Równania kinetyczne prostych reakcji.

Podobne dokumenty
Kinetyka. Kinetyka. Stawia dwa pytania: 1)Jak szybko biegną reakcje? 2) W jaki sposób przebiegają reakcje? energia swobodna, G. postęp reakcji.

Kinetyka. energia swobodna, G. postęp reakcji. stan 1 stan 2. kinetyka

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

Inżynieria Biomedyczna

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

1 Kinetyka reakcji chemicznych

Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot: Chemia budowlana Zakład Materiałoznawstwa i Technologii Betonu

Kinetyka i równowaga reakcji chemicznej

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

fermentacja alkoholowa erozja skał lata dni KI + Pb(NO 3 ) 2 PbI 2 + KNO 3 min Karkonosze Pielgrzymy (1204 m n.p.m.)

Wykład 21 XI 2018 Żywienie

Enzymologia I. Kinetyka - program Gepasi. Uniwersytet Warszawski Wydział Biologii Zakład Regulacji Metabolizmu

Chemia ogólna nieorganiczna Wykład XII Kinetyka i statyka chemiczna

Kinetyka reakcji chemicznych. Dr Mariola Samsonowicz

Wykład 4. Anna Ptaszek. 9 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 4. Anna Ptaszek 1 / 29

Odwracalność przemiany chemicznej

Wykład 4. Anna Ptaszek. 27 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 4. Anna Ptaszek 1 / 31

erozja skał lata KI + Pb(NO 3 ) 2 PbI 2 + KNO 3 min Karkonosze Pielgrzymy (1204 m n.p.m.)

EGZAMIN MATURALNY Z MATEMATYKI

Ćwiczenie 14. Maria Bełtowska-Brzezinska KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH

Wykład 10 Równowaga chemiczna

Geometria analityczna

WYZNACZANIE STAŁEJ SZYBKOŚCI REAKCJI I ENERGII AKTYWACJI

PRAWIDŁOWE ODPOWIEDZI DO ZADA ZAMKNITYCH

ĆWICZENIE NR 11 KINETYKA WYMIANY IZOTOPOWEJ W UKŁADZIE HOMOGENICZNYM

( ) Pochodne. Załómy, e funkcja f jest okrelona w pewnym otoczeniu punktu x 0. Liczb

PLAN WYNIKOWY Z CHEMII

Podstawy termodynamiki

Podstawy kinetyki i termodynamiki chemicznej. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Wykład z Chemii Ogólnej i Nieorganicznej

Chemia fizyczna 2 - wykład

EFEKT SOLNY BRÖNSTEDA

Wyznaczanie stałej szybkości reakcji wymiany jonowej

c t x v KINETYKA CHEMICZNA

M10. Własności funkcji liniowej

Liniowe równania ró»niczkowe n tego rz du o staªych wspóªczynnikach

Chemia fizyczna/ termodynamika, 2015/16, zadania do kol. 2, zadanie nr 1 1

WNIOSEK REKRUTACYJNY NA ZAJĘCIA KÓŁKO OLIMPIJSKIE Z CHEMII - poziom PG

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

FUNKCJA LINIOWA. Zadanie 1. (1 pkt) Na rysunku przedstawiony jest fragment wykresu pewnej funkcji liniowej y = ax + b.

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Planowanie adresacji IP dla przedsibiorstwa.

ZADANIA Z CHEMII Efekty energetyczne reakcji chemicznej - prawo Hessa

Kinetyka reakcji chemicznych

Kinetyka chemiczna jest działem fizykochemii zajmującym się szybkością i mechanizmem reakcji chemicznych w różnych warunkach. a RT.

A B. Modelowanie reakcji chemicznych: numeryczne rozwiązywanie równań na szybkość reakcji chemicznych B: 1. da dt. A v. v t

Kontakt,informacja i konsultacje

MODEL ODPOWIEDZI I SCHEMAT OCENIANIA ARKUSZA II

To jest. Ocena bardzo dobra [ ] energetycznych. s p d f. Ocena dobra [ ] izotopowym. atomowych Z. ,, d oraz f.

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

WNIOSEK REKRUTACYJNY NA ZAJĘCIA KÓŁKO OLIMPIJSKIE Z CHEMII - poziom PG

Wykład 3. Entropia i potencjały termodynamiczne

Rozwi zanie równania ró»niczkowego metod operatorow (zastosowanie transformaty Laplace'a).

