kémiai kinetika

kémiai kinetika

lehet, hogy ismeri azokat a sav-bázis titrálásokat, amelyek fenolftaleint használnak végpontmutatóként. Lehet, hogy nem vette észre, azonban, mi történik, ha a megoldásamely fenolftaleint tartalmaz a felesleges bázis jelenlétében, néhány percig állni hagyjuk. Bár az oldat kezdetben rózsaszín színű, fokozatosan színtelenné válika fenolftalein erősen bázikus oldatban reagál az OH – ionnal.

az alábbi táblázat azt mutatja, hogy mi történik a fenolftaleinin-oldat koncentrációjával, amely kezdetben 0,005 m volt fenolftaleinben és 0,61 M OH-ionban. Amint láthatja, amikor ezeket az adatokat az alábbi grafikonon ábrázoljuk, a fenolftalein-koncentráció körülbelül négy perc alatt 10-szeresére csökken.

Experimental Data for the Reaction Between Phenolphthalein and ExcessBase

az olyan kísérletek, mint amilyenek a fenti táblázatban szereplő adatokat adták nekünk, a kémiai kinetika mérésének minősülnek (egy görög szárból, ami azt jelenti, hogy “tomove”). Ezeknek a kísérleteknek az egyik célja a reakciósebesség leírásaa reagensek reakciótermékekké alakulnak át.

a kifejezés arány gyakran használják a mennyiség változásaami időegységenként történik. Az infláció mértéke például aa standard tételek gyűjteményének átlagos költsége évente. Az a sebesség, amellyel egy objektumutazik az űrben, az időegységenként megtett távolság, például mérföld / óra vagykilométer másodpercenként. A kémiai kinetikában a megtett távolság aa reakció egyik összetevőjének koncentrációja. A reakció sebessége tehát az egyik reagens koncentrációjának változása(X)ami egy adott időtartam alatt következik bet.

1. gyakorlati probléma:

használja a fenti táblázat adatait annak kiszámításához, hogy a fenolftalein milyen sebességgel reagál az oh – ionnal a következő időszakok mindegyikében:

(a) az első időintervallumban, amikor a fenolftalein koncentrációja 0,0050 m-ről 0,0045 m-re csökken.

(b) a második intervallum alatt, amikor a koncentráció 0,0045 M-ről 0,0040 m-re esik.

(c) a harmadik intervallum alatt, amikor a koncentráció 0,0040 M-ről 0,0035 m-re esik.

kattintson ide az 1. gyakorlati problémára adott válasz ellenőrzéséhez.

kattintson ide az 1.probléma megoldásának megtekintéséhez.

a reakció pillanatnyi sebessége és a reakció arányszáma

a fenolftalein és az OH-ion közötti reakció sebessége nem állandó; idővel változik. Mint a legtöbb reakció, ennek a reakciónak a sebességefokozatosan csökken, amikor a reagenseket fogyasztják. Ez azt jelenti, hogy a reakció sebességeváltozik a mérés közben.

a méréseinkbe bevitt hiba minimalizálása érdekében úgy tűnik, hogy tanácsos a reakció sebességét rövid ideig mérni, összehasonlítva a reakció bekövetkezéséhez szükséges idővel. Megpróbálhatjuk például mérni a koncentráció végtelenül kis változásátd(X)ami végtelenül rövid idő alatt következik be. Ezek arányaa mennyiségeket a reakció pillanatnyi sebességének nevezik.

a reakció pillanatnyi sebessége bármely pillanatban kiszámíthatóa reagens (vagy termék) koncentrációjának grafikonjáról az idő függvényében. Az alábbi grafikon azt mutatja, hogy a fenolftalein bomlásának reakciósebessége hogyan számítható ki a koncentráció és az idő grafikonjából. A reakció sebessége bármelyik pillanatbanaz idő megegyezik az adott görbére húzott érintő meredekségével.

a reakció pillanatnyi sebessége bármikor mérhető a reagensek keveredése és a reakció egyensúlyba kerülése között.Ezeknek az adatoknak az extrapolálása arra a pillanatra, amikor a reagenseket összekeverik, megadja a kezdeti azonnali reakciósebességet.

Sebességtörvények és Sebességállandók

érdekes eredmény érhető el, ha a pillanatnyi reakciósebességet a görbe különböző pontjain számítják ki az előző szakasz grafikonján. A reakció sebessége a görbe minden pontján közvetlenülarányos a fenolftalein koncentrációjához abban a pillanatban.

sebesség = k (fenolftalein)

mivel ez az egyenlet egy kísérleti törvény, amely leírja a reakció sebességét, ezt a reakció sebességtörvényének nevezzük. Az arányosságállandó, k, sebességállandónak nevezik.

2.gyakorlati probléma:

Számítsa ki a fenolftalein és az OH – ion közötti reakció sebességállandóját, ha a reakció pillanatnyi sebessége 2.5 x 10-5 mol / liter / másodperc, ha a fenolftalein koncentrációja 0,0025 M.

kattintson ide, hogy ellenőrizze a 2.gyakorlati problémára adott választ.

kattintson ide a 2.probléma megoldásának megtekintéséhez.

