KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F12

Transkript

1 KEMA02 Organisk kemi grundkurs F12 Kinetik Kinetik Atkins & Jnes kap

2 Översikt Reaktinshastigheter Kncentratin ch reaktinshastighet Mmentan hastighetsekvatin Hastighetsekvatiner ch reaktinsrdning Kncentratin ch tid Första rdningens integrerad hastighetsekvatin Halveringstid för första rdningens reaktin Vad är kinetik? Kemisk kinetik ger infrmatin m på vilket sätt mekanism ch hur snabbt hastighetsekvatin kemiska reaktiner sker Termdynamik tar bara hänsyn till början ch slutet av en reaktin

3 14.1 Kncentratin ch reaktinshastighet Reaktinshastighet Ändring i kncentratin (av reaktant eller prdukt) per tidsenhet. Medelreaktinshastighet Ändring i kncentratin (av reaktant eller prdukt) över ett tidsintervall. R P Medelhastighet för förbrukning av reaktant: v = [R] 2 [R] 1 t 2 t 1 = Δ[R] Δt Medelhastighet för bildning av prdukt: v = [P] 2 [P] 1 t 2 t 1 = Δ[P] Δt OBS! Olika tecken, reaktanten förbrukas ch prdukten bildas Reaktinshastigheten är alltid psitiv! 14.1 Kncentratin ch reaktinshastighet Exempel 14.1 Räknas på tavlan Antag att man vi studerar reaktinen: 2 HI(g) H 2 (g) + I 2 (g) ch finner att under ett tidsintervall m 100 s så minskar kncentratinen av HI från 4,00 mm till 3,50 mm. Hur str är medelreaktinshastigheten?

4 14.1 Kncentratin ch reaktinshastighet Exempel 14.1 Svar: 5, mm s Kncentratin ch reaktinshastighet Unika medelreaktinshastigheten För att inte behöva ange vilket ämne sm avses använder man den unika medelreaktinshastigheten. För reaktinen aa + bb cc + dd är den unika medelreaktinshastigheten: v = 1 Δ[A] = 1 Δ[B] = 1 Δ[C] = 1 Δ[D] a Δt b Δt c Δt d Δt Eftersm den unika medelreaktinshastigheten ges av kefficienterna så bör man ange den balanserade reaktinsfrmeln.

5 14.1 Kncentratin ch reaktinshastighet Self-test 14.2A Räknas på tavlan Medelreaktinshastigheten för reaktinen N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Haber-Bsch har rapprterats vara 1,15 mm NH 3 h 1. a. Vad är medelreaktinshastigheten över samma tidsperid m a p förbrukningen av H 2? b. Vad är den unika reaktinshastigheten? 14.1 Kncentratin ch reaktinshastighet Self-test 14.2A Svar: a. 1,72 mm H 2 h 1 b. 0,575 mm h 1

6 14.2 Mmentan reaktinshastighet Mmentan reaktinshastighet Reaktinshastigheten vid ett givet tillfälle Hastigheten vid en given tid bestäms av derivatan ( d[r]/dt) Källa: Sfi Elmrth, KEMA02 H Mmentan reaktinshastighet Mmentan reaktinshastighet Mmentan reaktinshastighet för förbrukning av reaktant: v = d[r] dt Mmentan reaktinshastighet för bildning av prdukt: v = d[p] dt Unika mmentana reaktinshastigheten (för reaktinen aa + bb cc + dd) v = 1 d[a] = 1 d[b] = 1 d[c] = 1 d[d] a dt b dt c dt d dt Frtsättningsvis är det mmentana reaktinshastigheten sm avses (m inget annat anges! Reaktinshastigheten är alltid psitiv!

7 14.3 Hastighetsekvatiner ch reaktinsrdning Hastighetsekvatinen talar m vilka kncentratiner sm påverkar reaktinshastigheten återspeglar det mlekylära skeendet ( ttalstökimetrin) bestäms alltid experimentellt (ftast undersöks initialhastigheter, dvs man undviker att prdukterna påverkar reaktinen ch reaktinshastigheten) Exempel Atmsfärskemi 2 NO 2 (g) 2 NO(g) + O 2 (g) Hastighetsekvatin v = k[no 2 ][NO 2 ] = k[no 2 ] 2 k = 0,54 M 1 s 1 k hastighetsknstanten är karaktäristisk för reaktinen ch temperaturen Reaktinshastigheten är alltid psitiv! NO 2 i trpsfären Hastighetsekvatiner ch reaktinsrdning Exempel 2 NO 2 (g) 2 NO(g) + O 2 (g) Hastighetsekvatin v = k[no 2 ][NO 2 ] = k[no 2 ] 2 k = 0,54 M 1 s 1 Slutsatser Hastighetsekvatinen berr av prdukten [NO 2 ][NO 2 ] kllisinen mellan två NO 2 påverkar hastigheten Inga andra ämnen påverkar reaktinshastigheten inga andra ämnen deltar i kllisinen Reaktinen är en elementarreaktin dvs det sm tecknats är det sm händer på det mlekylära planet Ovanstående hastighetsekvatin är av andra rdningen! Reaktinshastigheten är alltid psitiv!

