Kapitel 12. Kemisk kinetik

Kapitel 12 Kemisk kinetik

Kapitel 12 Innehåll 12.1 Reaktionshastigheter 12.2 Hastighetsuttryck: en introduktion 12.3 Bestämma formen på hastighetsuttrycket 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket 12.5 Reaktionsmekanismer 12.6 En teori som förklarar reaktionshastigheter 12.7 Katalys Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5

Avsnitt 12.1 Reaktionshastigheter Reaktionshastighet = Rate Förändring i koncentrationen hos en reaktant eller produkt per tidsenhet. Rate = concentration of A at time t concentration of A at time t t t 2 1 2 1 = Δ [ A] Δt [A] betyder koncentration av A i mol/l; A är reaktanten eller produkten som studeras. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8

Avsnitt 12.2 Atomic Hastighetsuttryck: Masses en introduktion 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 10

Avsnitt 12.2 Atomic Hastighetsuttryck: Masses en introduktion 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 11

Avsnitt 12.2 Atomic Hastighetsuttryck: Masses en introduktion 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 12

Avsnitt 12.2 Atomic Hastighetsuttryck: Masses en introduktion Olika typer av hastighetsuttryck Differentiellt hastighetsuttryck: uttrycker hur hastigheten beror av koncentrationen. Integrerat hastighetsuttryck: uttrycker hur koncentrationen beror av tiden. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13

Avsnitt 12.3 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 14

Avsnitt 12.2 Atomic Hastighetsuttryck: Masses en introduktion Övning Använd listad data nedan för att bestämma reaktionsordningen m.a.p. alla tre reaktanter. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 15

Avsnitt 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket Första ordningens reaktioner För aa produkter i en 1:a ordningens reaktion Rate = Δ A Δt = k A Det integrerade hastighetsuttrycket för 1:a ordningens reaktion är ln[a] = kt + ln[a] o Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16

Avsnitt 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket Halveringstid för en första ordningens reaktion t1/2 = 0. 693 k t 1/2 = halveringstid k = hastighetskonstant Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17

Avsnitt 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket Andra ordningens reaktion För aa produkter i en 2:a ordningens reaktion: Rate = Δ A Δt = k A Det integrerade hastighetsuttrycket är 2 1 A = kt + 1 A o Copyright Cengage Learning. All rights reserved 18

Avsnitt 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket Halveringstid för en andra ordningens reaktion Halveringstiden för en andra ordningens reaktion är beroende av begynnelsekoncentrationen. t 1/2 = halveringstid för reaktionen k = hastighetskonstant [A] o = begynnelsekoncentration av A t 1/2 = k 1 A o Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19

Avsnitt 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket 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 20

Avsnitt 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket Nollte ordningens reaktion Halveringstid: t [ ] 0 = 2 k 1 2 A k = hastighetskonstanten [A] o = initialkoncentration av A Halveringstiden blir kortare ju längre reaktionen fortgåroch koncentrationerna av reaktanterna minskar. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21

Avsnitt 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket Övning Beakta reaktionen aa produkter. [A] 0 = 5.0 M och k = 1.0 x 10 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 24

Avsnitt 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket Övning Butadien reagerar enligt: C 4 H 6 (g) C 8 H 12 (g) Bestäm a) reaktionsordning b) hastighetskonstant c) halveringstiden för reaktionen [C 4 H 6 ] (mol/l) 0.01000 0.00625 0,00476 0,00370 0.00313 0.00270 0.00241 0.00208 Tid (± 1s) 0 1000 1800 2800 3600 4400 5200 6200 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25

Avsnitt 12.4 Det integrerade hastighetsuttrycket En plot av (a) ln[c 4 H 6 ] och (b) 1/[C 4 H 6 ] mot t. Inte rät linje: reaktionen är ej av första ordningen Rät linje: reaktionen är av andra ordningen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26

Avsnitt 12.5 Reaktionsmekanismer Reaktionsmekanismer 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27

Avsnitt 12.5 Reaktionsmekanismer Reaktionsmekanismer Bl.a. reaktionen för fotosyntesen: 6CO + 6H O C H O +6O 2 2 light 6 12 6 2 har många elementära steg i sin reaktionsmekanism. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28

Avsnitt 12.5 Reaktionsmekanismer Elementära reaktionssteg för NO 2 + CO NO + CO 2 + 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 29

Avsnitt 12.5 Reaktionsmekanismer 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 30

Avsnitt 12.5 Reaktionsmekanismer 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31

Avsnitt 12.5 Reaktionsmekanismer 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 32

Avsnitt 12.6 Teorier som förklarar reaktionshastigheter 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35

Avsnitt 12.6 Teorier som förklarar reaktionshastigheter 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 36

Avsnitt 12.6 Teorier som förklarar reaktionshastigheter Arrhenius ekvation k = Ae E a / RT k = hastighetskonstanten A = frekvensfaktor E a = aktiveringsenergi T = temperatur R = gaskonstanten Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39

Avsnitt 12.6 Teorier som förklarar reaktionshastigheter Kinetiska parametrar ur experiment En plot av lnk mot 1/T ger värdet på aktiveringsenergin och frekvensfaktorn för en reaktion lnk = lna - E a /RT E a 1 lnk = - + lna R T y = k x + m

Avsnitt 12.6 Teorier som förklarar reaktionshastigheter Övning Organiska kemister använder en tumregel som säger att en temperaturökning med 10 K motsvarar en fördubbling av reaktionshastigheten. Vad måste aktiveringsenergin vara för att detta ska gälla för en temperaturökning från 25 C till 35 C? E a = 53 kj Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43

Avsnitt 12.7 Katalys Katalysator Ett ämne som skyndar på en kemisk reaktion men inte själv förbrukas Erbjuder en ny reaktionsväg för reaktionen som har lägre aktiveringsenergi. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44

Avsnitt 12.7 Katalys 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. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47

Avsnitt 12.7 Katalys Heterogen katalys 1. 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 48

Avsnitt 12.7 Katalys 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 49