alla kemiska reaktioner har en specifik hastighet, som definierar hur snabbt reaktanterna blir till produkter.
kemiska reaktioner styrs av två faktorer: kinetik och termodynamik. Termodynamiska faktorer står för huruvida en reaktion kommer att inträffa, och om den absorberar eller avger energi under processen.
kinetik avser hastigheten för en kemisk reaktion och hur snabbt systemet når jämvikt., Kinetiken för en reaktion beskrivs av den kinetiska hastighetslagen, som definierar hastigheten baserat på en reaktionshastighetskonstant, koncentrationen av komponenter och reaktionens ordning.
denna video kommer att införa reaktionskinetik med hjälp av rate law ekvation, och kommer att visa hur man bestämmer rate law för en viss reaktion i laboratoriet.
för en allmän reaktion är reaktionshastigheten lika med hastighetskonstant gånger reaktanternas koncentrationer, som var och en höjs till en reaktionsordning. Hastighetskonstanten, k, är fixerad för en reaktion vid en given temperatur.,
reaktionsordningarna är oberoende av de stökiometriska koefficienterna. Istället är de beroende av reaktionsmekanismen och illustrerar hur hastigheten är relaterad till koncentrationen av reaktanter. Till exempel, om reaktionshastigheten är oförändrad när koncentrationen av ”A” fördubblas, beror reaktionen inte på koncentrationen och ordern är noll.
om hastigheten fördubblas när koncentrationen av reaktant ”a” fördubblas, är reaktionen första ordningen med avseende på ”A.” samma beteende är sant för reaktant ”B”., Den övergripande ordningen för en reaktion är summan av de individuella reaktionsordningarna för varje reaktant.
under en reaktion förändras koncentrationen av reaktanter med tiden. Observera att grundhastighetsekvationen inte inkluderar tid som variabel och endast kan relatera hastighet och koncentration vid en viss tidpunkt. Hastigheten ändras emellertid när reaktionen fortskrider och som reaktanter är utarmade. Med hjälp av en differentierad skattesats lag kan relatera förändringen i koncentration till tid.,
hastighetslagen för en reaktion måste bestämmas experimentellt, där en kemisk reaktion kontrolleras noggrant vid en konstant temperatur och koncentrationen av reaktanterna eller produkterna uppmätta vid specifika tidsintervall. Eftersom koncentrationsmätningar görs vid diskreta tidpunkter är differentialhastighetslagen svår att korrelera med experimentella data.
integrering av differentialräntelagen resulterar i en enklare ekvation, kallad den integrerade rate law. Den integrerade rate-lagen jämför reaktantkoncentrationerna i början av reaktionen och vid en viss tidpunkt.,
den integrerade rate law ekvationen varierar beroende på reaktionens ordning. Dessa ekvationer kan ta den linjära formen y=mx + b. således ger en plot av koncentration vs tid en linjär plot för en nollorderekvation, en plot av den naturliga loggen av koncentration vs tid ger en linjär plot för en första orderekvation, och så vidare. Genom att montera experimentella data på dessa ekvationer kan reaktionsordningen lätt bestämmas. Hastighetskonstanten, k, kan sedan bestämmas med hjälp av lutningen på linjen. Slutligen varierar enheterna i k beroende på reaktionens ordning., För en nollorderreaktion är enheterna mol per liter per sekund, för en första ordningsreaktion är enheterna inversa sekunder och för en andra ordningsreaktion är enheterna liter per mol per sekund.
nu när grunderna i kinetiska hastighetslagar har förklarats, låt oss ta en titt på hur man experimentellt bestämmer hastighetslagen för sönderdelning av väteperoxid till vatten och syre.
i detta experiment undersöks den katalytiska sönderdelningen av väteperoxid över en platinakalysator.
Förbered först 5 utspädningar väteperoxid, som visas i tabellen., I detta fall varierar koncentrationerna från 0,882-0,176 m, med en 3% eller 0,882 m stamlösning. Låt lösningarna jämnas till rumstemperatur.
förbered sedan reaktionskärlet med ett provrör. Först bestämma volymen genom att fylla ett stort provrör till toppen med vatten. Sätt sedan in ett 1-håls gummipropp tills det är tätt och vatten skjuter ut ur hålet genom toppen.
