Kinetik. Föreläsning 2

Relevanta dokument
Kinetik, Föreläsning 2. Patrik Lundström

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

Kinetik. Föreläsning 1

Reaktionskinetik...hur fort går kemiska reaktioner

Kinetik, Föreläsning 1. Patrik Lundström

Bestämning av hastighetskonstant för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon

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

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

Kemisk Dynamik för K2, I och Bio2

Kinetik. Föreläsning 4

Energi, katalys och biosyntes (Alberts kap. 3)

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

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

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

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

Kapitel Repetition inför delförhör 2

4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra

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

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

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

Föreläsning 13: Multipel Regression

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

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

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

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

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

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

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

Lite basalt om enzymer

Kemisk jämvikt. Kap 3

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

Om Murry Salbys ekvation

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

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

Innehåll. Bilagor 1-8

Tentamen i Termodynamik för K och B kl 8-13

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

Arbete TD7 Datorövning i reaktionskinetik

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

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

TENTAMEN I KEMI TFKE16 (4 p)

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

Kemiska reaktioner och reaktionshastigheter. Niklas Dahrén

10. Kinetisk gasteori

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

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

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

Industriella Reaktorer 2005

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

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

Termodynamik Föreläsning 4

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

TENTAMEN i FYSIKALISK-ORGANISK KEMI 7,5 hp, NKEC , kl

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

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!

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

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

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

Modellering av Dynamiska system. - Uppgifter till övning 1 och 2 17 mars 2010

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

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

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

Biologisk katalysator

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

LABORATION 2 TERMODYNAMIK BESTÄMNING AV C p /C v

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.

Kemisk jämvikt. Niklas Dahrén

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

KEMI. Ämnets syfte. Kurser i ämnet

I princip gäller det att mäta ström-spänningssambandet, vilket tillsammans med kännedom om provets geometriska dimensioner ger sambandet.

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

TENTAMEN I KEMI TFKE

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

STOCKHOLMS UNIVERSITET FYSIKUM

4 rörelsemängd. en modell för gaser. Innehåll

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Sammanfattning av räkneövning 1 i Ingenjörsmetodik för ME1 och IT1. SI-enheter (MKSA)

Kemisk jämvikt. Kap 3

SF1625 Envariabelanalys

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

med angivande av definitionsmängd, asymptoter och lokala extrempunkter. x 2 e x =

Linjärisering och Newtons metod

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

Kemisk jämvikt. Kap 3

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

Fysikaliska modeller

Ett exempel från fysikalisk kemi. Föreläsning 13: Multipel Regression. Enkel linjär regression. Mätningar från laborationer 2014

Jämviktsreaktioner och kemisk jämvikt. Niklas Dahrén

Termodynamik (repetition mm)

1. Introduktion. Vad gör senapsgas så farlig?

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

4.1 Se lärobokens svar och anvisningar. 4.2 För reaktionen 2ICl(g) I 2 (g) + Cl 2 (g) gäller att. För reaktionen I 2 (g) + Cl 2 (g) 2ICl(g) gäller 2

Enzymer Farmaceutisk biokemi. Enzymet pepsin klyver proteiner i magsäcken till mindre peptider

KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F12

Transkript:

Kinetik Föreläsning 2

Reaktioner som går mot ett jämviktsläge ALLA reaktioner går mot jämvikt, här avses att vid jämvikt finns mätbara mängder av alla i summaformeln ingående ämnen. Exempel: Reaktion i fram- och återgående riktning, båda 1:a ordningen, hastighetskonstanter k resp. k, A B v = d A dd = k A k [B] För att beräkna hur snabbt [A] förändras måste vi alltså även ta hänsyn till hur A bildas från B!

Reversibla kontra icke-reversibla reaktioner Om jämvikten måste beaktas Om jämvikten är förskjuten (nästan) helt åt höger Formler för [A] och [B]:s tidsberoende vid jämvikt behöver ej läras in.

Reaktionshastigheter och jämviktskonstanter Vid jämvikt ändras definitionsmässigt inga koncentrationer med tiden och därmed är alla tidsderivator = 0. För reaktionen A B erhålls k [A] eq = k [B] eq B ee A ee = 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 räknas ut. Detta används ofta i t.ex. enzymkinetik.

Hur studera kinetik för reversibla reaktioner? Relaxationsmetoder Jämvikten störs genom snabb temperaturändring (5-10 K/µs upp till 10 13 K/ns) eller tryckförändring. Om jämviktskonstanten är temperatur- eller tryckberoende måste reaktionen gå till ett nytt jämviktsläge Detta kan studeras och mycket snabba förlopp kan mätas elektroniskt.

Hur studera kinetik för reversibla reaktioner? Relaxationsmetoder 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 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 τ = relaxationstiden som för vårt fall kan skrivas (se Just. 21.4, tiden måste räknas från tiden t 0 i figuren): 1 τ = k + kk Relaxationstiden (eller snarare 1/ τ ) har liknande funktion som tidskonstanten för en vanlig 1:a ordningens reaktion, där ju 1/τ = k.

Reaktionshastigheters temperaturberoende Temperaturberoendet för reaktionshastigheten sitter i hastighetskonstanten, k, eftersom reaktionsordningen i allmänhet är oberoende av temperatur inom vida temperaturintervall.

