Alle chemischen Reaktionen haben eine spezifische Geschwindigkeit, die definiert, wie schnell die Reaktanten zu Produkten werden.
Chemische Reaktionen werden von zwei Faktoren bestimmt: Kinetik und Thermodynamik. Thermodynamische Faktoren erklären, ob eine Reaktion auftritt oder nicht und ob sie während des Prozesses Energie absorbiert oder abgibt.
Kinetik bezieht sich auf die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion und wie schnell das System das Gleichgewicht erreicht., Die Kinetik einer Reaktion wird durch das kinetische Geschwindigkeitsgesetz beschrieben, das die Geschwindigkeit basierend auf einer Reaktionskonstante, der Konzentration der Komponenten und der Reihenfolge der Reaktion definiert.
Dieses Video führt die Reaktionskinetik unter Verwendung der Geschwindigkeitsgesetzgleichung ein und zeigt, wie das Geschwindigkeitsgesetz für eine bestimmte Reaktion im Labor bestimmt wird.
Bei einer allgemeinen Reaktion entspricht die Reaktionsgeschwindigkeit der Geschwindigkeit, die mit dem Fachen der Konzentrationen der Reaktanten konstant ist und jeweils auf eine Reaktionsreihenfolge angehoben wird. Die Ratenkonstante k ist für eine Reaktion bei einer gegebenen Temperatur fixiert.,
Die Reaktionsordnungen sind unabhängig von den stöchiometrischen Koeffizienten. Stattdessen sind sie vom Reaktionsmechanismus abhängig und veranschaulichen, wie die Rate mit der Konzentration von Reaktanten zusammenhängt. Wenn beispielsweise die Reaktionsgeschwindigkeit unverändert ist, wenn sich die Konzentration von „A“ verdoppelt, hängt die Reaktion nicht von der Konzentration ab und die Reihenfolge ist Null.
Wenn sich die Rate verdoppelt, wenn sich die Konzentration des Reaktanten „A“ verdoppelt, dann ist die Reaktion erster Ordnung in Bezug auf „A“ Das gleiche Verhalten gilt für den Reaktanten „B“., Die Gesamtreihenfolge einer Reaktion ist die Summe der einzelnen Reaktionsordnungen für jeden Reaktanten.
Während einer Reaktion ändert sich die Konzentration der Reaktanten mit der Zeit. Beachten Sie, dass die Grundratengleichung keine Zeit als Variable enthält und nur Rate und Konzentration zu einem bestimmten Zeitpunkt in Beziehung setzen kann. Die Geschwindigkeit ändert sich jedoch mit fortschreitender Reaktion und wenn die Reaktanten erschöpft sind. Die Verwendung eines Differenzratengesetzes kann die Konzentrationsänderung mit der Zeit in Beziehung setzen.,
Das Geschwindigkeitsgesetz für eine Reaktion muss experimentell bestimmt werden, wobei eine chemische Reaktion bei konstanter Temperatur sorgfältig kontrolliert und die Konzentration der Reaktanten oder Produkte in bestimmten Zeitintervallen gemessen wird. Da Konzentrationsmessungen zu diskreten Zeitpunkten durchgeführt werden, ist es schwierig, das Differentialratengesetz mit experimentellen Daten zu korrelieren.
Die Integration des Differentialratengesetzes führt zu einer einfacheren Gleichung, die als integriertes Ratengesetz bezeichnet wird. Das integrierte Geschwindigkeitsgesetz vergleicht die Reaktantenkonzentrationen zu Beginn der Reaktion und zu einem bestimmten Zeitpunkt.,
Die integrierte Geschwindigkeitsgesetzgleichung variiert je nach Reihenfolge der Reaktion. Diese Gleichungen können die lineare Form y=mx+b annehmen. Somit ergibt ein Diagramm der Konzentration gegen die Zeit ein lineares Diagramm für eine Gleichung Null, ein Diagramm des natürlichen Protokolls von Konzentration gegen Zeit ergibt ein lineares Diagramm für eine Gleichung erster Ordnung und so weiter. Durch die Anpassung experimenteller Daten an diese Gleichungen kann die Reihenfolge einer Reaktion leicht bestimmt werden. Die Ratenkonstante k kann dann anhand der Steigung der Linie bestimmt werden. Schließlich variieren die Einheiten von k abhängig von der Reihenfolge der Reaktion., Für eine Reaktion Null Ordnung sind die Einheiten Mol pro Liter pro Sekunde, für eine Reaktion erster Ordnung sind die Einheiten inverse Sekunden und für eine Reaktion zweiter Ordnung sind die Einheiten Liter pro Mol pro Sekunde.
