KI + Pb(NO 3 ) 2 PbI 2 + KNO 3. fermentacja alkoholowa

Transkrypt

1 Kinetyka chemiczna

2 KI + Pb(NO 3 ) 2 PbI 2 + KNO 3 fermentacja alkoholowa

3 czynniki wpływaj ywające na szybkość reakcji chemicznych stęż ężenie reagentów w (lub ciśnienie gazów w jeżeli eli reakcja przebiega w fazie gazowej) temperatura obecność innych substancji katalizatory inhibitory środowisko

4 szybkość reakcji mierzona jest jako zmiana stęż ężenia w czasie dla reakcji A B Wykres zmiany stężenia substratu i produktu w trakcie reakcji r Δc Δt B Δc Δt A stężenie (mol/dm 3 ) dla reakcji aa + bb cc + dd t (min) r 1 c Δc Δt C 1 d Δc Δt D Δc Δt A 1 b Δc Δt B jednostka szybkości reakcji szybkość Δc Δt mol/dm s 3 mol dm 3 s 1,mol l 1 s 1

5 przykład: izomeryzacja cis-butenu do trans-butenu H 3 C H C A C CH 3 H H 3 C H C B C H CH 3 [A] 0 [B] t stężenie [A] t [B] 0 czas d[b] r = = - dt d[a] dt

6 równanie kinetyczne określa szybkość reakcji jako funkcję stęż ężeń molowych reagentów sumarycznej reakcji k stała szybkości reakcji A + B C r = k [A] [B] wartość k wyznacza się doświadczalnie stała szybkości reakcji zależy od rodzaju reakcji i temperatury, nie zależy zaś od stężenia reagentów równanie kinetyczne wyznacza się doświadczalnie!!!!

7 2 NO + O 2 2NO 2 r = k [NO] 2 [O 2 ] H 2(g) + Br 2(g) 2HBr (g) r k[h2][br2 ] ' [Br ] k [HBr] 2 3 2

8 rząd d reakcji suma współczynników potęgowych w równaniu kinetycznym równanie reakcji równanie kinetyczne rząd reakcji 2NO + 2H 2 = N 2 + 2H 2 O r = k [NO] 2 [H 2 ] 3 3H 2 + N 2 = 2NH 3 r = k [H 2 ] 3 [N 2 ] CH 3 CHO = CH 4 + CO ogólnie: r = k [A] x [B] y r = k [CH 3 CHO] 3/2 x = 1 - reakcja jest 1-go rzędu względem A y = 2 - reakcja jest 2-go rzędu względem B x + y = 3, całkowity rząd reakcji wynosi 3 4 3/2

9 reakcja 0-go rzędu

10 reakcja rzędu zerowego np. reakcje fotochemiczne r d[a] dt r = k [A] t [A] 0 nachylenie = k d[a] dt = k [A] t = [A] 0 kt czas połowicznej przemiany t 1 : t [A] t = [A] 0 - kt [A] = 1 [A] 0 t 1/ 2 t 1/ 2 [ A] 0 2k

11 reakcja I-go rzędu

12 reakcja 1-go 1 rzędu r = k[a] oraz r d[a] dt [A] t [A] 0 [A] t [A] 0 e kt [ A] d[a] k[a] dt t [ A] 0 [A] d[a] [A] [A] t ln kt [A] 0 t [A] 0 t 0 e kdt kt Elementarne reakcje jednocząsteczkowe Reakcje dwucząsteczkowe przebiegające przy dużym nadmiarze jednego z reagentów t

13 funkcja liniowa: y = ax + b pkt. przecięcia = ln[a] 0 ln[a] t ln[a] t = -kt + ln[a] 0 ln[a] 0 nachylenie = k jeśli wykres ln[a] t od czasu jest linią prostą to reakcja jest 1-go rzędu czas połowicznej przemiany t 1 : ln 1 [ A] 2 [ A] ln kt1/ 2 ln kt1/ 2 1/ 2 2 kt t t 1/ 2 ln 2 k

14 reakcja 1-go rzędu [A]t [A]0 e kt ln A t kt ln A 0 CH3NC CH3CN

15 czas połowicznej przemiany dla reakcji 1-go rzędu 1 torr = Pa

16 rozpad radioaktywny jest typowym przykładem reakcji 1-go rzędu 14 C, 239 Pu, 99 Tc 14 C 14 N 0 1 innym przykładem reakcji 1-go rzędu jest rozpad H 2 O 2 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2

17 reakcja II-go rzędu

18 reakcja 2-go rzędu 2 r k[a] r d[a] dt d[a] dt k[a] 2 [ A] 2 [ A] t 0 d[a] [A] t 0 kdt 1 [A] t 1 [A] 0 kt

19 funkcja liniowa: y = ax + b 1/[A] t = kt + 1/[A] 0 1/ln[A] t jeśli wykres 1/[A] t od czasu jest linią prostą wtedy reakcja jest 2-go rzędu. nachylenie = k 1/ln[A] 0 pkt. przecięcia = 1/ln[A] 0 czas połowicznej przemiany t 1 : 1 1 kt kt1/ 2 1 [A] 2 0 [A ] 0 1/ 2 t 1/ 2 1 k[ A] 0 1 [A] 0 t

20 wpływ temperatury na szybkość reakcji chemicznej T1 < T2 < T3 szybkość reakcji t = constans temperatura im wyższa temperatura tym reakcja chemiczna zachodzi z większ kszą szybkości cią

