Kinetik, Föreläsning 2. Patrik Lundström

Relevanta dokument
Kinetik. Föreläsning 2

Kinetik. Föreläsning 3

Kemisk reaktionskinetik. (Kap ej i kurs.)

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

Kapitel 12. Kemisk kinetik

2BrO 2 (mycket snabb) Härled, med lämpligt valda approximationer, uttryck för (a) förbrukningshastigheten

Reaktionskinetik...hur fort går kemiska reaktioner

Kinetik, Föreläsning 1. Patrik Lundström

Kinetik. Föreläsning 1

EXPERIMENTELLT PROV ONSDAG Provet omfattar en uppgift som redovisas enligt anvisningarna. Provtid: 180 minuter. Hjälpmedel: Miniräknare.

KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi. KINETIK 2(2) A: Kap

Bestämning av hastighetskonstant för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon

Kemisk Dynamik för K2, I och Bio2

KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi. KINETIK 1(2) A: Kap

Kinetik. Föreläsning 4

KINETIK 1(2) A: Kap Vad är kinetik? 14.1 Koncentration och reaktionshastighet. KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi

Kapitel Kapitel 12. Repetition inför delförhör 2. Kemisk kinetik. 2BrNO 2NO + Br 2

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel Repetition inför delförhör 2

Bestämning av hastighetskonstant och aktiveringsenergi för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon i sur lösning Jodklockan

Energi, katalys och biosyntes (Alberts kap. 3)

Definition Materialfysik II Ht Kinetik 5.1 Allmänt om kinetik. Massverkningslagen (eng. law of mass action ) Processer

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra

Allmän kemi. Läromålen. Viktigt i kap 17. Kap 17 Termodynamik. Studenten skall efter att ha genomfört delkurs 1 kunna:

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

jämvikt (där båda faserna samexisterar)? Härled Clapeyrons ekvation utgående från sambandet

Konc. i början 0.1M 0 0. Ändring -x +x +x. Konc. i jämvikt 0,10-x +x +x

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Lösning till dugga för Grundläggande kemi Duggauppgifter enligt lottning; nr X, Y och Z.

Repetition F12. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Materialfysik vt Kinetik 5.1 Allmänt om kinetik. [Mitchell 3.0; lite ur Porter-Easterling 5.4]

18. Fasjämvikt Tvåfasjämvikt T 1 = T 2, P 1 = P 2. (1)

Om Murry Salbys ekvation

Materialfysik II Ht Kinetik 5.1 Allmänt om kinetik. [Mitchell 3.0; lite ur Porter-Easterling 5.4]

Fysikalisk kemi KEM040. Clausius-Clapeyronekvationen Bestämning av ångtryck och ångbildningsentalpi för en ren vätska (Lab2)

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Kap 2 Reaktionshastighet. Reaktionshastighet - mängd bildat eller förbrukat ämne per tidsenhet

Arbete TD7 Datorövning i reaktionskinetik

TENTAMEN I KEMI TFKE16 (4 p)

Tentamensskrivning i FYSIKALISK KEMI Bt (Kurskod: KFK 162) den 19/ kl

Innehåll. Bilagor 1-8

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

Föreläsning 13: Multipel Regression

Repetition F4. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Fysikaliska modeller. Skapa modeller av en fysikalisk verklighet med hjälp av experiment. Peter Andersson IFM fysik, adjunkt

Repetition F10. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

dess energi ökar (S blir mer instabilt) TS sker tidigare i reaktionen strukturen på TS blir mer lik S (2p).

Lite basalt om enzymer

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Tentamen i Allmän kemi 7,5 hp 5 november 2014 ( poäng)

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Lördagen den 19 december 2009 kl 8:30-13:30 i Hörsalar på hörsalsvägen

Laboration Enzymer. Labföreläsning. Introduktion, enzymer. Kinetik. Första ordningens kinetik. Michaelis-Menten-kinetik

Biokemi. SF1538 Projekt i simuleringsteknik. Skolan för teknikvetenskap. Introduction. Michael Hanke. Kemiska reaktioner

