Jak obliczyć początkową szybkość reakcji

Kinetyka to dział chemii fizycznej, który bada szybkość reakcji chemicznych. W przeciwieństwie do tego termodynamika mówi nam, który kierunek reakcji jest preferowany, nie ujawniając jej szybkości reakcji. Niektóre reakcje mogą być termodynamicznie korzystne, ale niekorzystne kinetycznie.

Na przykład w konwersji diamentu do grafitu grafit ma niższą energię swobodną niż diament, więc konwersja jest preferowana termodynamicznie. Istnieje jednak duża bariera aktywacji dla diamentu, aby zerwać i zreformować wszystkie wiązania na więcej stabilna konfiguracja grafitowa, zatem reakcja ta jest niekorzystna kinetycznie i faktycznie nie wystąpi.

ocena reakcji jest miarą szybkości tworzenia się produktów i zużycia reagentów, dzięki czemu można ją określić, mierząc zmianę stężenia produktów lub reagentów w pewnym okresie czasu. Rozważ ogólną reakcję chemiczną:

aA + bB > cC + dD

Szybkość reakcji można zapisać jako:

•••Zmodyfikowano z https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Kinetics/Reaction_Rates/Experimental_Determination_of_Kinetcs/Measuring_Reaction_Rates

Na przykład szybkość reakcji dla:

2 NO(g) + 2 H₂ (g) > N₂(g) + 2 godz₂O(g)

jest dany przez

•••Przyjęty z https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Kinetics/Reaction_Rates/Experimental_Determination_of_Kinetcs/Measuring_Reaction_Rates

Aby określić szybkość tej reakcji eksperymentalnie, możesz zmierzyć stężenie H₂ w różnych momentach reakcji i wykreśl go w czasie w następujący sposób:

•••Zmodyfikowano z https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Kinetics/Reaction_Rates/Experimental_Determination_of_Kinetcs/Measuring_Reaction_Rates

•••Zmodyfikowano z https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Kinetics/Reaction_Rates/Experimental_Determination_of_Kinetcs/Measuring_Reaction_Rates

średnia szybkość reakcji jest przybliżeniem szybkości reakcji w przedziale czasowym i może być wyrażony przez:

•••Zmodyfikowano z https://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#InitialRate

chwilowa szybkość reakcji definiuje się jako szybkość reakcji w pewnym momencie. Jest to wskaźnik różnicowy i może być wyrażony przez:

•••Zmodyfikowano z https://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#InitialRate

Gdzie d[H₂]/dt jest nachyleniem krzywej stężenia H₂ w stosunku do czasu w czasie t.

początkowa szybkość reakcji jest chwilową szybkością na początku reakcji, gdy t = 0. W tym przypadku jednostka dla średniej, chwilowa i początkowa szybkość reakcji wynosi M/s.

W większości przypadków szybkość reakcji zależy od stężenia różnych reagentów w czasie t. Na przykład, przy wyższym stężeniu wszystkich reagentów, reagenty zderzają się częściej i powodują szybszą reakcję. Zależność między szybkością reakcji ν(t) a stężeniami określa się jako prawo stawki. A prawo kinetyczne dla ogólnej reakcji chemicznej aA + bB > cC + dD to:

•••Zmodyfikowano z https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Ancillary_Materials/Laboratory_Experiments/Wet_Lab_Experiments/General_Chemistry_Labs/Online_Chemistry_Lab_Manual/Chem_12_Experiments/01%3A_Chemical_Kinetics_-_The_Method_of_Initial_Rates_(Experiment)

Gdzie k jest stałą szybkości, a potęga x i y to zamówienie reakcji w odniesieniu do reagentów A i B. Prawo kinetyczne musi być określone doświadczalnie i nie może być wywnioskowane tylko na podstawie stechiometrii zrównoważonej reakcji chemicznej.

Równanie kinetyczne może być określone przez metoda stawek początkowych. W tej metodzie eksperyment jest wykonywany wielokrotnie, zmieniając tylko stężenie jednego reagenta w każdym przebiegu, przy zachowaniu stałych innych zmiennych. Szybkość reakcji mierzy się dla każdego przebiegu, aby określić kolejność każdego reagenta w równaniu szybkości.

Rozważmy na przykład następujące dane dotyczące początkowej szybkości reakcji:

2 NO(g) + 2 H₂ (g) > N₂(g) + 2 godz₂O(g)

•••Przyjęty z https://www.chemteam.info/Kinetics/WS-Kinetics-method-of-initial-rates.html

W przypadku próby 1 i 3 stężenie NO jest utrzymywane na stałym poziomie, podczas gdy stężenie H₂ jest podwojony. W rezultacie początkowa szybkość reakcji również się podwoiła (pomyśl o tym jako 2¹), więc możesz wywnioskować y = 1. W przypadku próby 1 i 2 stężenie NO jest podwojone, natomiast stężenie H₂ pozostaje stała. W wyniku tej zmiany początkowa stawka wzrosła czterokrotnie (pomyśl o tym jako 2²). Możesz więc wywnioskować x = 2.

Prawo kinetyczne dla tej reakcji jest zatem następujące:

•••Przyjęty z https://www.chemteam.info/Kinetics/WS-Kinetics-method-of-initial-rates.html

A reakcja jest pierwsze zlecenie w H₂ i drugie zamówienie w NR.