Upute za rad u laboratoriju

U disciplini "Kemija" za studente

Sastavio V.S. Aksenov

Recenzent

Doktor kemijskih znanosti, prof F.F. Niyazi

Brzina kemijskih reakcija: Smjernice za laboratorijski rad u disciplini "Kemija" / Kursk. stanje tehn. Sveučilište; Comp. V.S.Aksenov. Kursk, 2003. 20 str.

Prikazani su metodološki materijali za proučavanje teme "Brzina kemijskih reakcija", izračunavanje brzina u kemijskim reakcijama i izvođenje laboratorijskih radova.

Namijenjen studentima svih specijalnosti koji studiraju opću kemiju

Stol 2. Il. 2.

ID broj 06430 od 10.12.01.

Potpisano za tisak. Format 60x84 1/16. Offset tisak. Cond.bake.l. 1.16. Akademik-ur.l. 1.05. Naklada 50 primjeraka.

Redoslijed

Državno tehničko sveučilište Kursk.

Centar za izdavaštvo i tisak Kurskog državnog tehničkog sveučilišta. 305040 Kursk, ul. 50 godina listopada, 94.

1. Sigurnosna pitanja o temi

2. Kolika je brzina kemijske reakcije? U kojim jedinicama se mjeri?

3. Što su prave i prosječne stope reakcije? Što se dogodilo kinetička jednadžba

4. reakcije (zakon djelovanja mase)?

5. Kako se piše kinetička jednadžba za homogenu reakciju?

6. Koje su značajke heterogenih reakcija?

7. Što su kinetička, difuzijska i mješovita kontrola u heterogenim reakcijama?

8. Koji oblici pisanja postoje za kinetičke jednadžbe heterogenih reakcija?

10 Što je konstanta brzine reakcije? Koji uvjeti reakcije utječu, a koji ne utječu na konstantu brzine?

12 . Kada tlak utječe na brzinu kemijske reakcije?

13 . Kako temperatura utječe na brzinu kemijske reakcije? Navedite van't Hoffovu jednadžbu.

14 . Koliki je temperaturni koeficijent reakcije?

. Što je kataliza? Na koje procesne parametre utječe katalizator?

Brzina kemijskih reakcija.

Kinetika je proučavanje brzine raznih procesa, uključujući kemijske reakcije. Jedan od osnovnih pojmova kemijske kinetike je brzina reakcije. Brzina kemijske reakcije V nazvao.

U homogenom sustavu reakcijski prostor je volumen posude u kojem se odvija međudjelovanje, a količina tvari po jedinici volumena naziva se koncentracijaS a izražava se u mol/l.

Stoga, u slučaju homogenog procesa koji se odvija pri konstantnom volumenu, brzina homogene kemijske reakcije mjeri se promjenom koncentracije bilo koje tvari koja reagira po jedinici vremena.

Obično se vrijeme τ izražava u sekundama, tako da je dimenzija brzine reakcije obično mol/l sek. Tijekom kemijske interakcije koncentracija svake od polaznih tvari s vremenom opada (S 2 <С 1 , ΔS<0) , a koncentracija svakog produkta reakcije raste (S 2 >C 1 , ΔS>0) . Promjena koncentracija polaznih tvari i produkata reakcije tijekom vremena prikazana je na slici 1. U kemijskoj kinetici pravi se razlika između prosječne i prave (ili trenutne) brzine reakcije. Prosječna brzina v jednaka omjeru ΔS/Δτ (ΔS = S 2 -S 1 , Δτ = τ 2 -τ 1 ) . Kako bi se osiguralo da je vrijednost brzine uvijek pozitivna, ispred razlomka se stavljaju znakovi "±".

V = ± ---

Δτ

Prava brzina kemijske reakcije Brzina kemijske reakcije ist određen granicom kojoj omjer teži ΔS/Δτ na τ → 0, tj. derivacija koncentracije u odnosu na vrijeme:

Brzina kemijske reakcije ist = ± -–-

dτ

Ovisnost brzine reakcije o koncentraciji reagensa. Nužan uvjet za provedbu čina kemijske interakcije između molekula mora biti njihov sudar. Sudari molekula u određenom reakcijskom prostoru pri određenoj temperaturi se češće dešavaju što je više tih molekula. Stoga brzina kemijske reakcije ovisi o koncentraciji reaktanata. Kako se koncentracija polaznih tvari s vremenom smanjuje (slika 1, krivulja 1), brzina reakcije opada.

Izražena je kvantitativna ovisnost brzine reakcije o koncentraciji reaktanata zakon djelovanja mase, koji u modernoj formulaciji izgleda ovako:

pri konstantnoj temperaturi, brzina kemijske reakcije izravno je proporcionalna umnošku koncentracija reaktanata, uzetih u potencijama jednakim stehiometrijskim koeficijentima u jednadžbi reakcije.

Za reakciju A A+b B →m M+n N

Matematički izraz za zakon djelovanja mase je:

V=k S A A ·S U b (1)

Gdje Brzina kemijske reakcije — brzina reakcije; S A I S U— koncentracije reagensa A I U;A , b — stehiometrijski koeficijenti u jednadžbi reakcije; k - koeficijent proporcionalnosti, koji se naziva konstanta brzine kemijske reakcije. Dimenzija konstante brzine određena je vrijednostima stehiometrijskih koeficijenata A I b a ostaje takva da brzina Brzina kemijske reakcije imao dimenziju mol/l∙sek. Ako nema točnih podataka, dimenzija k prihvatiti sek ―1 . Na S A = C U = 1 mol/lk brojčano jednaki Brzina kemijske reakcije . Izraz (1) također se zove kinetička jednadžba reakcije.