KLUCZ PUNKTOWANIA ODPOWIEDZI

FUNKCJA LINIOWA - WYKRES. y = ax + b. a i b to współczynniki funkcji, które mają wartości liczbowe

Chemia - laboratorium

Rys1 Rys 2 1. metoda analityczna. Rys 3 Oznaczamy prdy i spadki napi jak na powyszym rysunku. Moemy zapisa: (dla wzłów A i B)

ODPOWIEDZI I SCHEMAT PUNKTOWANIA ZESTAW NR 2 POZIOM PODSTAWOWY. 1. x y x y

SPIS OZNACZE 1. STATYKA

Materiały metalowe. Wpływ składu chemicznego na struktur i własnoci stali. Wpływ składu chemicznego na struktur stali niestopowych i niskostopowych

Równania ró»niczkowe I rz du (RRIR) Twierdzenie Picarda. Anna D browska. WFTiMS. 23 marca 2010

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

3.2. RÓWNANIA I NIERÓWNOŚCI LINIOWE.

Dysocjacja kwasów i zasad. ponieważ stężenie wody w rozcieńczonym roztworze jest stałe to:

Laboratorium 5. Wpływ temperatury na aktywność enzymów. Inaktywacja termiczna

Wykład 1 i 2. Termodynamika klasyczna, gaz doskonały

I piętro p. 131 A, 138

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 4

ROZDZIAŁ III: Stany nieustalone Temat 8 : Stan ustalony i nieustalony w obwodach elektrycznych.

Politechnika Warszawska. Wydział Budownictwa Mechaniki i Petrochemii w Płocku Laboratorium Chemii Budowlanej

TERMOCHEMIA. TERMOCHEMIA: dział chemii, który bada efekty cieplne towarzyszące reakcjom chemicznym w oparciu o zasady termodynamiki.

Podstawowe pojęcia 1

Statyczna próba skrcania

2. LICZBY RZECZYWISTE Własności liczb całkowitych Liczby rzeczywiste Procenty... 24

Sposoby przekazywania parametrów w metodach.

I Powiatowy Konkurs Matematyka, Fizyka i Informatyka w Technice Etap finałowy 10 kwietnia 2013 grupa elektryczno-elektroniczna

Arytmetyka. Działania na liczbach, potęga, pierwiastek, logarytm

Elementy pneumatyczne

Matematyka licea ogólnokształcące, technika

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Termodynamika Część 6 Związki i tożsamości termodynamiczne Potencjały termodynamiczne Warunki równowagi termodynamicznej Potencjał chemiczny

Termodynamika techniczna i chemiczna, 2015/16, zadania do kol. 1, zadanie nr 1 1

Zespół kanoniczny N,V, T. acc o n =min {1, exp [ U n U o ] }

1. Zaproponuj doświadczenie pozwalające oszacować szybkość reakcji hydrolizy octanu etylu w środowisku obojętnym

stopie szaro ci piksela ( x, y)

Elementy geometrii w przestrzeni R 3

Chemia fizyczna/ termodynamika, 2015/16, zadania do kol. 1, zadanie nr 1 1

PRZEDMIOTOWY SYSTEM OCENIANIA PROSTO DO MATURY KLASA 1 ZAKRES PODSTAWOWY

Pochodna funkcji jednej zmiennej

Chemia fizyczna (2013/2014) kinetyka chemiczna

Opis matematyczny ukªadów liniowych

KLUCZ ODPOWIEDZI DO ZADA ZAMKNITYCH POPRAWNA ODPOWIED 1 D 2 C 3 C 4 B 5 D 6 A 7 D 8 D 9 A 10 C 11 B 12 A 13 A 14 B 15 D 16 B 17 C 18 A 19 B 20 D

Oba zbiory s uporz dkowane liniowo. Badamy funkcj w pobli»u kresów dziedziny. Pewne punkty szczególne (np. zmiana denicji funkcji).