3.gyakorlati probléma:

használja a sebességállandót a fenolftalein és az OH – ion közötti reakcióhoz az előző táblázatban felsorolt kísérleti adatok kezdeti pillanatnyi reakciósebességének kiszámításához.

kattintson ide, hogy ellenőrizze a 3.Gyakorlati problémára adott választ.

kattintson ide a 3.probléma megoldásának megtekintéséhez.

a reakciósebesség kifejezésének különböző módjai

a reakció sebességének mérésére általában több módszer is létezik. Tanulmányozhatjuk a hidrogén-jodid bomlását, például a sebesség mérésévelamely vagy H2 vagy I2 a következő reakcióban vagy therátban képződik, amelyen a HI-t fogyasztják.

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

kísérletileg azt találjuk, hogy az I2 kialakulásának sebességearányos a HI koncentráció négyzetéhez bármely pillanatban.

mi történne, ha tanulmányoznánk a H2 kialakulásának sebességét?A kiegyensúlyozott egyenlet azt sugallja, hogy H2 és I2 pontosan azonos sebességgel kell kialakulni.

mi történne azonban, ha tanulmányoznánk a HI fogyasztásának sebességétebben a reakcióban? Mivel a HI fogyasztódik, a koncentráció változásának anegatív számnak kell lennie. Egyezmény szerint a reakció sebességét mindig pozitívnak kell jelenteniszámot. Ezért meg kell változtatnunk a jelet, mielőtt bejelentenénk a reakció során felhasznált areaktáns reakciósebességét.

a negatív jel két dolgot tesz. Matematikailag negatívat alakít áta HI koncentrációjának változása pozitív arányra. Fizikailag emlékeztet arra, hogy aa reagens koncentrációja idővel csökken.

milyen összefüggés van a H2 vagy I2 képződésének figyelemmel kísérésével kapott reakciósebesség és a HI eltűnésének figyelésével kapott sebesség között? A reakció sztöchiometriája szerint két HI molekula vanfogyasztott minden előállított H2 vagy I2 molekulára. Ez azt jelenti, hogy a HI bomlási sebessége kétszer olyan gyors, mint a H2 és az I2A képződés sebessége. Ezt a kapcsolatot matematikai egyenletre fordíthatjuk az alábbiak szerint.

ennek eredményeként a H sebességének tanulmányozásából kapott sebességi állandó2és I2 képződnek ebben a reakcióban (k) nem ugyanaza sebességi állandó, amelyet a HI fogyasztásának sebességének figyelemmel kísérésével kapunk (k’)

gyakorlati probléma 4:

Számítsa ki azt a sebességet, amellyel a HI eltűnik a következő reakcióban abban a pillanatban, amikor az I2 1,8 x 10-6 mol/liter/másodperc sebességgel alakul ki:

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

kattintson ide, hogy ellenőrizze a 4.gyakorlati problémára adott választ.

kattintson ide a 4.probléma megoldásának megtekintéséhez.

a sebesség törvény Versus sztöchiometria aReaction

az 1930-as években Sir Christopher Ingold és munkatársai a University ofLondon tanulmányozta a kinetikája szubsztitúciós reakciók, mint például a következő.

CH3Br(aq) + OH-(AQ)CH3OH(AQ) + br-(AQ)

azt találták, hogy a reakció sebessége arányos mindkét reagens koncentrációi.

Rate = k(CH3Br) (OH-)

amikor hasonló reakciót futtattak egy kissé eltérő kezdetenanyag, hasonló termékeket kaptak.

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

de most a reakció sebessége arányos volt csak az egyik reagens koncentrációjával.

Rate = k ((CH3)3CBr)

Ezek az eredmények egy fontos pontot szemléltetnek: a reakció sztöchiometriájából nem lehet megjósolni a areakció sebességtörvényét; meg kell határoznikísérletileg. Néha a sebességtörvény összhangban van azzal, amit elvárunka reakció oichiometriája.

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

Rate = k(HI)2

Often, however, it is not.

a molekularitás sorrendje

néhány reakció egyetlen lépésben történik. Az a reakció, amelyben egy klóratomot átviszünk a ClNO2-ból NO-ba, hogy NO2-t és ClNO-t képezzünk, jó példa az egylépéses reakcióra.

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.

a reakció lépéseit MOLEKULARITÁS szerint osztályozzuk,amely leírja az elfogyasztott molekulák számát. Amikor egyetlen molekulát fogyasztanak, a lépést unimolekulárisnak nevezzük. Amikor két molekula vanfogyasztott, bimolekuláris.

5.gyakorlati probléma:

határozza meg a reakció minden egyes lépésének molekularitását, amelynek során N2O5 bomlik NO2-re és O2-re.

kattintson ide az 5.gyakorlati problémára adott válasz ellenőrzéséhez.

kattintson ide az 5.probléma megoldásának megtekintéséhez.

a reakciók sorrendjük szerint is osztályozhatók. Az n2o5 dekompozíciója elsőrendű reakció, mert a reakció sebessége az n koncentrációjától függ2o5 az első teljesítményre emelve.

