wszystkie reakcje chemiczne mają określoną szybkość, która określa, jak szybko reagenty przekształcają się w produkty.
reakcje chemiczne są regulowane przez dwa czynniki: kinetykę i termodynamikę. Czynniki termodynamiczne stanowią, czy reakcja nastąpi, czy nie, i czy pochłania lub wydziela energię podczas procesu.
Kinetyka odnosi się do szybkości reakcji chemicznej i jak szybko układ osiąga równowagę., Kinetyka reakcji jest opisana przez prawo szybkości kinetycznej, która określa szybkość na podstawie stałej szybkości reakcji, stężenia składników i kolejności reakcji.
ten film przedstawi kinetykę reakcji za pomocą równania prawa szybkości i zademonstruje, jak określić prawo szybkości dla danej reakcji w laboratorium.
dla reakcji ogólnej, szybkość reakcji jest równa stałej szybkości razy stężenia reagentów, każdy podniesiony do kolejności reakcji. Stała szybkości, k, jest stała dla reakcji w danej temperaturze.,
kolejność reakcji jest niezależna od współczynników stechiometrycznych. Zamiast tego są one zależne od mechanizmu reakcji i ilustrują, w jaki sposób szybkość jest związana ze stężeniem reagentów. Na przykład, jeśli szybkość reakcji jest niezmieniona, gdy stężenie ” A ” podwaja się, to reakcja nie zależy od stężenia, a kolejność jest zerowa.
Jeśli szybkość podwaja się, gdy stężenie reagenta „A” podwaja się, to reakcja jest pierwszego rzędu w odniesieniu do „A.” to samo zachowanie jest prawdziwe dla reagenta „B”., Ogólny porządek reakcji jest sumą poszczególnych rozkazów reakcji dla każdego reagenta.
podczas reakcji stężenie reagentów zmienia się wraz z upływem czasu. Należy zauważyć, że podstawowe równanie szybkości nie obejmuje czasu jako zmiennej i może odnosić się tylko do szybkości i stężenia w określonym punkcie czasowym. Jednak szybkość zmienia się w miarę postępu reakcji i jak reagenty są wyczerpane. Korzystanie z prawa różnicowego szybkości może odnosić się do zmiany stężenia w czasie.,
prawo szybkości reakcji musi być określone doświadczalnie, gdzie reakcja chemiczna jest dokładnie kontrolowana w stałej temperaturze, a stężenie reagentów lub produktów mierzone w określonych odstępach czasowych. Ponieważ pomiary stężenia są wykonywane w dyskretnych punktach czasowych, prawo różnicowe szybkości jest trudne do skorelowania z danymi eksperymentalnymi.
Integracja prawa różniczkowego skutkuje prostszym równaniem, zwanym prawem stawki zespolonej. Zintegrowane prawo szybkości porównuje stężenia reagentów na początku reakcji i w określonym czasie.,
równanie prawa szybkości zespolonej zmienia się w zależności od kolejności reakcji. Równania te mogą przyjmować postać liniową y = mx + b. Tak więc, Wykres stężenia vs czas daje wykres liniowy dla równania zerowego rzędu, Wykres naturalnego logu stężenia vs czas daje wykres liniowy dla równania pierwszego rzędu, i tak dalej. Poprzez dopasowanie danych doświadczalnych do tych równań, kolejność reakcji można łatwo określić. Stała szybkości, k, może być następnie określona na podstawie nachylenia linii. Wreszcie, jednostki k różnią się w zależności od kolejności reakcji., Dla reakcji zerowego rzędu jednostki są molami na litr na sekundę, dla reakcji pierwszego rzędu jednostki są odwrotne sekundy i dla reakcji drugiego rzędu jednostki są litry na Mol na sekundę.
teraz, gdy podstawy kinetycznych praw szybkości zostały wyjaśnione, rzućmy okiem na to, jak eksperymentalnie określić prawo szybkości dla rozkładu nadtlenku wodoru do wody i tlenu.
w tym eksperymencie bada się katalityczny rozkład nadtlenku wodoru nad katalizatorem platynowym.
najpierw przygotuj 5 rozcieńczeń nadtlenku wodoru, jak pokazano w tabeli., W tym przypadku stężenia wahają się od 0,882 – 0,176 M, przy użyciu roztworu podstawowego 3% lub 0,882 M. Pozostawić roztwory do wyrównania do temperatury pokojowej.
następnie przygotuj naczynie reakcyjne za pomocą probówki. Najpierw określ objętość, napełniając dużą probówkę do góry wodą. Następnie włóż 1-otworowy gumowy korek, aż będzie szczelny i woda wypchnie się z otworu przez górę.
wyjąć korek i wlać wodę do cylindra z podziałką, aby zmierzyć dokładną objętość. Jest to objętość naczynia reakcyjnego.,
następnie wlać 50 mL pierwszego roztworu nadtlenku wodoru do probówki, a następnie umieścić probówkę w łaźni wodnej o temperaturze 25 °C. Po wyrównaniu dodać platynową tarczę reakcyjną i uszczelnić system korkiem podłączonym do czujnika ciśnienia gazu.
ponieważ jednym z produktów jest gaz tlenowy, wzrost ciśnienia w układzie służy do pomiaru wzrostu tlenu. Ustaw czujnik ciśnienia tak, aby pobierał dane z prędkością 2 punktów na sekundę, a następnie uruchom eksperyment przez 120 s. pęcherzyki powinny być widoczne, gdy nadtlenek rozkłada się do tlenu i wody.,
Po zakończeniu okresu reakcji zwolnij ciśnienie i wyrzuć roztwór nadtlenku. Przepłucz rurkę, a następnie napełnij rurkę następnym roztworem nadtlenku wodoru. Powtórz pomiar ciśnienia gazu dla wszystkich rozwiązań.