Zajęcia nr. 3 notatki

Przegląd termodynamiki II

- Wydział Fizyki Zestaw nr 2. Krzywe stożkowe

- Wydział Fizyki Zestaw nr 2. Krzywe stożkowe

Transkrypt:

Szybko reakcji chemicznej definiowana jest jako ubytek stenia substratu lub przyrost stenia produktu w jednostce czasu. W definicjach szybkoci innych zjawisk wana jest wielko okrelajca kinetyk w danej chwili, tzn. wielko rzeczywista a nie rednia. v= - dc/ dt = + dx/dt Rzeczywista szybko jest pochodn stenia substratu wzgldem czasu (ze znakiem minus, poniewa szybko ma sens fizyczny jako wielko dodatnia) lub pochodn stenia produktu wzgldem czasu. Szybko reakcji jest funkcja stenia reagentów. Funkcj t zapisujemy w formie ogólnie stosowanego równania kinetycznego. Jeeli w reakcji bior udział substraty A,B,C i reakcja jest prosta,tzn. przebiega tylko w jednym kierunku,wówczas v = k [A] a [B] b [C] c Gdzie : k jest tzw. stał szybkoci reakcji, jest dla danej reakcji wielkoci stał w danej temperaturze,zaley bardzo silnie od temperatury. Symbole w nawiasach kwadratowych oznaczaj stenia poszczególnych substratów. Współczynniki potgowe przy steniach poszczególnych substratów okrelaj rzd reakcji. Rzd reakcji odróniamy rzd reakcji sumaryczny od rzdów reakcji wzgldem poszczególnych substratów. Współczynniki potgowe przy steniach w równaniach kinetycznych nie zawsze pokrywaj si ze współczynnikami stechiometrycznymi. Czsteczkowo reakcji liczba czstek biorcych udział w elementarnej przemianie. Zapis równania kinetycznego mówi, ze dana reakcja jest rzdu a wzgldem substratu A, rzdu b wzgldem B, i c wzgldem C, a sumaryczny rzd reakcji wynosi a+b+c. Jeeli reakcja chemiczna przebiega przez tylko jedna elementarna przemian, wówczas wszystkie trzy wielkoci,a wic rzd reakcji, czsteczkowo i suma współczynników stechiometrycznych pokrywaj si. W reakcjach przebiegajcych poprzez kilka stadiów przemian elementarnych te trzy wielkoci mog by zupełnie rone. Rzd reakcji stosuje si do eksperymentalnego równania szybkoci, natomiast czsteczkowo okrela teoretyczny mechanizm przemiany elementarnej. Równania kinetyczne prostych reakcji. Dla reakcji pierwszego rzdu, szybko moemy zapisa w sposób : -dc/dt = k c lub dx/dt = k(a-x) w drugim zapisie a oznacza stenie pocztkowe substratu, natomiast x aktualne stenie produktu. Po scałkowaniu dc/c = k dt + const Otrzymujemy lnc = kt + const. Stał całkowania znajdziemy z warunków pocztkowych; biorc za t=0, const= -ln c 0 Po scałkowaniu otrzymujemy ln a/a-x = kt Czas połówkowy reakcji to czas, po upływie którego stenie substratu spada do połowy pocztkowej wartoci. Podstawiajc do wczeniejszego równania c=1/2c 0 otrzymujemy, e czas połówkowy I rzd = ln2/k wynika std, e czas ten nie zaley od stenia pocztkowego substratu. W przypadku reakcji drugiego rzdu równanie kinetyczne ma posta dx/dt =k(a-x)(b-x) Gdzie : a i b- stenia pocztkowe substratów a x - stenie aktualne produktu 1