21

22 r =kf(c) we wzorze na szybkość nie ma wpływu temperatury stała szybkość reakcji musi zależeć od T przykład: dla reakcji CH3NC CH3CN 190 C k 190 = s C k 250 = s -1

23 Równanie Arhheniusa k A exp E a RT A = czynnik częstości zderzeń (L/mol*s) E a = energia aktwacji (kj/mol) R = stała gazowa, J/mol*K

24 diagram energetyczny reakcji chemicznych E stan przejściowy substraty E a E produkty reakcja egzotermiczna energia aktywacji E a = E (stan przejściowy) E (substraty) ciepło reakcji, energia reakcji E = E (produkty) E (substraty)

25 diagram energetyczny reakcji chemicznych E stan przejściowy substraty E a E produkty reakcja endotermicznej

26 energia aktywacji wielkość bariery energetycznej, którą musi pokonać układ reagujących indywiduów chemicznych, aby doszło do reakcji chemicznej E a RT ln k A energię aktywacji dla reakcji można wyznaczyć na podstawie równania Arhheniusa znając szybkość reakcji w różnych temperaturach

27 metoda graficzna k Ae E a / RT ln Ea 1 k ln A R T nachylenie = -E a /R pkt. przecięcia = lna

28 na podstawie dwóch punktów R ln k 1 E a 1 T 2 k 1 T 2 1

29 Katalizator substancja która przyspiesza reakcję i nie zostaje zużyta w trakcie katalizowanej reakcji. Enzym duża cząsteczka (zwykle białko) katalizująca reakcje biologiczne.. Katalizę dzielimy na: Homogeniczną: katalizator stanowi tą samą fazę jak substraty. Heterogeniczną: katalizator stanowi oddzielną fazę niż substraty.

30 przykład procesu katalitycznego Rozkład wody utlenionej przebiega powoli: 2 H 2 O 2 (aq) 2 H 2 O (l) + O 2 (g) Dodatek KI przyspiesza reakcję Mechanizm: step 1: H 2 O 2 (aq) + I (aq) H 2 O (l) + IO (aq) etap limitujący step 2: H 2 O 2 (aq) + IO (aq) H 2 O (l) + O 2 (g) + I (aq) szybko 2 H 2 O 2 (aq) 2 H 2 O (l) + O 2 (g) Szybkość reakcji = k [H 2 O 2 ] [I ]

31 bez katalizatora E substraty z katalizatorem produkty droga reakcji

32 C(diament) C(grafit) Δ r G = -2,8678 kj/mol reakcja dozwolona termodynamicznie dlaczego nie zachodzi samorzutnie? reakcja niedozwolona kinetycznie!

33 reakcje złożone k reakcje odwracalne A 1 B k 2 r r r reakcje równoległe A k 1 k 2 k 3 B C D k reakcje następcze A 1 k B 2 C

34 Zadanie 1 Podaj w jakich jednostkach wyraża się stała szybkości reakcji: zerowego rzędu pierwszego rzędu drugiego rzędu Zadanie 2 Szybkość reakcji A + 2B 3C+D wynosi 1,0 mol/(dm 3 s). Jaka jest szybkość tworzenia lub zużywania poszczególnych reagentów? Zadanie 3 Energia aktywacji reakcji rozpadu N 2 O 5 wynosi 24,7 kcal/mol. Ile razy szybciej reakcja ta przebiegnie w temperaturze 35 C aniżeli w temperaturze 25 C?

35 Zadanie 4 Stała szybkości rozpadu pewnej substancji w temperaturze 24 C wynosi 1, dm 3 /(mol s), a w temperaturze 37 C 2, dm 3 /(mol s). Oblicz parametry Arrheniusa dla tej reakcji. Zadanie 5 Badano rozkład gazowego N 2 O 5 w temp. 55 C w zamknięty naczyniu. Stała szybkości tej reakcji wynosi 1, s -1. Na początku eksperymentu ciśnienie cząstkowe N 2 O 5 wynosiło p 0 =2, Pa. a) Zapisz równanie (równania) przebiegających reakcji b) Określ rząd badanej reakcji c) Oblicz czas połowicznego rozpadu N 2 O 5 d) Po jakim czasie cząstkowe ciśnienie N 2 O 5 obniży się do 3, Pa?

36 Zadanie 6 Obliczyć wiek minerału zawierającego w 1g g uranu i cm 3 helu (w przeliczeniu na warunki normalne). Należy przyjąć w obliczeniach okres półtrwania uranu za równy 4,51*10 9 lat, pamiętając przy tym, że rozpad jednego jądra uranu 238 daje w ostatecznym wyniku 206 Pb i 8 cząsteczek α.

37 Zadanie 7 Jeden ze sposobów oznaczania wieku minerałów ( datowanie ) jest tzw. metoda argonowa. Polega na porównaniu zawartości promieniotwórczego izotopu 40 K i okludowanego izotopu 40 Ar. W najprostszej wersji tej metody zakłada się że cała ilość argonu-40 jest produktem promieniotwórczego rozpadu 40 K. Okres połowicznego rozpadu izotopu 40 K jest tak długi (1, lat), że metodą argonową można oznaczać wiek minerałów, porównywalny z wiekiem Ziemi. Próbka pewnego minerału zawierała 0,072 g potasu-40, a z porów tej próbki uzyskano 82 cm 3 argonu-40 (w temp. 290K i od ciśnieniem 1013 hpa). Napisz równanie kinetyczne stanowiące podstawę obliczenia wieku minerału Oblicz stałą rozpadu promieniotwórczego, odpowiadającą podanemu w treści zadania czasowi połowicznego rozpadu 40 K Oblicz wiek minerału