8 14.3 Hastighetsekvatiner ch reaktinsrdning ReaktinsrdningReaktinshastigheten är alltid psitiv! Exempel Nllte rdningens reaktin (t ex nedbrytning av etanl i krppen) v = k[etanl] 0 = k Första rdningens reaktin 2 N 2 O 5 (g) 4 NO 2 (g) + O 2 (g) (se s. 566) v = k[n 2 O 5 ] Andra rdningens reaktin 2 NO 2 (g) 2 NO(g) + O 2 (g) v = k[no 2 ][NO 2 ] = k[no 2 ] Hastighetsekvatiner ch reaktinsrdning ReaktinsrdningReaktinshastigheten är alltid psitiv! Ttal reaktinsrdning v = k[a] a [B] b Ttala reaktinsrdningen ges av: a + b + Enheten för k ges så att enheten för v blir kncentratin (eller tryck) per tidsenhet Ttal reaktinsrdning Enhet för k s 1 M 1 s 1 M 2 s 1 Anm. Hastighetsekvaktinen kan i vissa fall vara berende av kncentratinerna av prdukter!

9 14.3 Hastighetsekvatiner ch reaktinsrdning Hur bestämmer man hastighetsekvatinen? Metd 1: Initialhastighetsmetden Bra till: Långsamma ch kmplicerade reaktiner (bildade prdukter endast i låga halter initialt) Strategi: 1. Variera kncentratinerna på reaktanterna 2. Mät initialhastigheten för varje reaktinsblandning 3. Utvärdera hur hastigheten berr av initialkncentratinen 4. Sätt samman uttrycket för hastighetsekvatinen 14.3 Hastighetsekvatiner ch reaktinsrdning Exempel 14.2 Löses på tavlan Fyra experiment utfördes för att undersöka hur initialhastigheten för förbrukning av BrO 3 (brmat) i reaktinen BrO 3 (aq) + 5 Br (aq) + 6 H 3 O + (aq) 3 Br 2 (aq) + 9 H 2 O(l) varierar när kncentratinerna av reaktanterna ändrades. Bestäm ur experimentella data: 1. reaktinsrdningen m a p varje reaktant samt ttala reaktinsrdningen 2. skriv hastighetsekvatinen för reaktinen ch bestäm hastighetsknstanten, k

10 14.3 Hastighetsekvatiner ch reaktinsrdning Exempel 14.2 Svar: 1. v = k[bro 3 ][Br ][H 3 O + ] 2, ttala reaktinsrdningen: = 4 2. k = 12 M 3 s 1 Bestämning av hastighetsekvatin Metd 2: Integrerad hastighetsekvatin dvs passning av experimentella data till matematiskt uttryck Jämförelse 1:a rdningens reaktin 1:a rdningens reaktin 2:a rdningens reaktin

11 14.4 1:a rdningens integrerade hastighetsekv. Reaktin Hastighetsekvatin A P v = d[a] dt = k [A] Integrerad hastighetsekvatin [A] = [A] härledning s e kt ln[a] = ln[a] 0 kt Beräkna kncentratinen vid visst tid Exempel 14.3 Räknas på tavlan Reaktin 2 N 2 O 5 (g) 4 NO 2 (g) + O 2 (g) stökimetrisk reaktin Hastighetsekvatin v = k[n 2 O 5 ] k = 5, s 1 Vilken kncentratin av N 2 O 5 finns kvar 10,0 minuter efter start av sönderfallet vid 65 C m initialkncentratinen var 0,040 M? ur Tabell 14.1?

12 Beräkna kncentratinen vid visst tid Exempel 14.3 Svar: 0,0018 M (1,8 mm) Bestäm hastighetsknstanten Exempel 14.4 Räknas på tavlan När cyklprpan värms vid 500 C (773 K) ismeriseras den till prpen Följande kncentratiner av cyklprpan uppmättes vid lika tider efter reaktinsstarten. t (min) [C 3 H 6 ] t (M) 1, , , , Bekräfta att reaktinen är av första rdningen med avseende på cyklprpan ch beräkna jämviktsknstanten.

13 Bestäm hastighetsknstanten t (min) [C 3 H 6 ] t (M) 1, , , , ln[c 3 H 6 ] t 6,50 6,69 6,91 7,09 ln[c 3 H 6 ] Bestäm hastighetsknstanten Exempel 14.4 Svar: när ln[c 3 H 6 ] plttas sm funktin av t får man en rät linje stämmer med första rdningens hastighetsekvatin. Lutningen är k, k = 0,040 min 1 (dvs k = 6, s 1 ).

14 14.5 Halveringstiden t ½ Halveringstid (t ½ ): Den tid det tar att halvera startkncentratinen 1:a rdningens reaktin t ½ är knstant kan beräknas ur sambandet ln[a] = ln[a] 0 kt ln [A] t [A] 0 = kt kt = ln [A] 0 [A] t t = 1 k ln[a] 0 [A] t sätt t = t ½ ch [A] t = ½[A] 0 t 12 = 1 k ln [A] 0 1 [A] = k ln2 t 12 = ln2 k 14.5 Halveringstiden t ½ Bilgisk utsöndring Typiskt exempel på 1:a rdningens prcess Exempel 14.6 Räknas på tavlan En tnåring andas 1989 in kvicksilverånga. Halten kvicksilver uppmättes i urinen (vilket var prprtinellt mt halten i krppen) till 1,54 mg l 1. Kvicksilver(II) elimineras från krppen i en första rdningens prcess, ch har en halveringstid på 6 dagar. Vilken var halten i patientens urin i mg l 1 efter 30 dagar m ingen behandling gavs?

15 14.5 Halveringstiden t ½ Exempel 14.6 Svar: 0,05 mg l 1 Nästa gång Andra rdningens integrerad hastighetsekvatin Reaktinsmekanismer Elementarreaktiner Hastighetsekvatiner för elementarreaktiner Kedjereaktiner Hastigheter ch jämvikt Reaktinsmdeller Temperaturens effekt Kllisinsterin Transitins State teri Påskyndande av reaktiner Katalys Industriell katalys Levande katalysatrer: enzymer