Wyznaczanie rzdu reakcji W przypadku reakcji trzeciego rzdu, kiedy bierze udział w reakcji tylko jeden substrat, lub gdy stenia substratów s jednakowe, równanie kinetyczne ma posta - dc/dt = kc 3 po scałkowaniu przechodzi w c 02 c 2 / 2c 2 c 02 = k t Najprostszy sposób wyznaczenia rzdu reakcji, to sprawdzanie stałoci k w równaniach kinetycznych odpowiednich rzdów. O wartoci rzdu reakcji informuje nas take zachowanie si czasu połówkowego reakcji. Dla reakcji pierwszego rzdu czas ten nie zaley od stenia pocztkowego. Dla innych rzdów czas ten zaley od c 0. ogólnie ~ 1/c 0 n-1 n-rzd reakcji Najdokładniejsz metod wyznaczenia rzdu reakcji jest porównywanie pocztkowej szybkoci reakcji dla okrelonych ste pocztkowych. Przez zastosowanie duego nadmiaru wszystkich pozostałych substratów w stosunku do badanego składnika mona okreli rzd reakcji wzgldem konkretnych składników. Badanie szybkoci reakcji w stadium pocztkowym jest wane, e eliminujemy ewentualny wpływ reakcji odwrotnych. Trzeba podkreli ze wszystkie reakcje s dwukierunkowe, d do osignicia równowagi termodynamicznej, w której szybkoci reakcji w obu kierunkach si zrównuj. Reakcje odwrotne Reakcje złoone S to najczciej spotykane reakcje złoone. Niemal wszystkie reakcje s odwracalne i po pewnym czasie, od chwili rozpoczcia reakcji, szybko jest ich wypadkow z reakcji w jednym i drugim kierunku. A Tylko dla reakcji o prostym mechanizmie i niskiej całoliczbowej rzdowoci moliwe jest cisłe ilociowe ujcie sumarycznej kinetyki procesu. B Reakcje odwrotne Jeeli reakcje zachodzce zarówno w prawo jak i w lewo s pierwszego rzdu, to wówczas mona zapisa dla tej reakcji nastpujce równanie kinetyczne: gdzie: dx/dt = k 1 (a x) k 1 x = k 1 a (k 1 + k -1 )x a- stenie pocztkowe substratu k- stała szybkoci x- aktualne stenie produktu Reakcje odwrotne Po scałkowaniu tego równania kinetycznego, otrzymuje si nastpujc zaleno: gdzie: z = k 1 a/(k 1 + k -1 ) ln z/z-x = (k 1 + k -1 )t Stosunek k -1 = K, gdzie K jest stał równowagi reakcji chemicznej. 2

Reakcje równoległe A k 1 Jeeli obie reakcje s pierwszego rzdu, wówczas równanie kinetyczne mona przedstawi w postaci: B C dx/dt = k 1 (a-x) + (a-x)= (k 1 + ) (a-x) Reakcje równoległe Po scałkowaniu otrzymuje si nastpujce wyraenie: ln a/a x = (k 1 + )t Sumaryczna szybko reakcji jest zwykle uwarunkowana jedn z dwu równoległych reakcji jeeli k 1 >> lub k 1 <<. Gdzie: x oznacza ubytek stenia substratu (sum ste produktów) Reakcje nastpcze O reakcjach nastpczych mówimy wtedy gdy produkt reakcji staje si substratem dla dalszej reakcji a stałe szybkoci tych reakcji s porównywalne. Reakcje nastpcze Równania kinetyczne tych reakcji s nastpujce: dx/dt = k 1 (a x) dy/dt = k 1`(x y) k 1 A B C (a-x) (x-y) y a-x, x-y,y oznaczaj aktualne stenia reagentów A, B, C a- stenie pocztkowe wyjciowego substratu A k 1` Teoria zderze aktywnych Reakcje nastpcze Efektywne w sensie chemicznym s zderzenia tylko midzy czsteczkami majcymi wystarczajcy zasób energii. Z teorii kinetycznej gazów wiemy, e ułamek czsteczek o energii równej lub przewyszajcej pewn warto a wynosi x = e -a/kt lub x = e -Ea/RT Rys. 1. Zmiany ste reagentów w reakcji nastpczej dla przypadku k 1 =k 1` jeeli energi liczy na 1 mol 3

Jeeli przez Z 0 oznaczymy liczb wszystkich zderze midzy reagujcymi czsteczkami, to liczba zderze aktywnych wyniesie gdzie: Z = Z 0 e -Ea/RT Z- ma wymiar szybkoci reakcji; wyraa liczb czsteczek reagujcych w przecigu sekundy Ea- energia aktywacji Energia aktywacji H 2 + J 2 = 2 HJ Rys. 2. Bariera energetyczna reakcji chemicznej H 2 + J 2 = 2 HJ Równanie Arrheniusa Równanie Z = Z 0 e -Ea/RT pociga za sob fakt, e ten sam typ zalenoci wystpi w wyraeniu na stał szybkoci gdzie: k = Ae -Ea/RT A- czynnik czstoci (przedekspotencjalny), wielko stała, niezalena od temperatury Równanie Arrheniusa Jeeli równanie zlogarytmujemy, otrzymamy: ln k = - E a /RT + ln A Wykrelajc zaleno ln k od odwrotnoci temperatury, otrzymujemy lini prost, której tangens kta nachylenia okrela warto E a /R Równanie Arrheniusa Równanie Arrheniusa mona ogólniej zapisa w postaci róniczkowej ln k/t = E a /RT 2 Po scałkowaniu w granicach T 1 od T 2 otrzymujemy przy załoeniu, e E a = const jedn z najbardziej znanych postaci równania Arrheniusa: Rys. 3. Zaleno logarytmu stałej szybkoci reakcji syntezy jodowodoru od odwrotnoci temperatury. ln = E a /R (1/T 1 1/T 2 ) 4