Arrhenius ekvation Svante Arrhenius fann 1884: k = A e E a R T eller logaritmerat: ln k = E a R T + ln A Notera att vi ofta logaritmerar ekvationer eftersom det många gånger 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 alltid 8,3145 J/(K mol)! T = temperatur - måste anges i Kelvin!

Utvidgad definition av aktiveringsenergi I vissa fall får man ingen rät linje i Arrheniusdiagrammet. Då används en utvidgad definition E a = R T 2 d(ll k) dd Motivering: d(ll k) dd = d(ll k) d(1/t) d 1 T dd = 1 d ll 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 av denna definition.

Fysikalisk innebörd 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 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: 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 Sannolikhet att en kollision leder till reaktion

Förklaringar till hastighetsekvationerna Reaktionsformeln antyder ofta en hastighetsekvation som inte stämmer med den experimentellt erhållna. Detta förklaras med en mekanism som är en serie av elementärreaktioner. Exempel: Reaktionen A + 2B + 3C P antyder att för att ske 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 vi kan bortse från den och den sanna mekanismen och hastighetsuttrycket är säkert annorlunda.

Elementärreaktioner Dessa är resultatet av en molekylär händelse, 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,) 3:e ordningen.

Exempel: Reaktionen A + 2 B C + D (1) har hastighetsekvationen: v = k [A] [B] Det borde ha varit v = k [A] [B] 2. Den korrekta ekvationen kan förklaras med mekanismen: (2) A + B C + X v 2 = k 2 [A] [B] (3) X + B Y v 3 = k 3 [X] [B] (4) Y D v 4 = k 4 [Y] Σ A + 2 B C + D Mellanprodukterna eller intermediärerna X och Y tar ut sig = KRAV på mekanism. Elementarreaktionerna (2) och (3) är bimolekylära och (4) är unimolekylär. Om (2) är hastighetsbestämmande fås den erhållna hastighetsekvationen.

Serier av elementärreaktioner Kallas konsekutiva (på varandra följande). Exempel: A I P med hastighetskonstanter k a respektive k b, båda 1:a ordningens reaktioner. Formler för tidsberoende för koncentrationer oväsentliga, men att [A] går mot noll [I] har ett maximum [P] går mot [A] 0 (om endast A fanns vid t = 0) är viktigt att inse.

Två specialfall av konsekutiva elementärreaktioner Notera att vi kan ha principiellt olika typer av förhållanden mellan storleken på de två hastighetskonstanterna vilket får konsekvenser för reaktionens förlopp: 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 kan uppnå någon märkbar koncentration.

Två specialfall av konsekutiva elementärreaktioner I fall 1 (t. v. i fig.) är det andra steget hastighetsbestämmande, i fall 2 är det första steget hastighetsbestämmande.

Steady-State-approximationen I fall 2 ovan får [I] efter en kort period (induktionsperiod) ett litet, nära konstant värde << [A]. Då kan dess tidsderivata approximeras med noll. Detta ger d I dd = k a A k b I = 0 I = k a k b [A] Sätt in i hastighetsekvationen för andra reaktionen: d P dd = k b I = k b k a k b A = k a [A] Som om ingen mellanprodukt funnits! I Atkins Fig. 21.16 visas hur bra approximationen stämmer med exakta beräkningar. 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 Hastighetskonstant = k a resp. k a snabba I P Hastighetskonstant = k b << k a resp. k a För jämvikten gäller: K cc = k a k a = I A [B] I = K cc A [B] För produkten gäller: d P dd = k b I = k b K cc A B = k a k b k a A B Det blir som en andra ordningens reaktion.

Kinetisk eller termodynamisk kontroll av reaktioner Vi har två parallella reaktioner: A + B P 1 A + B P 2 v 1 = k 1 [A] [B] v 2 = k 2 [A] [B] Under reaktionens gång kommer [P 1 ]/[P 2 ] = k 1 /k 2. Detta kallas kinetisk kontroll. Om reaktionerna däremot är reversibla (bakåtgående reaktioner viktiga) kommer förhållandet att bestämmas av jämviktsförhållanden, vilket betyder 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 A A A* P A

Lindemann-Hinshelwood mekanismen Aktivering: A + A A + A* 2:a ordn. k a Deaktivering: A* + A A + A 2:a ordn. k a Bildn. av produkt: A* P 1:a ordn. k b Gör Steady-State på A*: d A dd = k a A 2 k a A A k b A = 0 A = k a A 2 k a A +k b Om k a A k b blir A = k a k a [A] och d P dd = k b A = k a k b k a [A] alltså första ordningens reaktion.

MEN Lindemann-Hinshelwood mekanismen Vad händer vid mycket låga tryck så att k a A k b??? Reaktionen borde bli av andra ordningen! eftersom A = k a k b A 2 i detta fall Detta stämmer ofta experimentellt.

Skenbar aktiveringsenergi för sammansatta reaktioner Exempel: Lindmann-Hinshelwoods mekanism Effektiv hastighetskonstant blir: k eee = k a k b k a ln k eee = ln k a + ln k b ln k a Tillämpa Arrhenius ekvation på de tre konstanterna: ln k eee = 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 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!