Konstanta brzine kemijska reakcija k određuje se prirodom tvari koje reagiraju i ovisi o temperaturi i prisutnosti katalizatora, ali ne ovisi o koncentraciji tvari koje sudjeluju u reakciji.

Primjer 1 . U reakcijsku posudu obujma 2 litre stavi se 0,06 mol tvari A i 0,02 mol tvari. Na određenoj temperaturi dolazi do reakcije A + 2B = AB 2. Nađite vrijednost konstante brzine reakcije ako je pri zadanim koncentracijama tvari A i B brzina reakcije 6·10 -7 mol/(l s).

Otopina: Poznavajući količine reaktanata i volumen sustava, nalazimo molarne koncentracije reaktanata:

S A= 0,06/2 = 0,03 = 3·10 ―2 mol/l; S U = 0,02/2 = 0.01 = 10 ―2 mol/l

Zapišimo izraz za kinetičku jednadžbu koja povezuje brzinu reakcije s koncentracijama reaktanata:

V=k S A ·S U 2

Brzina kemijske reakcije 6.10 ―7

Odavde: k = ----- = ------- = 0,2 l 2 /(mol) 2 ∙sek

S A ·S U 2 · 3 10 ―2 (10 ―2) 2

Zakon o djelovanju mase vrijedi samo za najjednostavnije interakcije u njihovom mehanizmu, koje se događaju u plinovima ili u razrijeđenim otopinama. Složene reakcije mogu biti skup paralelnih ili sekvencijalnih procesa. Zakon djelovanja mase vrijedi za svaki pojedini stupanj reakcije, ali ne i za cjelokupno međudjelovanje u cjelini. Ta faza procesa, čija je brzina minimalna, ograničava brzinu reakcije općenito. Stoga je matematički izraz zakona djelovanja mase, napisan za najsporiju (ograničavajuću) fazu procesa, istovremeno primjenjiv na cjelokupnu reakciju u cjelini.

Ako reakcija uključuje dvije ili više tvari, tada brzina reakcije može ovisiti o koncentraciji samo jedne od njih koja sudjeluje u najsporijoj fazi procesa, a ne ovisiti o koncentraciji ostalih.

Brzina heterogenih kemijskih reakcija. Mnogi kemijski procesi, koje su od velike važnosti u tehnologiji, spadaju među heterogene reakcije. Jedna ili više komponenti procesa su u kondenziranoj, obično čvrstoj fazi. Koncentracije čvrstih tvari nisu zapisane u kinetičkoj jednadžbi (zakon djelovanja mase). Konvencionalno se ove koncentracije uzimaju kao konstantne i jednake 1. Ovo je prvi značajka heterogenih reakcija. Oni idu na fazno sučelje, koje je njihov reakcijski prostor. Eto zašto drugi

Značajka kinetike ovih reakcija je utjecaj površine reakcije na brzinu reakcije. Dakle za reakciju: 2 Fe OKO 3 (K) + 3SO (G) → 2Fe + 3SO

2(G) kinetička jednadžba se može napisati kao: 3 V = k∙S CO∙S S V = k∙S— molarna koncentracija ugljičnog monoksida CO + 3SO, jedina plinovita komponenta u početnim materijalima koji reagiraju, S- površina na kojoj se odvija reakcija. Čvrsto Značajka kinetike ovih reakcija je utjecaj površine reakcije na brzinu reakcije. Dakle za reakciju: 2 Fe OKO nije upisano u kinetičku jednadžbu. Brzine heterogenih kemijskih reakcija imaju dimenziju mol/l∙sec∙m 2

Međutim, u većini slučajeva reakcijsku površinu praktički je nemoguće izmjeriti i ne pojavljuje se izravno u kinetičkoj jednadžbi (zakon djelovanja mase). Ona

"skriva" u konstanti brzine k a to se uzima u obzir u dimenziji konstante brzine.

Primjer 2 . Za reakciju: Si (TELEVIZOR) + 2H 2 Fe + 3SO  SiO 2 (TV) + 2H → 2Fe + 3SO napiši izraz za kinetičku jednadžbu.

Otopina: Ova reakcija je heterogena i odvija se na granici faza. Od tvari koje reagiraju u reakciji sudjeluje voda u plinovitom obliku, koeficijent ispred nje u jednadžbi je jednak 2 (…+ 2H 2 Fe + 3SO ). Silicij ( Si (TELEVIZOR) ) je čvrsta tvar, stoga njegovu koncentraciju ne uzimamo u obzir u kinetičkoj jednadžbi. Prema tome, kinetička jednadžba (zakon djelovanja mase) za ovu reakciju može biti: V = k·S 2 N 2 Fe. Dimenzija konstante brzine u ovom slučaju je 2 .

l/mol∙sek∙m Tijekom reakcije koncentracija reagensa u reakcijskoj zoni C S opada u odnosu na njegovu koncentraciju u volumenu C V zbog potrošnje reagensa. Eto zašto,

brzina heterogene kemijske reakcije ovisi o brzini dovoda reagensa u zonu kemijske reakcije što je treći

obilježje ovih reakcija. Najveća promjena koncentracije reagensa događa se u tankom sloju blizu reakcijske površine, tzv difuziju O m sloj.

