alle chemische reacties hebben een specifieke snelheid, die bepaalt hoe snel de reactanten in producten worden omgezet.
chemische reacties worden bepaald door twee factoren: kinetiek en thermodynamica. Thermodynamische factoren zijn verantwoordelijk voor het al dan niet optreden van een reactie, en of deze energie absorbeert of afgeeft tijdens het proces.
kinetiek verwijst naar de snelheid van een chemische reactie en hoe snel het systeem een evenwicht bereikt., De kinetiek van een reactie wordt beschreven door de kinetische snelheidswet, die de snelheid bepaalt op basis van een constante van de reactiesnelheid, de concentratie van componenten en de volgorde van de reactie.
deze video zal reactiekinetiek introduceren met behulp van de snelheidswetvergelijking, en zal laten zien hoe de snelheidswet voor een bepaalde reactie in het laboratorium kan worden bepaald.
voor een algemene reactie is de reactiesnelheid gelijk aan de snelheidsconstante maal de concentraties van de reagentia, elk verhoogd tot een reactievolgorde. De snelheidsconstante, k, wordt vastgesteld voor een reactie bij een bepaalde temperatuur.,
De reactieorders zijn onafhankelijk van de stoichiometrische coëfficiënten. In plaats daarvan zijn zij afhankelijk van het reactiemechanisme, en illustreren hoe het tarief met de concentratie van reactanten wordt gerelateerd. Bijvoorbeeld, als de reactiesnelheid onveranderd is wanneer de concentratie van “A” verdubbelt, dan is de reactie niet afhankelijk van de concentratie en is de orde nul.
als de snelheid verdubbelt wanneer de concentratie van reactant” A “verdubbelt, dan is de reactie de eerste orde met betrekking tot” A. “hetzelfde gedrag geldt voor reactant”B”., De totale volgorde van een reactie is de som van de individuele reactieorders voor elke reactant.
tijdens een reactie verandert de concentratie van reagentia met de tijd. Merk op dat de basistariefvergelijking geen tijd als variabele omvat en alleen snelheid en concentratie op een specifiek tijdstip kan relateren. Echter, de snelheid verandert naarmate de reactie vordert en als reagentia zijn uitgeput. Het gebruik van een differentiële Tariefwet kan de verandering in concentratie relateren aan de tijd.,
De snelheidswet voor een reactie moet experimenteel worden bepaald, wanneer een chemische reactie zorgvuldig bij een constante temperatuur wordt gecontroleerd en de concentratie van de reactanten of producten met specifieke tijdsintervallen wordt gemeten. Aangezien concentratiemetingen op afzonderlijke tijdstippen worden uitgevoerd, is het moeilijk om de differentiële snelheidswet te correleren met experimentele gegevens.
integratie van de differentiële rentewet resulteert in een eenvoudigere vergelijking, de integrated rate law genaamd. De geïntegreerde snelheidswet vergelijkt de reactantconcentraties aan het begin van de reactie en op een bepaald tijdstip.,
de vergelijking van de geïntegreerde snelheidswet varieert afhankelijk van de volgorde van de reactie. Deze vergelijkingen kunnen de lineaire vorm aannemen y=mx+b. een plot van concentratie vs tijd levert dus een lineaire plot op voor een nulordevergelijking, een plot van de natuurlijke log van concentratie vs tijd levert een lineaire plot op voor een eersteordevergelijking, enzovoort. Door experimentele gegevens aan deze vergelijkingen te koppelen, kan de volgorde van een reactie eenvoudig worden bepaald. De snelheidsconstante, k, kan dan worden bepaald met behulp van de helling van de lijn. Tenslotte variëren de eenheden van k afhankelijk van de volgorde van de reactie., Voor een nulordereactie zijn de eenheden mol per liter per seconde, voor een eersteordereactie zijn de eenheden omgekeerde seconden en voor een tweedeordereactie zijn de eenheden liter per mol per seconde.
nu de basisprincipes van de kinetische snelheidswetten zijn uitgelegd, zullen we eens kijken hoe we de snelheidswet voor de ontleding van waterstofperoxide tot water en zuurstof experimenteel kunnen bepalen.
in dit experiment wordt de katalytische ontleding van waterstofperoxide over een platinakatalysator onderzocht.
bereid eerst 5 verdunningen waterstofperoxide, zoals aangegeven in de tabel., In dit geval liggen de concentraties tussen 0,882 – 0,176 M bij gebruik van een stamoplossing van 3% of 0,882 M. Laat de oplossingen op kamertemperatuur komen.
bereid vervolgens het reactievat met een reageerbuis. Bepaal eerst het volume door een grote reageerbuis naar boven te vullen met water. Plaats vervolgens een 1-gaats rubberen stop totdat deze strak is en water door de bovenkant uit het gat duwt.
verwijder de stop en giet het water in een cilinder met maatverdeling om het exacte volume te meten. Dit is het volume van het reactievat.,giet vervolgens 50 mL van de eerste waterstofperoxideoplossing in de reageerbuis en plaats de buis vervolgens in het waterbad van 25 °C. Eenmaal in evenwicht gebracht, voeg een met platina beklede reactieschijf toe en sluit het systeem af met een stop die is aangesloten op een gasdruksensor.
aangezien een van de producten zuurstofgas is, wordt de toename van de druk in het systeem gebruikt om de toename van de zuurstof te meten. Stel de druksensor in om gegevens te verzamelen op 2 punten per s, Voer het experiment uit voor 120 s. belletjes moeten zichtbaar zijn als de peroxide ontleedt in zuurstofgas en water.,
wanneer de reactieperiode voorbij is, laat de druk los en gooi de peroxideoplossing weg. Spoel de tube af en vul de tube met de volgende waterstofperoxideoplossing. Herhaal de gasdrukmeting voor alle oplossingen.