Tentamen i Termodynamik för K och B kl 8-13

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

Schema och lite information för kzu200, moment-1 (jämvikt, 7.5hp) version:160815

Lämpliga uppgifter: 2.3, 2.7, 2.9, 2.10, 2.17, 2.19, 2.21, 20.1, 20.3, 20.4,

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Industriella Reaktorer 2005

Termodynamik Föreläsning 4

Relativistisk kinematik Ulf Torkelsson. 1 Relativistisk rörelsemängd, kraft och energi

TENTAMEN I KEMI TFKE

VI. Reella gaser. Viktiga målsättningar med detta kapitel. VI.1. Reella gaser

Homogen gasjämvikt: FYSIKALISK KEMI. Laboration 2. Dissociation av dikvävetetraoxid. N2O4(g) 2 NO2(g)

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kemisk jämvikt. Kap 3

d dx xy ( ) = y 2 x, som uppfyller villkoret y(1) = 1. x, 0 x<1, y(0) = 0. Bestäm även y( 2)., y(0) = 0 har entydig lösning.

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Fredagen den 22 december 2006 kl 8:30-12:30 i V. Man får svara på svenska eller engelska!

Meddelande. Föreläsning 2.5. Repetition Lv 1-4. Kemiska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt 2012

SF1513 NumProg för Bio3 HT2013 LABORATION 4. Ekvationslösning, interpolation och numerisk integration. Enkel Tredimensionell Design

Kemiska reaktioner och reaktionshastigheter. Niklas Dahrén

10. Kinetisk gasteori

Enzymkinetik. - En minskning i reaktantkoncentrationen per tidsenhet (v = - A/ t)

KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F12

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Materialfysik vt Kinetik 5.6. Nukleation och tillväxt. [Mitchell ]

5.4.1 Nukleation Materialfysik vt Kinetik 5.6. Nukleation och tillväxt. Nukleation av en fast fas. Nukleation av en fast fas

Materialfysik vt Fasta ämnens termodynamik 4.1 Fasdiagram

17.10 Hydrodynamik: vattenflöden

Louise Olsson ( ) kommer att besöka tentamenslokalen på förmiddagen.

Om inget annan anges gäller det rumstemperatur, d.v.s. T =300K, termisk jämvikt och värden som inte ges i uppgiften hämtas från formelsamlingen.

Jämviktsuppgifter. 2. Kolmonoxid och vattenånga bildar koldioxid och väte enligt följande reaktionsformel:

LÄRARHANDLEDNING Harmonisk svängningsrörelse

1. a) Förklara, genom användning av något lämpligt kemiskt argument, varför H 2 SeO 4 är en starkare syra än H 2 SeO 3.

I en utspädd sur lösning faller sackaros sönder enligt följande reaktion: När man följde reaktionen som en funktion av tiden erhölls följande data:

Tentamen KFKA05 Molekylära drivkrafter 1: Termodynamik,

Skriv reaktionsformler som beskriver vad som bör hända för följande blandningar: lösning blandas med 50 ml 0,05 H 3 PO 4 lösning.

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Tentamen i kemisk termodynamik den 17 januari 2014, kl

4 rörelsemängd. en modell för gaser. Innehåll

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Onsdag den 22 augusti 2012 kl 8:30-13:30 i V. Examinator: Bitr. Prof.

STOCKHOLMS UNIVERSITET FYSIKUM

Hur förändras den ideala gasens inre energi? Beräkna också q. (3p)

Lösningsförslag. Tentamen i KE1160 Termodynamik den 13 januari 2015 kl Ulf Gedde - Magnus Bergström - Per Alvfors

Biologisk katalysator

Matematik 3c Kap 2 Förändringshastighet och derivator

1. Introduktion. Vad gör senapsgas så farlig?

Transkript:

Kinetik, Föreläsning 2 Patrik Lundström

Kinetik för reversibla reaktioner Exempel: Reaktion i fram- och återgående riktning, båda 1:a ordningen, hastighetskonstanter k respektive k. A B Hastighetsekvation: v = d A dt = k A k [B] Integrerad hastighetsekvation: B t = k A 0 k + k e kt e k t (Uttrycket för [A]:s tidsberoende är analogt)

Reversibla kontra icke-reversibla reaktioner Om jämvikten för A B måste beaktas Om jämvikten för A + 2B 3C är förskjuten (nästan) helt åt höger Formler för [A] och [B]:s tidsberoende för reversibla reaktioner finns i formelsamlingen och behöver ej läras in.