Prijenos tvari ovdje se događa uglavnom zbog difuzije. Brzina kemijske reakcije Ako je brzina difuzije mnogo veća od brzine reakcije ( >> Brzina kemijske reakcije D ), tada se reagensi bez problema dovode u reakcijski prostor, na površinu, poštuju se sve gore opisane zakonitosti utjecaja koncentracije na brzinu. Za takve slučajeve postoji izraz “ kontrola kinetičke reakcije " Ako su brzine kemijske reakcije i difuzije usporedive, onda mješovita kontrola Brzina kemijske reakcije Ako je brzina difuzije mnogo veća od brzine reakcije ( << V . I konačno, kada je brzina difuzije mnogo manja od brzine reakcije (

) tada govore o difuzijskoj kontroli reakcije.
U Brzina kemijske reakcije― U ovom slučaju, reakcija nultog reda može se uočiti za sve reaktante. To znači da u koordinatama brzina ne ovisi o koncentracijama reagensa, već ovisi o brzini difuzije, površini i temperaturi, koji nisu uključeni u kinetičku jednadžbu. Ovaj fenomen se može dogoditi kada reagira na čvrstu površinu u tekućem mediju visoke viskoznosti. Međutim, većina heterogenih reakcija ima poredak različit od nule, često frakcijski. Na sl. Na slici 2 prikazani su grafički oblici mogućih ovisnosti brzine reakcije o koncentracijama reagensa.

Ovisnost brzine reakcije o tlaku u sustavu. U slučajevima kada se među tvarima koje reagiraju nalaze plinovi, brzina reakcija ovisi o tlaku u sustavu. S porastom tlaka proporcionalno se povećava i broj molekula plina po jedinici volumena, što je ekvivalentno povećanju koncentracije određenog plina.

Primjer 3. Kako će se promijeniti brzina reakcije? 2NO + O 2 → 2NE 2 kada se volumen zatvorenog sustava prepolovi pri konstantnoj temperaturi?

Otopina. Smanjenje volumena u zatvorenom sustavu jednako je proporcionalnom porastu tlaka, jer prema Mendeleev-Cliperonovu zakonu RW = νRT.(Ovdje W- volumen sustava.)

Kinetička jednadžba za ovu reakciju je: V=k S 2 NE ·SFe 2

Kada se volumen sustava prepolovi i pridruženi tlak udvostruči, koncentracije reaktanata također se udvostruče: S" NE = 2C NE S"Fe 2 = 2CFe 2

Nova brzina reakcije:

V" =k S" NE 2 ·S"Fe 2 = k (2 S NE ) 2 ·(2CFe 2 ) = 8 k S NE 2 ·SFe 2 = 8V

Zaključak. Kada se volumen zatvorenog sustava prepolovi pri konstantnoj temperaturi, brzina te reakcije se poveća 8 puta.

Ovisnost konstante brzine reakcije o temperaturi. Većina reakcija se ubrzava zagrijavanjem. Temperatura djeluje izravno na konstantu brzine k . Neka Brzina kemijske reakcije 1 — brzina reakcije pri temperaturi T 1 , A Brzina kemijske reakcije 2 — brzina iste reakcije pri temperaturi T 2 (T 1 <Т 2 ) . U ovom slučaju vrijedi Van't Hoffovo pravilo.

Gdje γ – temperaturni koeficijent, koji pokazuje koliko će se puta brzina reakcije povećati kada se temperatura poveća za 10 0 C. Za većinu reakcija na temperaturama blizu sobne temperature, γ je magnitude 2-4.

Van't Hoffova jednadžba naširoko se koristi, ali treba imati na umu da je ona empirijska približna i da se može koristiti samo za indikativne izračune.

Primjer 4. Na 100 0 C neke reakcije završavaju za 20 minuta. Uzimanje temperaturnog koeficijenta brzine reakcije γ = 3,5, izračunajte koliko će vremena trebati da reakcija završi na 60 0 C

Otopina. Brzina reakcije, kao i brzina svakog procesa, obrnuto je proporcionalna vremenu procesa. Stoga, Brzina kemijske reakcije 2 /V 1 = τ 1 /τ 2 . Neka T 1 , V 1 I τ 1 su parametri sporog (niskotemperaturnog) procesa, i T 2 , V 2 I τ 2 — parametri visokotemperaturnog procesa. Zamjenjujemo dostupne podatke u Van't Hoffovu jednadžbu:

Brzina kemijske reakcije 2 /V 1 = 3,5 (100 - 60)/10 = (3,5) 4 = 150. Budući da Brzina kemijske reakcije 2 /V 1 = τ 1 /τ 2 = 150,

τ 1 /τ 2 = τ 1 /20 τ 1 = 150·20 = 3000 min = 50 sati.

Jedna od metoda ubrzavanja kemijske reakcije je kataliza, koji se provodi uz pomoć tvari (katalizatora) koje povećavaju brzinu reakcije, ali se ne troše kao rezultat njezinog odvijanja. Kako s povećanjem temperature, povećava se i uvođenje katalizatora konstanta brzine reakcije. Mehanizam djelovanja katalizatora svodi se na smanjenje aktivacijske energije reakcije, tj. do smanjenja razlike između prosječne energije aktivnih molekula (aktivnog kompleksa) i prosječne energije molekula polaznih tvari. Brzina kemijske reakcije naglo se povećava

Faktor k u kinetičkim jednadžbama (1.3)-(1.8), koje pokazuju brzinu kojom se proces odvija pri koncentracijama reaktanata jednakim jedinici, naziva se konstanta brzine kemijskog procesa.