Rate = k (N2O5)

A HI bomlása másodrendű reakció, mivel a reakció sebessége a második teljesítményre emelt HI koncentrációjától függ.

Rate = k (HI)2

Ha a reakció sebessége több mint egytől függagens, a reakciót az egyes reagensek sorrendjében osztályozzuk.

6. gyakorlati probléma:

osztályozza a NO és O2 közötti reakció sorrendjét NO2-ként:

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

tegyük fel a következő sebességtörvényt erre a reakcióra:

Rate = k(NO)2(O2)

kattintson ide, hogy ellenőrizze a választ a gyakorlatban probléma 6.

a molekularitás és a reakció sorrendje közötti különbség fontos. A reakció molekularitása, vagy a reakcióon belüli lépés leírja,mi történik molekuláris szinten. A reakció sorrendje leírja, mia makroszkopikus skálán történik. A reakció sorrendjét úgy határozzuk meg, hogy megfigyeljük aa reakció termékei megjelennek, vagy a reagensek eltűnnek. A molekularitás a reakcióvalamit arra következtetünk, hogy megmagyarázzuk ezeket a kísérleti eredményeket.

a kémiai reakciók Ütközéselméleti modellje

a kémiai reakciók ütközéselméleti modellje felhasználható a megfigyelt sebességtörvények magyarázatára mind az egylépéses, mind a többlépcsős reakciók esetében. Ez a modell feltételezi, hogy a reakció bármely lépésének sebessége az adott lépésben részt vevő részecskék közötti ütközések gyakoriságától függ.

az alábbi ábra alapul szolgál az ütközéselméleti modell következményeinek megértéséhez az egyszerű, egylépéses reakciókhoz, például a következőkhöz.

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

a kinetikus molekuláris elmélet feltételezi, hogy a gázban üldözött ütközések száma a literenkénti részecskék számától függ. A reakció során az NO2 és a ClNO képződésének sebességének tehát egyenesen arányosnak kell lennie mind a ClNO2, mind a NO koncentrációival.

Rate = k (ClNO2) (NO)

az ütközéselméleti modell azt sugallja, hogy az areaction bármely lépésének sebessége arányos az adott lépésben felhasznált reagensek koncentrációjával. Ezért az egylépéses reakció teráttörvényének egyet kell értenie a reakció sztöchiometriájával.

a következő reakció például egyetlen lépésben történik.

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

amikor ezek a molekulák ütköznek a megfelelő tájolásban, az OH – ionon egy pár nem kötődő elektront adhatunk a ch3br molekula központjában lévő szénatomnak, amint az az alábbi ábrán látható.

amikor ez megtörténik, szén-oxigén kötés alakul ki, miközben a szén-bróm kötés megszakad. Ennek a reakciónak a nettó eredménye az anOH-ion helyettesítése egy Br-ionnal. Mivel a reakció egyetlen lépésben következik be, amely a két reagens ütközésével jár, ennek a reakciónak a sebessége mindkét reagens koncentrációjához viszonyítva arányos.

Rate = k(CH3Br) (OH-)

nem minden reakció fordul elő egyetlen lépésben. A következő reakció fordul előhárom lépés, amint az az alábbi ábrán látható.

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

az első lépésben a (CH3)3CBr molekulaiegy pár ionra oszlik.

a pozitív töltésű (CH3)3C+ ion a második lépésben vízzel reagál.

ennek a reakciónak a terméke elveszíti a protont az Oh-ion vagy a víz számára az utolsó lépésben.

a reakció második és harmadik lépése sokkal gyorsabb, mint az első.

The overall rate of reaction is therefore more or less equal to the rateof the first step. Az első lépést ezért sebességkorlátozó lépésnek nevezzük ebben a reakcióban, mert szó szerint korlátozza a reakció termékeinek sebességétképződhetnek. Mivel csak egy reagens vesz részt a sebességkorlátozó lépésben, a reakció teljes aránya arányos csak ennek a reagensnek a koncentrációjával.

Rate = k ((CH3)3CBr)

ennek a reakciónak a sebességtörvénye tehát eltér attól, amit a reakció sztöchiometriájából megjósolnánk. Bár a reakció mindkettőt fogyasztja(CH3)3CMÁRKA OH-, a reakció sebessége csak arányos a (CH3)3cbr koncentrációjával.

a kémiai reakciók sebességtörvényei a következőkkel magyarázhatókáltalános szabályok.

• a reakció bármely lépésének sebessége egyenesen arányos az adott lépésben felhasznált reagensek koncentrációjával.

• a reakció teljes sebességtörvényét a lépések sorrendje vagy az a mechanizmus határozza meg, amellyel a reagenseket a reakció termékeivé alakítják.

• a reakció teljes sebességtörvényét a reakció leglassabb lépésének sebességtörvénye uralja.