Oblicz ciśnienie w czasie dla każdego rozwiązania. Ciśnienie wyewoluowanego tlenu jest wprost proporcjonalne do moli tlenu utworzonych zgodnie z prawem gazu idealnego. W wyniku reakcji chemicznej utworzone Mole tlenu mogą być wykorzystane do obliczenia moli rozkładu nadtlenku wodoru., Po pierwsze, załóżmy, że stężenie nadtlenku wodoru nie zmieniło się znacząco podczas krótkiego czasu trwania eksperymentu. Tak więc wykreślone dane reprezentują tylko początkowy region eksperymentu kinetycznego.
Określ nachylenie każdego zbioru danych za pomocą regresji liniowej. Nachylenie jest równe początkowej szybkości reakcji w jednostkach ciśnienia tlenu na sekundę.
następnie Wykres logu naturalnego początkowego szybkości reakcji vs logu naturalnego początkowego stężenia nadtlenku. Nachylenie jest równe porządkowi reakcji, m i jest w przybliżeniu równe 1., Dlatego reakcja jest pierwsza kolejność.
szybkość dla każdej próby jest wyrażona w jednostkach ciśnienia w Torr, na sekundę. Aby określić stałą szybkości, najpierw Przelicz szybkość na jednostki atmosfer na sekundę. Ponieważ pęcherzyki wyewoluowały w roztworze wodnym, należy odjąć ciśnienie pary wody od ciśnienia w układzie dla każdej próby. Nowa szybkość odzwierciedla wtedy tylko ciśnienie spowodowane ewolucją tlenu.
Zastosuj prawo gazu idealnego, aby przeliczyć szybkość z atmosfer per se na mole na s dla każdej próby., Dwa razy Mole wytwarzanego tlenu są równe molom nadtlenku wodoru rozkładanego, zgodnie ze stechiometrią reakcji chemicznej. Następnie użyj objętości reakcji, aby przekształcić jednostki szybkości na molarność na sekundę.
Określ stałe szybkości dla każdej próby, dzieląc szybkość w molarności na s przez stężenie początkowe. W tym eksperymencie średnia Stała szybkości, k, wynosi około 1,48 x 10-4 na s. reakcja jest pierwszego rzędu, znana z wykresu log naturalnego – log naturalnego pokazanego wcześniej. Dlatego prawo stawki można zapisać w sposób pokazany.,
teraz, gdy już przyjrzałeś się, jak określić prawo szybkości reakcji chemicznej, spójrzmy na niektóre obszary, w których ta koncepcja jest stosowana.
reakcje chemiczne są wykorzystywane w syntezie związków i materiałów stosowanych w szerokim zakresie zastosowań naukowych. Ważne jest, aby zrozumieć szybkość reakcji w tych etapach syntezy, w celu kontrolowania postępu reakcji.
na przykład synteza nanokryształów i nanorurek selenowych kadmu przebiega przez szereg reakcji chemicznych., Każda reakcja ma swój własny dyskretny szybkość reakcji, a zatem etap syntezy jest starannie kontrolowany w oparciu o szybkość wiedzy reakcji; niektóre powolne, a niektóre bardzo szybkie.
prawo szybkości reakcji może być również używane do opisu rozpadu promieniotwórczego i określenia okresu półtrwania materiału promieniotwórczego. Okres półtrwania odnosi się do czasu wymaganego do stężenia materiału, aby spaść do połowy jego początkowego stężenia.,
radioaktywność przebiega zgodnie z kinetyką pierwszego rzędu, co oznacza, że czas potrzebny do rozpadu materiału radioaktywnego do bezpiecznego poziomu może być bardzo dobrze scharakteryzowany, umożliwiając prawidłowy transport i przechowywanie materiałów radioaktywnych i odpadów radioaktywnych.
podobnie jak materiały radioaktywne, leki mają również okres półtrwania i degradacji w organizmie. Na przykład niektóre leki mają stałe o wysokiej szybkości, co oznacza, że szybko ulegają degradacji i muszą być często przyjmowane. Znajomość tego stopnia degradacji umożliwia określenie odpowiedniego dawkowania, sposobu użycia i sposobu dostawy.,
właśnie oglądałeś wprowadzenie JoVE ' a do szybkości reakcji. Powinieneś teraz zrozumieć różne porządki reakcji chemicznych, w jaki sposób odnoszą się one do szybkości reakcji chemicznych i jak określić prawo szybkości dla danej reakcji chemicznej w laboratorium.
dzięki za oglądanie!