Teoria reakcji jednoczsteczkowych Przykład Ile razy zwikszy si szybko reakcji chemicznej, jeeli zwikszymy temperatur od 0 do 10 C. Energia aktywacji wynosi 40 kcal/mol. Zgodnie z równaniem Arrheniusa: log = E a /2,303 R (1/T 1 1/T 2 ) log = 4 10 4 /4,576 10/273 283 = 1,131 = 13,5 W reakcji jednoczsteczkowej A B + C, pierwszym etapem jest aktywacja, tj. wzbudzenie energetyczne czsteczek na drodze zderze A + A k -2 A + A k 1 B + C Proces aktywacji jest procesem odwracalnym, tzn. zderzenie czsteczki zaktywowanej ze zwykł czsteczk moe prowadzi do dezaktywacji. Wymienione przemiany mona uj za pomoc nastpujcych równa kinetycznych d[b]/dt = k 1 [A ] d[a ]/dt = [A] 2 k -2 [A ] [A] k 1 [A ] Model stanu stacjonarnego Podczas przebiegu reakcji szybko powstawania czsteczek aktywnych równa si szybkoci ich dezaktywacji. Stosujc model stanu stacjonarnego do wczeniejszych rozwaa kinetycznych moemy stwierdzi, e [A ] jest stałe. Zatem d[a ]/dt = 0. Załoenie to jest słuszne dla nieduego przedziału czasowego. Ponadto trzeba wzi pod uwag, e wielko [A ] jest bardzo mała, a wic i zmiany w czasie bd małe. Mona wic bez wikszego błdu przyj pochodn równ zeru. Pociga to za sob: [A ] = [A] 2 /k -2 [A]+k 1 Szybko reakcji definiowanej jako d[b]/dt wynosi: d[b]/dt = k 1 [A ] = k 1 [A] 2 /k -2 [A]+k 1 Zakładajc, e k 1 >>k -2 [A] 2 otrzymujemy wyraenie: d[b]/dt = [A] 2 dla zwykłej reakcji drugiego rzdu. Jeeli natomiast k -2 A>>k 1 wówczas: d[b]/dt = k 1 /k -2 [A] = k [A] Otrzymujemy równanie kinetyczne reakcji pierwszego rzdu. 5

Teoria stanów przejciowych Szczyt bariery energetycznej, która musi by pokonana podczas przemiany, nie jest równowany stanowi dysocjacji. Jest to stan, w którym działaj w równym stopniu pierwotne jak i nowe wizania. Stan taki nazywamy aktywnym stanem przejciowym. A + B (AB) C + D (AB) - aktywny stan przejciowy. Szybko tej reakcji jest proporcjonalna do stenia stanów przejciowych: d[c]/dt = b[(ab) ] b- czynnik czstoci, okrela szybko z jak aktywny kompleks przejciowy przechodzi do stanu kocowego, lub pocztkowego reakcji; jest odwrotnoci czasu ycia kompleksu. b = kt/h k- stała Boltzmana, h- stała Planca, współczynnik transmisji Aktywny kompleks (AB) jest w równowadze z substratami. Stała równowagi tej reakcji wynosi: K = [(AB) ]/[A][B] std: [(AB) ] = K [A][B] Szybko reakcji bdzie zatem okrelona wzorem: d[c]/dt = bk [A][B] Stał równowagi K wyrazi mona za pomoc funkcji termodynamicznych tworzenia aktywnego kompleksu, zgodnie z równaniem: G 0 = -RTlnK c Poniewa G 0 = H 0 - TS 0 otrzymujemy: k = be Sº/R e -Hº/R Wielkoci S 0 i H 0 nosz nazw entropii i entalpii aktywacji. 6