Reaktionshastigheter och jämviktskonstanter Vid jämvikt ändras definitionsmässigt inga koncentrationer med tiden och därmed är alla tidsderivator (hastigheter) = 0. För reaktionen A B erhålls vid jämvikt k [A] eq = k [B] eq B eq A eq = k k = K c K c är jämviktskonstanten (ej den termodynamiska). Sambandet mellan hastighetskonstanterna och koncentrationsjämviktskonstanten är viktigt och används ofta vid kinetiska studier. Om två är kända kan den tredje beräknas.

Hur studera kinetik för reversibla reaktioner? Relaxationsmetoder Ett system i jämvikt störs genom snabb temperaturändring eller tryckförändring ( T-jump : 5-10 K/ s upp till 10 13 K/ns, P-jump : 10 5 atm/ms) Om jämviktskonstanten är temperatur- eller tryckberoende går reaktionen till nytt jämviktsläge Detta ger möjlighet att studera mycket snabba förlopp Definition: Relaxation Återgång till jämvikt

Hur studera kinetik för reversibla reaktioner? Relaxationsmetoder (forts.) Jämvikten får ställa in sig vid en temperatur Vid tiden t 0 ändras temperaturen så att jämviktskonstanten ändras från K c till K c = [B] eq /[A] eq

Hur studera kinetik för reversibla reaktioner? Relaxationsmetoder (forts.) Som figuren på förra bilden är ritad kommer K c att öka när temperaturen höjs, och systemet börjar genast närma sig det nya jämviktsläget. x är avvikelsen från jämviktskoncentrationen och dess startvärde är x 0. Det går då att visa att: x = x 0 e t/τ där = relaxationstiden som för vårt fall kan skrivas (se Just. 21.4, tiden måste räknas från tiden t 0 i figuren): 1 τ = k + k Relaxationstiden (eller snarare 1/ ) har liknande funktion som tidskonstanten för en vanlig 1:a ordningens reaktion, där ju 1/ = k.

Förklaringar till hastighetsekvationerna Reaktionsformeln antyder ofta en hastighetsekvation som inte stämmer med den experimentellt erhållna. Förklaras med en mekanism som är en serie av elementärreaktioner. Exempel: Om reaktionen A + 2B + 3C P ska ske i ett steg måste en molekyl A samtidigt kollidera med 2 molekyler B och 3 molekyler C, vilket skulle betyda hastighetsekvationen v = k A 1 B 2 C 3 En sådan reaktionsmekanism är dock så osannolik att den kan bortses från. Mekanismen och hastighetsuttrycket är säkert annorlunda.

Elementärreaktioner Resultatet av en molekylär händelse sådan att ett aktiverat komplex bildas, varur (mellan)produkt(er) uppkommer. Antalet molekyler som bildar aktiverat komplex anger molekylariteten. Unimolekylär: en molekyl undergår spontan förändring (ex. sönderfall, isomerisering ). Alltid 1:a ordningen. Bimolekylär: två molekyler kolliderar och reagerar via aktiverat komplex till produkt(er). Alltid 2:a ordningen. Termolekylär finns, men ovanliga, (kräver att tre molekyler kolliderar (nästan) samtidigt,) Alltid 3:e ordningen.

Mekanismer och hastighetsbestämmande steg Exempel: Reaktionen A + 2B C + D har hastighetsekvationen v = k [A] [B] Den observerade reaktionen sker med mekanismen: (1) A + B C + X v 2 = k 1 [A] [B] (2) X + B Y v 3 = k 2 [X] [B] (3) Y D v 4 = k 3 [Y] A + 2B C + D Notera: 1) Mellanprodukterna eller intermediärerna X och Y tar ut varandra och behöver ej skrivas ut i nettoreaktionen. 2) Elementärreaktionerna (2) och (3) är bimolekylära och (4) är unimolekylär. Om (1) är hastighetsbestämmande erhålls förklaringen till den observerade hastighetsekvationen.