Uz brzinu, konstanta brzine kemijskog procesa je glavni parametar u kemijskoj kinetici.

Konstante brzina za reakcije različitih redova imaju različite dimenzije. Iz jednadžbe (1.5) proizlazi da je dimenzija konstante brzine za reakciju prvog reda t -1 ; iz jednadžbe (1.7) – dimenzija konstante brzine drugog reda c -1 t -1 ; konstanta brzine trećeg reda, kako slijedi iz jednadžbe (1.8), ima dimenziju c -2 t -1 , Gdje c -koncentracija, t - vrijeme.

Koncentracija se obično mjeri u mol/l, a vrijeme je u sekundama ( S). Tada je dimenzija konstante brzine prvog reda s -1 , drugo – l.mol -1 s -1, treći - l 2 .mol ​​​​-2 .s -1.

Konstanta brzine reakcije ovisi o spoju za koji se mjeri. Na primjer, u reakciji dimerizacije dušikovog dioksida

brzina nestajanja NO 2 dvostruko je veća od brzine pojavljivanja N 2 O 4.

Arrheniusova jednadžba

Konstanta brzine kemijske reakcije obično naglo raste s porastom temperature. Tipično, povećanje temperature reakcijske smjese za 10°C dovodi do povećanja brzine reakcije za 2-4 puta. Ovisnost konstante brzine reakcije o temperaturi u većini slučajeva može se opisati Arrheniusovom jednadžbom

, (1.9)

Gdje E a- energija aktivacije;

R- univerzalna plinska konstanta jednaka 8,3 J/(mol.K),

A - pre-exponential factor - faktor frekvencije koji ima dimenziju konstante brzine.

Što je vrijednost veća E a , što brže raste brzina reakcije s temperaturom. Ako su reakcije jednostavne, količina E a pokazuje koliki minimalni višak energije po 1 molu moraju imati čestice koje reagiraju da bi mogle stupiti u reakciju. Čestice čija je energija veća ili jednaka E a, nazivaju se aktivnim.

Za složene reakcije koje se sastoje od nekoliko faza, parametar E a u jednadžbi (1.9) nema uvijek jednostavno fizičko značenje i često je funkcija aktivacijske energije pojedinih stupnjeva. Međutim, iu ovom slučaju parametar E a smatra se aktivacijskom energijom, iako ju je ispravnije nazvati efektivnom ili empirijskom aktivacijskom energijom.

Mogućnosti E a I A može se odrediti iz ovisnosti konstante brzine reakcije o temperaturi pomoću jednadžbe (1.9), zapisane kao:

(1.10)

Iz grafa ovisnosti ul k od 1/T(Sl. 1.2) lako je pronaći ul A I E A /R , i od njih A I E A. U načelu, odrediti E A I A dovoljno je znati konstante brzine k 1 I k 2 na dvije temperature T 1 I T 2

Slika 1.2 - Arrheniusova ovisnost brzine reakcije o temperaturi

Tada, prema jednadžbi (1.10)

Ova definicija E a , u pravilu, ne daje dovoljnu točnost, te se preporuča odrediti energiju aktivacije pomoću najmanje četiri vrijednosti konstante brzine na četiri različite temperature u rasponu od najmanje 30-40 °C.

Reakcija nultog reda

Pri provođenju homogene nitracije benzena, toluena, etilbenzena s velikim viškom dušične kiseline (5 mola NNO 3 na 0,1 mol nitriranog spoja) utvrđeno je da brzina nitracije ostaje nepromijenjena sve dok sav nitrirani spoj ne reagira.

Stoga je reakcija nultog reda:

Konstanta brzine za nitriranje benzena, toluena i etilbenzena pod ovim uvjetima je ista i ne ovisi o koncentraciji nitriranog spoja. To se objašnjava činjenicom da je brzina stvaranja nitronijevog kationa tijekom autoprotolize dušične kiseline niža od brzine nitracije aromatskog spoja:

a budući da je dušična kiselina prisutna u velikom suvišku, njezina se koncentracija praktički ne mijenja tijekom reakcije.

1. Osnovni pojmovi i postavke kemijske kinetike

Kemijska kinetika je grana fizikalne kemije koja proučava brzine kemijskih reakcija. Glavne zadaće kemijske kinetike: 1) proračun brzina reakcije i određivanje kinetičkih krivulja, t.j. ovisnost koncentracija reaktanata o vremenu ( izravni zadatak); 2) određivanje reakcijskih mehanizama iz kinetičkih krivulja ( inverzni problem).

Brzina kemijske reakcije opisuje promjenu koncentracija reaktanata po jedinici vremena. Za reakciju

a A+ b B+... d D+ e E+...

brzina reakcije se određuje na sljedeći način:

gdje uglate zagrade označavaju koncentraciju tvari (obično se mjeri u mol/l), t- vrijeme; a, b, d, e- stehiometrijski koeficijenti u jednadžbi reakcije.

Brzina reakcije ovisi o prirodi reaktanata, njihovoj koncentraciji, temperaturi i prisutnosti katalizatora. Ovisnost brzine reakcije o koncentraciji opisana je osnovnim postulatom kemijske kinetike - zakon djelovanja mase:

Brzina kemijske reakcije u svakom trenutku vremena proporcionalna je trenutnim koncentracijama reaktanata, podignutim na određene potencije:

,

Gdje k- konstanta brzine (neovisno o koncentraciji); x, g- neki brojevi koji se pozivaju redoslijed reakcije po tvari A odnosno B. Općenito, ovi brojevi nemaju nikakve veze s koeficijentima a I b u jednadžbi reakcije. Zbroj eksponenata x+ g nazvao opći redoslijed reakcija. Redoslijed reakcije može biti pozitivan ili negativan, cijeli ili razlomak.