Nachdem nun die Grundlagen der kinetischen Geschwindigkeitsgesetze erklärt wurden, können wir uns ansehen, wie das Geschwindigkeitsgesetz für die Zersetzung von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff experimentell bestimmt werden kann.
In diesem Experiment wird die katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid über einen Platinkatalysator erforscht.
Bereiten Sie zunächst 5 Verdünnungen Wasserstoffperoxid vor, wie in der Tabelle gezeigt., In diesem Fall liegen die Konzentrationen zwischen 0,882 und 0,176 M unter Verwendung einer 3% igen oder 0,882 M großen Stammlösung. Lassen Sie die Lösungen auf Raumtemperatur ausgleichen.
als Nächstes bereiten Sie das Reaktionsgefäß mit einem Reagenzglas. Bestimmen Sie zuerst das Volumen, indem Sie ein großes Reagenzglas nach oben mit Wasser füllen. Setzen Sie dann einen 1-Loch-Gummistopfen ein, bis er fest ist und Wasser durch die Oberseite aus dem Loch drückt.
Entfernen Sie den Stopfen und gießen Sie das Wasser in einen Messzylinder, um das genaue Volumen zu messen. Dies ist das Volumen des Reaktionsgefäßes.,
Als nächstes gießen Sie 50 ml der ersten Wasserstoffperoxidlösung in das Reagenzglas und legen Sie das Röhrchen in das 25 °C-Wasserbad. Sobald Sie ausgeglichen sind, fügen Sie eine platinbeschichtete Reaktionsscheibe hinzu und versiegeln Sie das System mit einem Stopfen, der an einen Gasdrucksensor angeschlossen ist.
Da eines der Produkte Sauerstoffgas ist, wird der Druckanstieg im System verwendet, um den Sauerstoffanstieg zu messen. Richten Sie den Drucksensor ein, um Daten an 2 Punkten pro s zu erfassen, und führen Sie dann das Experiment für 120 s durch Blasen sollten sichtbar sein, wenn sich das Peroxid in Sauerstoffgas und Wasser zersetzt.,
Nach Ablauf der Reaktionszeit den Druck ablassen und die Peroxidlösung entsorgen. Spülen Sie das Röhrchen aus und füllen Sie das Röhrchen mit der nächsten Wasserstoffperoxidlösung. Wiederholen Sie die Gasdruckmessung für alle Lösungen.
Zeichnen Sie die Druck-Zeit-Daten für jede Lösung. Der Druck des entwickelten Sauerstoffs ist direkt proportional zu den nach dem idealen Gasgesetz gebildeten Sauerstoffmolzen. Nach der chemischen Reaktion können die gebildeten Sauerstoffmolzen verwendet werden, um die Molen von zersetztem Wasserstoffperoxid zu berechnen., Nehmen Sie zunächst an, dass sich die Konzentration von Wasserstoffperoxid während der kurzen Versuchsdauer nicht signifikant verändert hat. Somit stellen die gezeichneten Daten nur den Anfangsbereich des Kinetikexperiments dar.
Bestimmen Sie die Steigung jedes Datensatzes mithilfe einer linearen Regression. Die Steigung ist gleich der anfänglichen Reaktionsgeschwindigkeit in Einheiten des Sauerstoffdrucks pro Sekunde.
Als nächstes Diagramm des natürlichen Protokolls der anfänglichen Reaktionsgeschwindigkeit gegenüber dem natürlichen Protokoll der anfänglichen Peroxidkonzentration. Die Steigung ist gleich der Reaktionsreihenfolge, m, und ist ungefähr gleich eins., Daher ist die Reaktion erster Ordnung.