Serier av elementärreaktioner Kallas konsekutiva (på varandra följande) reaktioner. Exempel: A I P med hastighetskonstanter k a respektive k b, båda 1:a ordningens reaktioner. Formler för intermediärens koncentration som funktion av tiden finns i formelsamlingen och behöver ej läras in. Följande är dock viktigt att inse: [A] går mot noll [I] har ett maximum [P] går mot [A] 0 (om endast A fanns vid t = 0)

Specialfall av konsekutiva elementärreaktioner Reaktion: A k a I k b P Förhållandet mellan de två hastighetskonstanterna har konsekvenser för reaktionens förlopp. Två specialfall: 1. k a >> k b. [A] faller snabbt mot 0, [I] stiger snabbt nästan mot [A] 0 för att sedan sjunka sakta, medan [P] sakta stiger. 2. k a << k b. I är en mycket reaktiv mellanprodukt som aldrig uppnår hög koncentration.

Specialfall av konsekutiva elementärreaktioner k a >> k b Andra steget hastighetsbestämmande. k b >> k a Första steget hastighetsbestämmande.

Steady-State-approximationen I fall 2 ovan får [I] efter en kort period (induktionsperiod) ett litet, nära konstant värde << [A] (steady state). Då kan dess tidsderivata approximeras med noll. Detta ger d I dt = k a A k b I = 0 I = k a k b [A] Sätt in i hastighetsekvationen för andra reaktionen: d P dt = k b I = k b k a k b A = k a [A] Som om ingen mellanprodukt funnits! Steady-State approximationen kan till exempel användas för att härleda Michaelis- Menten ekvationen för enzymkatalys.

Snabb inledande jämvikt Reaktion: A + B I P A + B I Hastighetskonstanter: k a resp. k a (stora i förhållande till k b ) I P Hastighetskonstant: k b k a och k a För jämvikten gäller: K ca = k a k a = I A [B] I = K ca A [B] Hastighet för bildning av produkt: d P dt = k b I = k b K ca A B = k a k b k a A B = k A B (k = k a k b k a ) Det blir som en andra ordningens reaktion.

Kinetisk kontra termodynamisk kontroll 1. Antag dessa två icke-reversibla parallella reaktioner: A + B P 1 v 1 = k 1 [A] [B] A + B P 2 v 2 = k 2 [A] [B] Under reaktionens gång kommer [P 1 ]/[P 2 ] = k 1 /k 2. Detta kallas kinetisk kontroll. 2. Antag i stället reversibla reaktioner: A + B P 1 Jämviktskonstant: K 1 A + B P 2 Jämviktskonstant: K 2 Vid jämvikt kommer [P 1 ]/[P 2 ] = K 1 /K 2. Detta kallas termodynamisk kontroll.

Första ordningens gasreaktioner Reaktion: A P Borde vara unimolekylära, och alltså ej aktiveras genom kollisioner med lösningsmedelsmolekyler. Varifrån kommer aktiveringsenergin? Mekanism enligt Lindemann-Hinshelwood Modell: Molekylen A som ska reagera aktiveras genom collision med en annan molekyl A. Den kan då bilda produkten P. Den kan dock även deaktiveras genom kollision med an annan molekyl A. P A A* A A

Lindemann-Hinshelwood mekanismen Aktivering: A + A A + A* 2:a ordn. k a Deaktivering: A* + A A + A 2:a ordn. k a Bildning av produkt: A* P 1:a ordn. k b Antag steady-state för A*: d A dt = k a A 2 k a A A k b A = 0 A = k a A 2 k a A + k b d P dt = k b A = k bk a A 2 k a A + k b

Lindemann-Hinshelwood mekanismen Vad händer vid så höga tryck att k a A k b? A = k a k a [A] d P dt = k b A = k a k b k a A = k A (k = k a k b k a ) Reaktionen blir av första ordningen!

Lindemann-Hinshelwood mekanismen Vad händer vid så låga tryck att k a A k b? A = k a k b A 2 d P dt = k b k a k b A 2 = k a A 2 Reaktionen blir av andra ordningen!

Reaktionshastigheters temperaturberoende Reaktionsordningen är i allmänhet oberoende av temperatur inom vida temperaturintervall. Temperaturberoendet för reaktionshastigheten sitter därför oftast i hastighetskonstanten Två ekvationer som beskriver hastighetsekvationens temperaturberoende är Arrhenius ekvation och Eyringekvationen.