Većina kemijskih reakcija sastoji se od nekoliko koraka tzv elementarne reakcije. Elementarna reakcija obično se shvaća kao pojedinačni čin stvaranja ili kidanja kemijske veze, koji se nastavlja stvaranjem prijelaznog kompleksa. Naziva se broj čestica koje sudjeluju u elementarnoj reakciji molekularnost reakcije. Postoje samo tri vrste elementarnih reakcija: monomolekulske (A B + ...), bimolekulske (A + B D + ...) i trimolekulske (2A + B D + ...). Za elementarne reakcije, ukupni poredak je jednak molekularnosti, a redovi po tvari jednaki su koeficijentima u reakcijskoj jednadžbi.

PRIMJERI

Primjer 1-1. Brzina stvaranja NO u reakciji 2NOBr (g) 2NO (g) + Br 2 (g) je 1,6. 10 -4 mol/(l.s). Kolika je brzina reakcije i brzina potrošnje NOBr?

Otopina. Prema definiciji, brzina reakcije je:

Mol/(l.s).

Iz iste definicije slijedi da je brzina potrošnje NOBr jednaka brzini stvaranja NO sa suprotnim predznakom:

mol/(l.s).

Primjer 1-2. U reakciji 2. reda A + B D početne koncentracije tvari A i B jednake su 2,0 mol/L odnosno 3,0 mol/L. Brzina reakcije je 1,2. 10 -3 mol/(l.s) kod [A] = 1,5 mol/l. Izračunajte konstantu brzine i brzinu reakcije pri [B] = 1,5 mol/L.

Otopina. Prema zakonu djelovanja mase, u bilo kojem trenutku brzina reakcije jednaka je:

.

Do trenutka kada je [A] = 1,5 mol/l, reagiralo je 0,5 mol/l tvari A i B, pa je [B] = 3 – 0,5 = 2,5 mol/l. Konstanta brzine je:

L/(mol. s).

U trenutku kada je [B] = 1,5 mol/l, reagiralo je 1,5 mol/l tvari A i B, dakle [A] = 2 – 1,5 = 0,5 mol/l. Brzina reakcije je:

Mol/(l.s).

ZADACI

1-1. Kako se brzina reakcije sinteze amonijaka 1/2 N 2 + 3/2 H 2 = NH 3 izražava preko koncentracija dušika i vodika? (odgovor)

1-2. Kako će se promijeniti brzina reakcije sinteze amonijaka 1/2 N 2 + 3/2 H 2 = NH 3 ako se jednadžba reakcije napiše kao N 2 + 3H 2 = 2NH 3? (odgovor)

1-3. Koji je redoslijed elementarnih reakcija: a) Cl + H 2 = HCl + H; b) 2NO + Cl 2 = 2NOCl? (odgovor)

1-4. Koja od navedenih veličina može biti a) negativna; b) frakcijske vrijednosti: brzina reakcije, red reakcije, molekularnost reakcije, konstanta brzine, stehiometrijski koeficijent? (odgovor)

1-5. Ovisi li brzina reakcije o koncentraciji produkata reakcije? (odgovor)

1-6. Koliko puta će se povećati brzina elementarne reakcije plinske faze A = 2D kada se tlak poveća 3 puta (odgovor)?

1-7 (prikaz, ostalo). Odredite redoslijed reakcije ako konstanta brzine ima dimenziju l 2 / (mol 2 . s). (odgovor)

1-8 (prikaz, ostalo). Konstanta brzine plinske reakcije 2. reda pri 25 o C jednaka je 10 3 l/(mol. s). Čemu je jednaka ta konstanta ako je kinetička jednadžba izražena kroz tlak u atmosferama (odgovor)?

1-9 (prikaz, ostalo). Za reakciju plinske faze n reda nA B, izrazite brzinu stvaranja B u smislu ukupnog tlaka (odgovor).

1-10 (prikaz, ostalo). Konstante brzine za direktnu i obrnutu reakciju su 2,2 i 3,8 l/(mol. s). Kojim od sljedećih mehanizama mogu nastati ove reakcije: a) A + B = D; b) A + B = 2D; c) A = B + D; d) 2A = B. (odgovor)

1-11 (prikaz, stručni). Reakcija razgradnje 2HI H 2 + I 2 ima 2. red s konstantom brzine k= 5,95. 10 -6 l/(mol. s). Izračunajte brzinu reakcije pri tlaku od 1 atm i temperaturi od 600 K. (odgovor)

1-12 (prikaz, ostalo). Brzina reakcije 2. reda A + B D je 2,7. 10 -7 mol/(l.s) pri koncentracijama tvari A odnosno B 3,0. 10 -3 mol/l i 2,0 mol/l. Izračunajte konstantu brzine. (odgovor)

1-13 (prikaz, stručni). U reakciji 2. reda A + B 2D početne koncentracije tvari A i B jednake su 1,5 mol/l. Stopa reakcije je 2,0. 10 -4 mol/(l.s) kod [A] = 1,0 mol/l. Izračunajte konstantu brzine i brzinu reakcije pri [B] = 0,2 mol/L. (odgovor)

