Χημική κινητική β) Ταχύτητα της αντίδρασης

Transcript

1 Χημική κινητική β) Ταχύτητα της αντίδρασης Ως ταχύτητα αντίδρασης ορίζεται η μεταβολή της συγκέντρωσης ενός από τα αντιδρώντα ή τα προϊόντα στη μονάδα του χρόνου: Δc c2 - c1 υ =---- = t2 - t1 Οι μονάδες μέτρησης της ταχύτητας είναι: mol/l ή M ή M*s-1

2 Ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης Ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης αντιδρώντος: Είναι ίσος με το πηλίκο: Δc c 2 -c 1 υ =- =- t 2 -t 1 Το αρνητικό πρόσημο εισάγεται, ώστε ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης να έχει θετική τιμή. Ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης προϊόντος: Οι ρυθμοί μεταβολής των συγκεντρώσεων των ουσιών που συμμετέχουν σε μία αντίδραση, είναι ανάλογοι των συντελεστών τους στη χημική εξίσωση της αντίδρασης.

3 Ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης αντιδρώντος: Το αρνητικό πρόσημο εισάγεται, ώστε ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης να έχει θετική τιμή.

4 Ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης προϊόντος Οι ρυθμοί μεταβολής των συγκεντρώσεων των ουσιών που συμμετέχουν σε µία αντίδραση, είναι ανάλογοι των συντελεστών τους στη χημική εξίσωση της αντίδρασης.

5 ταχύτητας αντίδρασης N 2 O 4 2NO 2 η ταχύτητα κατανάλωσης του N2O4 δίνεται από τον τύπο uκατ = ΔcN 2O και η ταχύτητα σχηματισμού του NO2 από τον τύπο ΔcNO2 uπαρ = 4 Αν τις εκφράσεις "ταχύτητα κατανάλωσης" και "ταχύτητα σχηματισμού" τις αντικαταστήσουμε με τη λέξη "ταχύτητα", θα έχουμε για την ταχύτητα μετατροπής του N2O4 u 1 ΔcN 2O = και για την ταχύτητα μετατροπής του NO2 u 2 4 ΔcNO2 = Τα πρόσημα - και + στις δύο τελευταίες εξισώσεις υποδηλώνουν ότι το N2O4 καταναλώνεται και για το NO2 παράγεται.

6 για την αντίδραση N 2 O 4 2NO 2 u Για να εξισώσουμε τις 2 ταχύτητες σχηματισμού και κατανάλωσης, πρέπει να διαιρέσουμε την ταχύτητα μετατροπής του NO2 με το 2, οπότε προκύπτει ο ορισμός της ταχύτητας u ΔcN 2O = 4 = 1 2 ΔcNO * 2 Για αντίδραση του γενικού τύπου aa + bb cc+dd έχουμε 1 ΔcA 1 ΔcB 1 ΔcC 1 ΔcD = * = * = * = * a b c d

7 Καμπύλη της αντίδρασης ονομάζεται η γραφική παράσταση που µας δείχνει πως μεταβάλλεται η συγκέντρωση ενός αντιδρώντος ή ενός προϊόντος κατά τη διάρκεια της αντίδρασης.

8 Σε 250 ml διαλύματος HCl προσθέτουμε Zn και πραγματοποιείται η αντίδραση: Zn + 2HCl ZnCl 2 + H 2. Μετά την παρέλευση 80 s από την έναρξη, έχουν παραχθεί 112 ml H 2 μετρημένα σε STP. Να υπολογισθεί η μέση ταχύτητα της αντίδρασης στα πρώτα 80 sec. Από την αντίδραση φαίνεται ότι καταναλώνονται 0,01 mol HCl.

9 ΑΣΚΗΣΗ Για την αντίδραση 2Α + Β C, έχουν ληφθεί τα παρακάτω πειραματικά δεδομένα t [A] [B] ΛΥΣΗ α) ) 0,025 mol/l s και 0,011 mol/l s β) α) Να βρεθεί η μέση ταχύτητα της αντίδρασης για τα χρονικά διαστήματα 0-10 και 0-30 s β) Να παρασταθούν γραφικά οι μεταβολές των Α, Β καιγ

10 A B χρόνος υ = - υ = Δ[A] Δ[B] Αριθμός μορίων Καμπύλες αντίδρασης

11 Ταχύτητα αντίδρασης 2 N 2 O 5 (g) 4 NO 2 (g) +O 2 (g)

12

13 ταχύτητα αντίδρασης Γιατηγενικήαντίδρασηπουπαριστάνεταιμετη χημική εξίσωση Α+ Β Γ+ Δ έχουμε: Δc Α Δc Β Δc Γ Δc Δ υ = - = - = = Τέλος, γιατηγενικήαντίδραση, που παριστάνεται με τη χημική εξίσωση αα+ ββ γγ+ δδ έχουμε: 1 Δc Α 1 Δc Β 1 Δc Γ 1 Δc Δ υ = - = - = = α β γ δ

