Avsnitt 12.1 Reaktionshastigheter Kemisk kinetik Kapitel 12 Kapitel 12 Avsnitt 12.1 Innehåll Reaktionshastigheter Reaktionshastighet = Rate

Transkript

1 Avsnitt 2. Kapitel 2 Kemisk kinetik Kemisk kinetik Området inom kemi som berör reaktionshastigheter Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 Kapitel 2 Innehåll Hastighetsuttryck: en introduktion 2.3 Bestämma formen på hastighetsuttrycket En teori som förklarar reaktionshastigheter 2.7 Avsnitt 2. Reaktionshastighet = Rate Förändring i koncentrationen hos en reaktant eller produkt per tidsenhet. concentration of A at time t2 concentration of A at time t Rate = t2 t [ A] Δ = Δt [A] betyder koncentration av A i mol/l; A är reaktanten eller produkten som studeras. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Avsnitt 2. Sönderfall av kvävedioxid Avsnitt 2. Sönderfall av kvävedioxid Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6

2 Avsnitt 2. Sönderfall av kvävedioxid Avsnitt 2.2 Hastighetsuttryck Visar hur reaktionshastigheten beror av koncentrationerna av reaktanterna. För sönderfallet av kvävedioxid: 2NO 2 (g) 2NO(g) + O 2 (g) Rate = k[no 2 ] n k = hastighetskonstant n = reaktionsordning Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 Avsnitt 2.2 Hastighetsuttryck Rate = k[no 2 ] n Koncentrationerna av produkterna finns ej med i hastighetsuttycket Värdet på exponenten n måste bestämmas experimentellt; den kan inte härledas från den balanserade reaktionslikheten. Avsnitt 2.2 Total reaktionsordning Summan av exponenterna i hastighetsuttrycket. Rate = k[a] n [B] m Total reaktionsordning = n + m k = hastighetskonstant [A] = koncentration av reaktant A [B] = koncentration av reaktant B Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 0 Avsnitt 2.2 Olika typer av hastighetsuttryck Differentiellt hastighetsuttryck: uttrycker hur hastigheten beror av koncentrationen. Integrerat hastighetsuttryck: uttrycker hur koncentrationen beror av tiden. Avsnitt 2.3 The Bestämma Mole hastighetsuttrycket Initialhastighetsmetoden Reaktionshastigheten bestäms i en serie experiment vid samma värde på t så nära t = 0 som möjligt. Vid de olika experimenten används olika koncentrationer av de olika reaktanterna, varpå reaktionshastigheten blir olika. Resultaten mellan de olika experimenten jämförs sedan för att bestämma hur reaktionshastigheterna beror av koncentrationerna av de olika reaktanterna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 2

3 Avsnitt 2.2 Övning Använd listad data nedan för att bestämma reaktionsordningen m.a.p. alla tre reaktanter. Första ordningens reaktioner För aa produkter i en :a ordningens reaktion Δ A Rate = Δt = k A för :a ordningens reaktion är ln[a] = kt + ln[a] o Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Halveringstid för en första ordningens reaktion t/2 = k t /2 = halveringstid k = hastighetskonstant Andra ordningens reaktion För aa produkter i en 2:a ordningens reaktion: Δ A 2 Rate = = k A Δt är A = kt + A o Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6 Halveringstid för en andra ordningens reaktion Halveringstiden för en andra ordningens reaktion är beroende av begynnelsekoncentrationen. t/2 = k A o t /2 = halveringstid för reaktionen k = hastighetskonstant [A] o = begynnelsekoncentration av A Nollte ordningens reaktion Rate = k[a] 0 = k Den integrerade: [A] = kt + [A] o [A] = koncentrationen av A vid tiden t k = hastighetskonstant t = tid [A] o = initialkoncentration av A Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 3

4 Nollte ordningens reaktion Halveringstid: t [ ] 0 = 2 k 2 A k = hastighetskonstanten [A] o = initialkoncentration av A Konceptkoll Hur vet du att reaktionsordningen är 0,, eller 2 från vidstående graf? Halveringstiden blir kortare ju längre reaktionen fortgåroch koncentrationerna av reaktanterna minskar. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20 Reaktionsordningar Övning Beakta reaktionen aa produkter. [A] 0 = 5.0 M och k =.0 x 0 2 (med passande koncentrationsenhet (M) och tidsenhet (s) för respektive reaktionsordning). Beräkna [A] efter 30.0 sekunder om vi antar att reaktionen är av: a) Nollte ordningen b) Första ordningen c) Andra ordningen 4.7 M 3.7 M 2.0 M Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22 Övning En plot av (a) ln[c 4 H 6 ] och (b) /[C 4 H 6 ] mot t. Butadien reagerar enligt: C 4 H 6 (g) C 8 H 2 (g) Bestäm a) reaktionsordning b) hastighetskonstant c) halveringstiden för reaktionen [C 4 H 6 ] (mol/l) , , Tid (± s) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24 4