Arrhenius ekvation Svante Arrhenius fann 1884: k = A e E a RT Ekvationen var från början fenomenologisk, det vill säga den syftade till att beskriva ett samband, inte förklara det. eller logaritmerat: ln k = E a RT + ln A Notera att vi ofta logaritmerar ekvationer om gör icke-linjära ekvationer linjära och därmed lättare att studera.

Arrhenius ekvation (forts.) A: frekvensfaktorn eller pre-exponentiella faktorn samma enhet som k E a : aktiveringsenergin enhet J/mol, se nedan R: gaskonstanten (använd 8.3145 J K -1 mol -1 ) T: temperatur i Kelvin

Fysikalisk tolkning av E a och A Aktiveringsenergin (E a ) är den minimala energi som krävs för att ett aktiverat komplex skall bildas. Det motsvarar maximat på kurvan i figuren nedan. Reaktionen sker enligt B + C [BC] ac [BC] ts P Notera att dessa båda begrepp ofta används synonymt i annan litteratur. ac - aktiverat komplex, som kan gå tillbaka till reaktanter ts - transition state (= övergångstillstånd), härifrån finns ingen återvändo. Kan vara någon deformation av det aktiverade komplexet.

Fysikalisk innebörd av E a och A (forts.) Frekvensfaktorn (A) är ett mått på totalt antal kollisioner per tidsenhet vid koncentrationen = 1. Den har samma enhet som k. Att två molekyler kolliderar betyder inte nödvändigtvis att de reagerar. Antalet lyckade kollisioner per tidsenhet ges alltså av k = A e E a R T Totalt antal kollisioner per tidsenhet per koncentrationsenhet Sannolikhet att en kollision leder till reaktion

Utvidgad definition av aktiveringsenergi I vissa fall erhålls ingen rät linje i Arrheniusdiagrammet. Då används en utvidgad definition där aktiveringsenergin varierar med temperaturen E a = R T 2 d(ln k) dt Motivering: d(ln k) dt = d(ln k) d(1/t) d 1 T dt = 1 d ln k T2 d 1 T = E a R T 2 Första och sista ledet i ekvationen ovan ger den utvidgade definitionen. Notera att den vanliga definitionen av aktiveringsenergi är ett specialfall och att lutningen på linjen ln(k) s.f.a. (1/T) är derivatan i tredje ledet.

Skenbar aktiveringsenergi för sammansatta reaktioner Exempel: Lindemann-Hinshelwoods mekanism Effektiv hastighetskonstant blir: k eff = k a k b k a ln k eff = ln k a + ln k b ln k a Tillämpa Arrhenius ekvation på de tre konstanterna: ln k eff = ln A a + ln A b ln A a E a,a + E a,b E a,a R T Skenbar aktiveringsenergi: E a,a + E a,b E a,a

Skenbar aktiveringsenergi (forts.) Skenbara aktiveringsenergin blir större än noll i de flesta fall som till vänster i figuren men om E a,a är stort kan skenbara aktiveringsenergin bli negativ och en sådan reaktion går långsammare vid temperaturhöjning. Se till höger i figuren!

Skenbar aktiveringsenergi (forts.) CH 3 F + H [CH 3 F H] [CH 3 F H] CH 4 +F [CH 3 H F]

Eyrings ekvation För reaktionen kan AB uttryckas i [A] and [B] A + B AB P K = AB A B AB = K A B Hastigheten för bildande av produkt blir därför d P dt = k K A B = k A [B]

Eyrings ekvation Hastighetskonstanten k är proportionell mot frekvensen ν hos de vibrationer som överför det aktiverade komplexet till produkt. Inför transmissionskoefficienten κ eftersom inte alla vibrationer leder till product k = κν För jämviktskonstanten K leder statistisk mekanik till där K = k BT hν K K = e ΔG Τ RT

Eyrings ekvation Sätt in i hastighetsekvationen och förkorta bort ν. k = κ k BT h e Τ ΔG RT Eftersom ΔG = ΔH TΔS kan hastighetsekvationen även skrivas Detta är Eyringekvationen. k = κ k BT h e Τ ΔS R e ΔH Τ RT