollinen sekä ClNO2: n että NO: n konsentraatioihin.

Rate = k(ClNO2)(NO)

törmäysteorian mallin mukaan jokaisen areaktiovaiheen nopeus on verrannollinen kyseisessä vaiheessa kulutettujen reagenssien pitoisuuksiin. Yksivaiheisen reaktion therate-lain pitäisi siis olla yhtäpitävä thereaktion stoikiometrian kanssa.

esimerkiksi seuraava reaktio tapahtuu yhdessä vaiheessa.

CH3Br(aq) + OH-(aq) CH3OH(aq) + Br-(aq)

kun nämä molekyylit törmäävät oikeassa suunnassa, OH – ionin elektronipari voidaan luovuttaa ch3br-molekyylin keskipisteessä olevalle hiiliatomille, kuten alla olevasta kuvasta käy ilmi.

kun näin tapahtuu, muodostuu hiili-happi-sidos samalla kun Karbon-bromin sidos katkeaa. Tämän reaktion nettotulos on anoh – ionin substituutio Br – Ionille. Koska reaktio tapahtuu singlestepissä, jossa tapahtuu kahden reaktantin välisiä törmäyksiä, tämän reaktion nopeus on suhteessa molempien reaktanttien konsentraatioon.

Rate = k(CH3Br)(OH -)

kaikki reaktiot eivät tapahdu yhdessä vaiheessa. Seuraava reaktio tapahtuukolme vaihetta, kuten alla olevassa kuvassa.

(CH3)3CBr(aq) + OH-(aq) (CH3)3COH(aq) + Br-(aq)

ensimmäisessä vaiheessa (CH3)3cbr moleculedissosioituu IONIPARIKSI.

positiivisesti varautunut (CH3)3c+ – ioni reagoi veden kanssa toisessa vaiheessa.

tämän reaktion tuote menettää viimeisessä vaiheessa protonin joko oh-Ionille tai vedelle.

tämän reaktion toinen ja kolmas vaihe ovat hyvin paljon nopeampia kuin ensimmäinen.

The overall rate of reaction is therefore more or less equal to the rateof the first step. Ensimmäistä vaihetta kutsutaan tämän reaktion nopeusrajoitusvaiheeksi, koska se kirjaimellisesti rajoittaa reaktiotuotteiden muodostumisnopeutta. Koska nopeutta rajoittavaan vaiheeseen osallistuu vain yksi reagenssi, reaktion ylinopeus on verrannollinen vain tämän reagenssin konsentraatioon.

nopeus = k((CH3)3CBr)

tämän reaktion nopeuslaki poikkeaa siis siitä, mitä reaktion stoikiometriasta voitaisiin päätellä. Vaikka reaktio kuluttaa sekä(CH3)3CBrand OH-, reaktion nopeus on verrannollinen vain (CH3)3CBr: n konsentraatioon.

kemiallisten reaktioiden nopeuslait voidaan selittää seuraavilla yleisillä säännöillä.

• minkä tahansa vaiheen nopeus reaktiossa on suoraan verrannollinen kyseisessä vaiheessa kulutettujen reagenssien pitoisuuksiin.

• reaktion yleisnopeuslaki määräytyy sen vaiheiden järjestyksen eli mekanismin mukaan, jolla reaktantit muunnetaan reaktion tuotteiksi.

• reaktion yleisnopeuslakia hallitsee reaktion hitaimman vaiheen nopeuslaki.