1-14 (prikaz, stručni). U reakciji 2. reda A + B 2D početne koncentracije tvari A i B jednake su 0,5 odnosno 2,5 mol/l. Koliko je puta brzina reakcije pri [A] = 0,1 mol/l manja od početne? (odgovor)

1-15 (prikaz, stručni). Brzina reakcije plinovite faze opisana je jednadžbom w = k. [A] 2 . [B]. U kojem će omjeru između koncentracija A i B početna brzina reakcije biti najveća pri fiksnom ukupnom tlaku? (odgovor)

2. Kinetika jednostavnih reakcija

U ovom ćemo odjeljku sastaviti i riješiti kinetičke jednadžbe za ireverzibilne reakcije čitavog reda temeljene na zakonu djelovanja mase.

Reakcije 0. reda. Brzina ovih reakcija ne ovisi o koncentraciji:

,

gdje je [A] koncentracija polazne tvari. Nulti red javlja se u heterogenim i fotokemijskim reakcijama.

Reakcije 1. reda. U reakcijama tipa A–B brzina je izravno proporcionalna koncentraciji:

.

Pri rješavanju kinetičkih jednadžbi često se koristi sljedeća oznaka: početna koncentracija [A] 0 = a, koncentracija struje [A] = a - x(t), Gdje x(t) je koncentracija izreagirane tvari A. U ovoj oznaci, kinetička jednadžba za reakciju 1. reda i njezino rješenje imaju oblik:

Rješenje kinetičke jednadžbe također je napisano u drugom obliku, pogodnom za analizu reda reakcije:

.

Vrijeme tijekom kojeg se polovica tvari A raspadne naziva se vrijeme poluraspada t 1/2. Definirana je jednadžbom x(t 1/2) = a/2 i jednako

Reakcije 2. reda. U reakcijama tipa A + B D + ... brzina je izravno proporcionalna umnošku koncentracija:

.

Početne koncentracije tvari: [A] 0 = a, [B] 0 = b; trenutne koncentracije: [A] = a- x(t), [B] = b - x(t).

Pri rješavanju ove jednadžbe razlikuju se dva slučaja.

1) identične početne koncentracije tvari A i B: a = b. Kinetička jednadžba ima oblik:

.

Rješenje ove jednadžbe zapisano je u različitim oblicima:

Vrijeme poluraspada tvari A i B je isto i jednako:

2) Početne koncentracije tvari A i B su različite: a b. Kinetička jednadžba ima oblik:
.

Rješenje ove jednadžbe može se napisati na sljedeći način:

Poluživoti tvari A i B su različiti: .

Reakcije N-tog reda n A D + ... Kinetička jednadžba ima oblik:

.

Rješenje kinetičke jednadžbe:

. (2.1)

Vrijeme poluraspada tvari A obrnuto je proporcionalno ( n-1) stupanj početne koncentracije:

. (2.2)

Primjer 2-1. Vrijeme poluraspada radioaktivnog izotopa 14 C je 5730 godina. Tijekom arheoloških iskapanja pronađeno je stablo čiji je sadržaj 14 C bio 72% od normalnog. Koliko je stablo staro?
Otopina. Radioaktivni raspad je reakcija 1. reda. Konstanta brzine je:

Životni vijek stabla može se pronaći iz rješavanja kinetičke jednadžbe, uzimajući u obzir činjenicu da je [A] = 0,72. [A] 0:

Primjer 2-2. Utvrđeno je da je reakcija 2. reda (jedan reagens) 75% dovršena za 92 minute pri početnoj koncentraciji reagensa od 0,24 M. Koliko će vremena trebati da koncentracija reagensa dosegne 0,16 M pod istim uvjetima?
Otopina. Napišimo dva puta rješenje kinetičke jednadžbe za reakciju 2. reda s jednim reagensom:

,

gdje je, prema uvjetu, a= 0,24 M, t 1 = 92 min, x 1 = 0,75. 0,24 = 0,18 M, x 2 = 0,24 - 0,16 = 0,08 M. Podijelimo jednu jednadžbu s drugom:

Primjer 2-3. Za elementarnu reakciju n A B označavamo vrijeme poluraspada A s t 1/2, a vrijeme raspada A za 75% s t 3/4. Dokažite da omjer t 3/4 / t 1/2 ne ovisi o početnoj koncentraciji, već je određen samo redom reakcije n.Otopina. Napišimo dva puta rješenje kinetičke jednadžbe reakcije n-ti red s jednim reagensom:

i podijeli jedan izraz drugim. Konstante k I a oba izraza će se poništiti i dobit ćemo:

.

Ovaj se rezultat može generalizirati dokazivanjem da omjer vremena za koje je stupanj pretvorbe a i b ovisi samo o redoslijedu reakcije:

.

ZADACI

2-1. Rješenjem kinetičke jednadžbe dokažite da je za reakcije 1. reda vrijeme t x, tijekom kojeg stupanj pretvorbe polazne tvari doseže x, ne ovisi o početnoj koncentraciji. (odgovor)

2-2. Reakcija prvog reda odvija se 30% za 7 minuta. Koliko će vremena trebati da reakcija bude 99% dovršena? (odgovor)

2-3. Vrijeme poluraspada radioaktivnog izotopa 137 Cs, koji je ušao u atmosferu kao posljedica nesreće u Černobilu, iznosi 29,7 godina. Nakon kojeg će vremena količina tog izotopa biti manja od 1% od prvobitne? (odgovor)

2-4. Vrijeme poluraspada radioaktivnog izotopa 90 Sr, koji ulazi u atmosferu tijekom nuklearnih pokusa, iznosi 28,1 godina. Pretpostavimo da je tijelo novorođenčeta apsorbiralo 1,00 mg ovog izotopa. Koliko će stroncija ostati u tijelu nakon a) 18 godina, b) 70 godina, ako pretpostavimo da se ne izlučuje iz tijela (odgovor)?