Ta bort proppen och häll vattnet i en graderad cylinder för att mäta den exakta volymen. Detta är reaktionskärlets volym.,
häll sedan 50 mL av den första väteperoxidlösningen i provröret och placera sedan röret i 25 °C-vattenbadet. När jämvikt, lägga till en platina belagd reaktionsskiva, och försegla systemet med en propp ansluten till en gastrycksensor.
eftersom en av produkterna är syregas används ökningen av trycket i systemet för att mäta ökningen av syre. Ställ in trycksensorn för att få data vid 2 poäng per s, kör sedan experimentet i 120 s. bubblor ska vara synliga när peroxiden sönderdelas till syregas och vatten.,
När reaktionsperioden är över, släpp trycket och kassera peroxidlösningen. Skölj röret och fyll sedan röret med nästa väteperoxidlösning. Upprepa gastryckmätningen för alla lösningar.
Rita tryck-och tidsdata för varje lösning. Trycket av utvecklat syre är direkt proportionellt mot de Mol av syre som bildas enligt den ideala gaslagen. Efter den kemiska reaktionen kan de bildade molerna av syre användas för att beräkna molerna av sönderdelad väteperoxid., Först anta att koncentrationen av väteperoxid inte förändrades signifikant under experimentets korta varaktighet. Således representerar de plottade uppgifterna endast den ursprungliga regionen av kinetikexperimentet.
Bestäm lutningen för varje datamängd med hjälp av en linjär regression. Lutningen är lika med den ursprungliga reaktionshastigheten i enheter av syretryck per sekund.
nästa, plot av den naturliga loggen av den ursprungliga reaktionshastigheten vs den naturliga loggen av initial peroxidkoncentration. Lutningen är lika med reaktionsordningen, m, och är ungefär lika med en., Därför är reaktionen första ordningen.
hastigheten för varje försök är i tryckenheter i Torr, per sekund. För att bestämma hastighetskonstanten, konvertera först hastigheten till atmosfärenheter per sekund. Eftersom bubblorna utvecklats i den vattenhaltiga lösningen, subtrahera ångtrycket av vatten från systemtrycket för varje försök. Den nya hastigheten återspeglar då bara trycket på grund av syreutveckling.
tillämpa den ideala gaslagen för att omvandla hastigheten från atmosfärer i sig till mol per s för varje försök., Två gånger mol syre produceras är lika med mol väteperoxid sönderdelas, enligt den kemiska reaktionen stökiometri. Använd sedan reaktionsvolymen för att omvandla enheterna av hastigheten till molaritet per sekund.
Bestäm hastighetskonstanterna för varje försök genom att dividera hastigheten i molaritet per s med den ursprungliga koncentrationen. I detta experiment är den genomsnittliga hastighetskonstanten, k, ungefär 1,48 x 10-4 per s. reaktionen är första ordningen, känd från den naturliga loggen-naturlig loggplot som visas tidigare. Därför kan skattelagen skrivas som visas.,
nu när du har tittat på hur du bestämmer hastighetslagen för en kemisk reaktion, låt oss titta på några områden där detta koncept tillämpas.
kemiska reaktioner används vid syntes av föreningar och material som används i ett brett spektrum av vetenskapliga tillämpningar. Det är viktigt att förstå reaktionshastigheten i dessa syntessteg för att kontrollera utvecklingen av en reaktion.
till exempel fortsätter syntesen av kadmiumselenid nanokristaller och nanoroder genom en serie kemiska reaktioner., Varje reaktion har sin egen diskreta reaktionshastigheten, och därför är syntessteget noggrant kontrollerat baserat på reaktionens kunskapshastighet; några långsamma och några mycket snabba.
reaktionshastighetslagen kan också användas för att beskriva radioaktivt sönderfall och bestämma halveringstiden för radioaktivt material. Halveringstid avser den tid som krävs för att koncentrationen av ett material ska falla till hälften av dess ursprungliga koncentration.,
radioaktivitet följer första ordningens kinetik, vilket innebär att den tid som krävs för att radioaktivt material ska sönderfalla till en säker nivå kan karakteriseras mycket väl, vilket möjliggör korrekt transport och lagring av radioaktivt material och radioaktivt avfall.
i likhet med radioaktiva material har droger också en halveringstid och försämras i kroppen. Till exempel har vissa droger höga konstanter, vilket innebär att de försämras snabbt och måste tas ofta. Kunskap om denna nedbrytningshastighet möjliggör bestämning av lämplig dosering, användning och leveransmetod.,
Du har just sett joves introduktion till reaktionshastigheter. Du bör nu förstå de olika ordningarna av kemiska reaktioner, hur de relaterar till kemiska reaktionshastigheter och hur man bestämmer hastighetslagen för en given kemisk reaktion i laboratoriet.
Tack för att du tittade!