5 En serie av steg med vilken en kemisk reaktion förmodas ske. En reaktionslikhet berättar inte hur reaktanter blir produkter det är en summering av den totala processen. Bl.a. reaktionen för fotosyntesen: 6CO + 6H O C H O +6O 2 2 light har många elementära steg i sin reaktionsmekanism. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26 Elementära reaktionssteg för NO 2 + CO NO + CO 2 Krav på reaktionsmekanismer Summan av alla elementära reaktioner i reaktionsmekanismen måste ge den totala balanserade reaktionslikheten för reaktionen. Mekanismen måste överensstämma med det experimentellt bestämda hastighetsuttrycket. + NO 2 (g) + NO 2 (g) NO 3 (g) + NO (g) NO 3 (g) + CO(g) NO 2 (g) + CO 2 (g) NO 2 (g) + CO(g) NO(g) + CO 2 (g) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28 Vanliga termer Mellanprodukt: Bildas i ett steg men används upp i ett senare steg i reaktionen och ses därför inte i produkten (om den är kortlivad). Molekylaritet: Antal molekyler som måste kollidera för att reaktionen ska ske som indikeras av ett steg i mekanismen (en elemäntär reaktion). Elementär reaktion (steg): En reaktion vars hastighetsuttryck kan skrivas direkt från reaktionslikheten. Elementära reaktioner (Molekylaritet) Unimolekylär reaktioner som innefattar en molekyl; första ordningens reaktion. Bimolekylär reaktion som innefattar kollision mellan två molekyler; andra ordningens reaktion. Trimolekylär reaktion som innefattar kollision mellan tre molekyler; tredje ordningens reaktion. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30 5

6 Det hastighetsbestämmande steget Det långsammaste steget i en reaktionsmekanism med flera steg Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32 Kollisionsmodellen Molekyler måste kollidera för att reagera med varandra. Endast en liten andel av kollisionerna resulterar i en reaktion. Molekylerna måste krocka på rätt sätt En aktiveringsenergi måste övervinnas. Arrhenius ekvation Kollisioner måste ha en viss energi för att leda till reaktion (de måste vara lika stora eller större än aktiveringsenergin). Orienteringen av reaktanterna i kollisionen måste vara gynnsam för bildningen av de nya kemiska bindningarna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34 Exempel: 2BrNO 2NO + Br 2 Kollisionen mellan två BrNO molekyler Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 36 6

7 Arrhenius ekvation k = Ae E a / RT Antalet kollisioner med en viss energi vid två olika temperaturer k = hastighetskonstanten A = frekvensfaktor E a = aktiveringsenergi T = temperatur R = gaskonstanten Copyright Cengage Learning. All rights reserved 37 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38 Lineär (logaritmerad) form av Arrhenius ekvation E a ln( k ) = + ln A R T ( ) Kinetiska parametrar ur experiment En plot av lnk mot /T ger värdet på aktiveringsenergin och frekvensfaktorn för en reaktion lnk = lna - E a /RT E a lnk = - + lna R T y = k x + m Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39 Övning Organiska kemister använder en tumregel som säger att en temperaturökning med 0 K motsvarar en fördubbling av reaktionshastigheten. Vad måste aktiveringsenergin vara för att detta ska gälla för en temperaturökning från 25 C till 35 C? ator Ett ämne som skyndar på en kemisk reaktion men inte själv förbrukas Erbjuder en ny reaktionsväg för reaktionen som har lägre aktiveringsenergi. E a = 53 kj Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42 7

8 Sänkning av aktiveringsenergin m.h.a. katalys Antalet kollisioner med tillräcklig energi Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44 Heterogena katalysatorer Förekommer i en annan fas än de reagerande molekylerna. I många fall handlar det om gasformiga ämnen som reagerar på ytan av en fast katalysator. Adsorption processen där ett ämne binds på ytan av ett fast ämne. Heterogen katalys. Adsorpion och aktivering av reaktanterna. 2. Transport av de adsorberade reaktanterna på katalysatorytan. 3. Reaktion mellan de absorberade reaktanterna. 4. Desorption av produkterna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46 Avgaserna från en bilmotor passerar en katalysator för att minska utsläppen av NO(g). Homogena katalysatorer Föreligger i samma fas som de reagerande molekylerna Enzymer är naturens egna katalysatorer. En stor molekyl (vanligen ett protein) som katalyserar biologiska reaktioner. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48 8

9 Ett enzym: carboxypeptidase-a, som innehåller 307 aminosyror. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49 9