2-5. Konstanta brzine za reakciju prvog reda SO 2 Cl 2 = SO 2 + Cl 2 je 2,2. 10 -5 s -1 pri 320 o C. Koliki će se postotak SO 2 Cl 2 razgraditi ako se drži 2 sata na ovoj temperaturi (odgovor)?

2-6. Konstanta brzine reakcije 1. reda

2N 2 O 5 (g) 4NO 2 (g) + O 2 (g)

na 25 o C jednak je 3,38. 10 -5 s -1 . Koje je vrijeme poluraspada N 2 O 5? Koliki će biti tlak u sustavu nakon a) 10 s, b) 10 min, ako je početni tlak bio 500 mm Hg? Umjetnost. (odgovor)

2-7 (prikaz, ostalo). Reakcija prvog reda provodi se s različitim količinama početnog materijala. Hoće li se tangente na početne dijelove kinetičkih krivulja sijeći u jednoj točki na x-osi? Obrazložite svoj odgovor (odgovor).

2-8. Reakcija prvog reda A 2B odvija se u plinovitoj fazi. Početni tlak je str 0 (B nedostaje). Nađite ovisnost ukupnog tlaka o vremenu. Nakon kojeg vremena će se tlak povećati 1,5 puta u odnosu na prvobitni? Kakav je napredak reakcije do ovog trenutka? (odgovor)

2-9 (prikaz, ostalo). Reakcija drugog reda 2A B odvija se u plinovitoj fazi. Početni tlak je str 0 (B nedostaje). Nađite ovisnost ukupnog tlaka o vremenu. Nakon kojeg će vremena tlak pasti 1,5 puta u odnosu na izvorni? Kakav je napredak reakcije do ovog trenutka? (odgovor)

2-10 (prikaz, stručni). Tvar A pomiješana je s tvarima B i C u jednakim koncentracijama od 1 mol/l. Nakon 1000 s ostaje 50% tvari A nakon 2000 s ako reakcija ima: a) nulti, c) drugi, c) treći opći red?

2-11 (prikaz, stručni). Koja će od reakcija - prvog, drugog ili trećeg reda - brže završiti ako su početne koncentracije tvari 1 mol/l i sve konstante brzine izražene u mol/l i s jednake 1? (odgovor)

2-12 (prikaz, ostalo). Reakcija

CH 3 CH 2 NO 2 + OH - H 2 O + CH 3 CHNO 2 -

ima drugi red i konstantu brzine k= 39,1 l/(mol. min) na 0 o C. Pripravljena je otopina koja sadrži 0,004 M nitroetana i 0,005 M NaOH. Koliko će vremena trebati da reagira 90% nitroetana?

2-13 (prikaz, stručni). Konstanta brzine rekombinacije H + i FG - (fenilglioksinat) iona u UFG molekulu pri 298 K jednaka je k= 10 11,59 l/(mol. s). Izračunajte vrijeme potrebno da reakcija završi 99,999% ako su početne koncentracije oba iona 0,001 mol/L. (odgovor)

2-14 (prikaz, ostalo). Brzina oksidacije 1-butanola hipokloričastom kiselinom ne ovisi o koncentraciji alkohola i proporcionalna je 2. Koliko će trebati da reakcija oksidacije pri 298 K završi 90% ako je početna otopina sadržavala 0,1 mol/l HClO i 1 mol/l alkohola? Konstanta brzine reakcije je k= 24 l/(mol min). (odgovor)

2-15 (prikaz, ostalo). Pri određenoj temperaturi 0,01 M otopina etil acetata saponificira se 0,002 M otopinom NaOH za 10% u 23 minute. Nakon koliko minuta će se saponificirati do istog stupnja s 0,005 M otopinom KOH? Smatrajte da je ova reakcija drugog reda, a lužine su potpuno disocirane (odgovor).

2-16 (prikaz, ostalo). Reakcija drugog reda A + B P provodi se u otopini s početnim koncentracijama [A] 0 = 0,050 mol/L i [B] 0 = 0,080 mol/L. Nakon 1 sata koncentracija tvari A smanjila se na 0,020 mol/l. Izračunajte konstantu brzine i vrijeme poluraspada obje tvari.

Riža. 40. Ovisnost inverzne koncentracije reagensa o vremenu za reakciju drugog reda

Riža. 39. Ovisnost logaritma koncentracije reagensa o vremenu nastanka za reakciju prvog reda

Riža. 38. Promjena koncentracije polazne tvari tijekom vremena u reakciji prvog reda

Riža. 37. Promjena koncentracije polazne tvari tijekom vremena u reakciji nultog reda

Matematički se ovaj linearni odnos može napisati na sljedeći način:

gdje je k konstanta brzine, C 0 početna molarna koncentracija reagensa, C koncentracija u trenutku t.

Iz njega možemo izvesti formulu za izračunavanje konstante brzine kemijske reakcije nultog reda.