Die rate für jede studie ist in einheiten von druck in Torr, pro sekunde. Um die Ratenkonstante zu bestimmen, konvertieren Sie zuerst die Rate in Einheiten von Atmosphären pro Sekunde. Da die Blasen in der wässrigen Lösung entwickelt, subtrahieren Sie den Dampfdruck von Wasser aus dem Systemdruck für jeden Versuch. Die neue Rate spiegelt dann nur den Druck aufgrund der Sauerstoffentwicklung wider.
Wenden Sie das ideale Gasgesetz an, um die Rate von Atmosphären an sich in Mol pro s für jeden Versuch umzuwandeln., Zwei Mal sind die produzierten Molen von Sauerstoff gleich den Molen von Wasserstoffperoxid, die gemäß der chemischen Reaktion Stöchiometrie zersetzt werden. Verwenden Sie dann das Reaktionsvolumen, um die Einheiten der Rate in Molarität pro Sekunde umzuwandeln.
Bestimmen Sie die Ratenkonstanten für jede Studie, indem Sie die Molaritätsrate pro s durch die Anfangskonzentration dividieren. In diesem Experiment beträgt die durchschnittliche Ratenkonstante k ungefähr 1,48 x 10-4 pro s. Die Reaktion ist erster Ordnung, bekannt aus dem zuvor gezeigten Natural Log-Natural Log Plot. Daher kann das Zinsgesetz wie gezeigt geschrieben werden.,
Nachdem Sie sich nun mit der Bestimmung des Geschwindigkeitsgesetzes für eine chemische Reaktion befasst haben, schauen wir uns einige Bereiche an, in denen dieses Konzept angewendet wird.
Chemische Reaktionen werden bei der Synthese von Verbindungen und Materialien verwendet, die in einer Vielzahl wissenschaftlicher Anwendungen verwendet werden. Es ist wichtig, die Reaktionsgeschwindigkeit in diesen Syntheseschritten zu verstehen, um den Fortschritt einer Reaktion zu steuern.
Die Synthese von Cadmiumselenid-Nanokristallen und-Nanorods verläuft beispielsweise durch eine Reihe chemischer Reaktionen., Jede Reaktion hat ihre eigene diskrete Reaktionsgeschwindigkeit, und daher wird der Syntheseschritt basierend auf der Wissensgeschwindigkeit der Reaktion sorgfältig gesteuert.einige langsam und einige sehr schnell.
Das Reaktionsgeschwindigkeitsgesetz kann auch verwendet werden, um den radioaktiven Zerfall zu beschreiben und die Halbwertszeit radioaktiven Materials zu bestimmen. Die Halbwertszeit bezieht sich auf die Zeit, die benötigt wird, damit die Konzentration eines Materials auf die Hälfte seiner Anfangskonzentration fällt.,
Die Radioaktivität folgt der Kinetik erster Ordnung, was bedeutet, dass die Zeit, die für den sicheren Zerfall radioaktiven Materials erforderlich ist, sehr gut charakterisiert werden kann, was einen ordnungsgemäßen Transport und eine ordnungsgemäße Lagerung von radioaktivem Material und radioaktiven Abfällen ermöglicht.
Ähnlich wie bei radioaktiven Materialien haben Medikamente auch eine Halbwertszeit und werden im Körper abgebaut. Zum Beispiel haben einige Medikamente hohe Rate Konstanten, was bedeutet, dass sie schnell abbauen, und müssen häufig eingenommen werden. Die Kenntnis dieser Abbaurate ermöglicht die Bestimmung der geeigneten Dosierung, Verwendung und Abgabemethode.,
Sie haben gerade beobachtet, wie Jupiter die Einführung der Reaktion Preisen. Sie sollten nun die verschiedenen Ordnungen chemischer Reaktionen verstehen, wie sie sich auf chemische Reaktionsraten beziehen und wie Sie das Geschwindigkeitsgesetz für eine bestimmte chemische Reaktion im Labor bestimmen können.
Danke fürs Zuschauen!