Zet de druk-en tijdgegevens voor elke oplossing uit. De druk van geëvolueerde zuurstof is recht evenredig met de Mol zuurstof gevormd volgens de ideale gaswet. Na de chemische reactie kunnen de Mol gevormd zuurstof worden gebruikt om de Mol van afgebroken waterstofperoxide te berekenen., Ten eerste, neem aan dat de concentratie van waterstofperoxide niet significant veranderde tijdens de korte duur van het experiment. Aldus, vertegenwoordigen de geplot gegevens slechts het aanvankelijke gebied van het kineticaexperiment.
Bepaal de helling van elke gegevensverzameling met behulp van een lineaire regressie. De helling is gelijk aan de initiële reactiesnelheid in eenheden van druk van zuurstof per seconde.
vervolgens wordt de natuurlijke log van de initiële reactiesnelheid vergeleken met de natuurlijke log van de initiële peroxideconcentratie. De helling is gelijk aan de reactie orde, m, en is ongeveer gelijk aan 1., Daarom is de reactie de eerste orde.
De snelheid voor elk onderzoek is in eenheden van druk in Torr, per seconde. Om de snelheidsconstante te bepalen, converteer je eerst de snelheid naar eenheden van atmosferen per seconde. Omdat de bellen geëvolueerd in de waterige oplossing, aftrekken van de dampdruk van water van de systeemdruk voor elke proef. De nieuwe snelheid weerspiegelt dan alleen de druk als gevolg van zuurstofevolutie.
de ideale gaswet toepassen om de snelheid van atmosferen per se om te zetten in Mol per s voor elke proef., Twee keer de Mol van zuurstof geproduceerd zijn gelijk aan de Mol van waterstofperoxide afgebroken, volgens de chemische reactie stoichiometrie. Gebruik vervolgens het reactievolume om de eenheden van de snelheid om te zetten in molariteit per seconde.
Bepaal de snelheidsconstanten voor elke proef door de snelheid in molariteit per s te delen door de initiële concentratie. In dit experiment is de gemiddelde snelheidsconstante, k, ongeveer 1,48 x 10-4 per s. de reactie is eerste orde, bekend uit de natuurlijke log – natuurlijke log plot eerder getoond. Daarom kan de Tariefwet worden geschreven zoals getoond.,
nu u hebt gekeken hoe u de snelheidswet voor een chemische reactie kunt bepalen, kunt u kijken naar enkele gebieden waar dit concept wordt toegepast.
chemische reacties worden gebruikt bij de synthese van verbindingen en materialen die voor een breed scala van wetenschappelijke toepassingen worden gebruikt. Het is belangrijk om de reactiesnelheid in deze synthesestappen te begrijpen, om de voortgang van een reactie te controleren.
de synthese van cadmiumselenide nanokristallen en nanoroden verloopt bijvoorbeeld door een reeks chemische reacties., Elke reactie heeft zijn eigen discrete reactiesnelheid, en daarom wordt de synthesestap zorgvuldig gecontroleerd gebaseerd op de kennissnelheid van de reactie; sommige langzaam en sommige zeer snel.
De Wet op de reactiesnelheid kan ook worden gebruikt om radioactief verval te beschrijven en de halfwaardetijd van radioactief materiaal te bepalen. De halveringstijd verwijst naar de hoeveelheid tijd die nodig is om de concentratie van een materiaal tot de helft van zijn aanvankelijke concentratie te dalen.,
radioactiviteit volgt de eerste orde kinetiek, wat betekent dat de tijd die nodig is om radioactief materiaal tot een veilig niveau te laten bederven zeer goed kan worden gekarakteriseerd, waardoor een goed transport en opslag van radioactief materiaal en radioactief afval mogelijk is.
net als radioactieve stoffen hebben geneesmiddelen ook een halfwaardetijd en degraderen ze in het lichaam. Sommige medicijnen hebben bijvoorbeeld hoge snelheidsconstanten, wat betekent dat ze snel afbreken en vaak moeten worden ingenomen. Kennis van deze afbraaksnelheid maakt het mogelijk de juiste dosering, gebruik en leveringsmethode te bepalen.,
Je hebt zojuist JoVE ‘ s inleiding tot reactiesnelheden bekeken. U moet nu de verschillende orden van chemische reacties begrijpen, hoe ze zich verhouden tot chemische reactiesnelheden, en hoe u de snelheidswet voor een bepaalde chemische reactie in het laboratorium kunt bepalen.
Bedankt voor het kijken!