Mjeri li se konstanta brzine nultog reda u mol/l? s (mol · l -1 · s -1).

Vrijeme polupretvorbe za reakciju nultog reda proporcionalno je koncentraciji početnog materijala

Za reakcije prvog reda, kinetička krivulja u koordinatama C,t je eksponencijalne prirode i izgleda ovako (Sl. 38). Matematički, ova krivulja je opisana sljedećom jednadžbom

C = C 0 e - kt

U praksi se za reakcije prvog reda kinetička krivulja najčešće crta u koordinatama lnC, t. U ovom slučaju uočava se linearna ovisnost lnS o vremenu (Sl. 39)

lnS = lnS 0 - kt

U C

U skladu s tim, vrijednost konstante brzine i vremena polupretvorbe može se izračunati pomoću sljedećih formula

k = ln ili k = 2,303lg

(pri prelasku s decimalnog logaritma na prirodni).

Konstanta brzine reakcije prvog reda ima dimenziju t -1, tj. 1/s i ne ovisi o koncentracijskim jedinicama.

Prikazuje udio molekula koje reagiraju po jedinici vremena od ukupnog broja molekula reagensa u sustavu. Tako se u reakcijama prvog reda jednaki udjeli uzete količine polazne tvari troše u jednakim vremenskim razdobljima.

Razmotrit ćemo oblik jednadžbe ovisnosti koncentracije o vremenu za reakcije drugog reda samo za najjednostavniji slučaj, kada u elementarnom činu sudjeluju 2 identične molekule ili molekule različitih tvari, ali su njihove početne koncentracije (C 0) jednak. U tom se slučaju uočava linearna ovisnost u koordinatama 1/C, t (slika 40). Matematička jednadžba za ovaj odnos bit će napisana na sljedeći način:

i mjeri se u l?s -1?mol -1, tj. njegova brojčana vrijednost ovisi o jedinicama u kojima se mjeri koncentracija tvari.

Vrijeme poluraspada reakcija drugog reda obrnuto je proporcionalno početnoj koncentraciji reagensa

To je zbog činjenice da brzina reakcija drugog reda jako ovisi o broju sudara između molekula reagirajućih tvari u jedinici vremena, koji je pak proporcionalan broju molekula po jedinici volumena, tj. koncentracija tvari. Dakle, što je veća koncentracija tvari u sustavu, to se molekule češće sudaraju jedna s drugom i manje vremena će polovica njih imati vremena za reakciju.

Reakcije trećeg reda, kao što je ranije spomenuto, izuzetno su rijetke i nisu od praktičnog interesa. Stoga ih u tom smislu nećemo razmatrati.

konstanta brzine reakcije- je brzina kemijske reakcije u uvjetima kada je umnožak koncentracija tvari koje reagiraju 1 mol/l. Opća kemija: udžbenik / A. V. Zholnin Konstanta brzine reakcije - koeficijent proporcionalnosti u diferencijalnoj kinetici... ... Kemijski pojmovi

konstanta brzine reakcije- - [A.S. Goldberg. Englesko-ruski energetski rječnik. 2006] Teme: energija općenito EN reakcijska konstanta ...

konstanta brzine reakcije- reakcijos greičio konstanta statusas T sritis chemija apibrėžtis Reakcijos, kurios reaguojančiųjų medžiagų koncentracijos lygios vienetui, greitis. atitikmenys: engl. konstanta brzine; reakcijska konstanta rus. konstanta brzine reakcije; konkretno..... Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

konstanta brzine reakcije- reakcijos spartos konstanta statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Reakcijos, kurios reaguojančių medžiagų koncentracijos yra lygios vienetui, sparta. atitikmenys: engl. konstanta brzine reakcije vok. Reaktionskonstante, f rus.… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Kemijska reakcija je njegova glavna kinetička karakteristika; koeficijent proporcionalnosti u kinetičkoj jednadžbi koji povezuje brzinu reakcije s koncentracijama reaktanata i njihovim stehiometrijskim koeficijentima. Za monomolekularne... ... Veliki enciklopedijski rječnik

konstanta brzine katalitičke reakcije- - [A.S. Goldberg. Englesko-ruski energetski rječnik. 2006] Energetske teme općenito EN katalitički koeficijent ... Vodič za tehničke prevoditelje

Kemijska reakcija, njezine glavne kinetičke karakteristike; koeficijent proporcionalnosti u kinetičkoj jednadžbi koji povezuje brzinu reakcije s koncentracijama reaktanata i njihovim stehiometrijskim koeficijentima. Za monomolekularne... ... Enciklopedijski rječnik

konstanta brzine kemijske reakcije- promjena količine (koncentracije) tvari koja reagira ili nastaje tijekom procesa po jedinici vremena pri zadanoj temperaturi i koncentracijama svih komponenata jednakih jedinici: d[A]/dt =… … Enciklopedijski rječnik metalurgije

Chem. reakcija, njezina glavna kinetika. karakteristika; koeficijent proporcionalnost u kinetičkoj. jednadžba koja povezuje brzinu reakcije s koncentracijama reaktanata u i njihovim stehiometrijskim. koeficijenti. Za monomolekularne reakcije K. s. ima dimenziju sa... Prirodne znanosti. Enciklopedijski rječnik

Relativne konstante brzine za reakciju CH 3 I + Cl - u različitim otapalima na 25 °C (prema Parkeru)- Konstanta relativne brzine otapala CH3OH 1 HCONH2 12,5 HCONHCH3 … Kemijski priručnik