14 Γράψτε την σχέση που δίνει την ταχύτητα της αντίδρασης καύσης του μεθανίου (φυσικού αέριου): CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) υ = - Δ[CH 4 ] = Δ[O 2 ] = Δ[CO 2 ] = 1 2 Δ[H 2 O] Προσέξτε το πρόσημο στα αντιδρώντα η συγκέντρωση τους μειώνεται με το χρόνο

15 Καμπύλες αντίδρασης 2C 2A +B Ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του Α είναι διπλάσιος αυτού του Β γιατί για κάθε 2 mol A παράγεται 1 mol B

16 Πως υπολογίζομε την μέση ταχύτητα? υ: - ( [A]/ t) =- (Δ[A]/ A]/) (Δ[P]/ t) A + B + P + Q + t= mol m 3 10 s Ταχύτητα υ? υ=- ( [A]/ t) (100-99)/10 = 0.1mol m 3 s 1 υ=(δ[p]/ [P]/ t) =(0-1)/10 = 0.1 mol m 3 s 1 16

17 α Πως υπολογίζομε την μέση ταχύτητα από C 2 H 4 (g) + O 3 (g) το 0s εως το 10s C 2 H 4 O (g) + O 2 (g) Δ[C 2H 4] Δ[ O3 ] Δ[C 2H 4O] Δ[ O2 ] u = - = - = = Time(sec) [O 3 ] E E E E E E E-05 [O3] 3.50E E E E E E E-06 Rate of [O 3 ] Depletion 0.00E Time (sec) Η ταχύτητα της αντίδρασης όσο περνά ο χρόνος μειώνεται -5-5 Δ[O3] 2.42 x 10 mol/l x 10 mol/l u0-10 s = = - = 7.80 x s - 0 s -7 mol L s

18 β Πως υπολογίζομε την μέση ταχύτητα από C 2 H 4 (g) + O 3 (g) το 0s εως το 60s C 2 H 4 O (g) + O 2 (g) Δ[C 2H 4] Δ[ O3 ] Δ[C 2H 4O] Δ[ O2 ] u = - = - = = Time(sec) [O 3 ] E E E E E E E-05 [O3] Rate of [O 3 ] Depletion 3.50E E E E E E E E Time (sec) -5-5 Δ[O3] 1.10 x 10 mol/l x 10 mol/l u 0-60 s = = - = 3.50 x s - 0 s -7 mol L s

19 γ Πως υπολογίζομε την μέση ταχύτητα από C 2 H 4 (g) + O 3 (g) το 50s εως το 60s C 2 H 4 O (g) + O 2 (g) Δ[C 2H 4] Δ[ O3 ] Δ[C 2H 4O] Δ[ O2 ] u = - = - = = Time(sec) [O 3 ] E E E E E E E-05 [O3] 3.50E E E E E E E-06 Rate of [O 3 ] Depletion 0.00E Time (sec) The rate of the reaction will slow down as the reaction proceeds Δ[O3] 1.10 x 10 mol/l x 10 mol/l u 60 s-50 s = = - = 1.30 x s - 50 s -7 mol L s

20

21

22 Υπολογισμός στιγμιαίας ταχύτητας από την καμπύλη αντίδρασης Για να υπολογίσουμε τη στιγμιαία ταχύτητα της αντίδρασης εργαζόμαστε ως εξής: Σχεδιάζουμε την καμπύλη της αντίδρασης. Φέρνουμε την εφαπτομένη της καμπύλης στο σημείο που θέλουμε να υπολογίσουμε τη στιγμιαία ταχύτητα. Υπολογίζουμε την κλίση της εφαπτομένης, η οποία είναι ίση με το ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του αντιδρώντος ή του προϊόντος της καμπύλης. Με τη βοήθεια του ρυθμού μεταβολής υπολογίζουμε τη στιγμιαία ταχύτητα.

23

24 Συγκέντρωση C4H9Cl συναρτήσει του χρόνου Μέση ταχύτητα υ=δ(μ)/

25 Υπολογισμός ταχύτητας υ=-1/2δ[ηι]/ ]/= =Δ[Η2]/ ]/= =Δ[I2]/ ]/ Για το χρονικό διάστημα 0 έως 100s υ=-1/2(4,4-10) 10)Μ/(100-0) 0)s =2.8*102.8*10-2 M/s Για το χρονικό διάστημα 100 έως 200s υ=-1/2( 1/2(2.7-4,4) 4,4)Μ/( /( ) 100)s =0.85*100.85*10-2 M/s

26 Υπολογισμός μέσης ταχύτητας αντίδρασης Α+Β 2Γ t (s) [A] M υμ/s , , , , ,004

27 ταχύτητα αντίδρασης T (min) [A]M [B] M υ Μ/min

28 Br 2 (aq) + HCOOH (aq) 2Br - (aq) + 2H + (aq) + CO 2 (g) χρόνος Br 2 (aq) 393 nm 393 nm φως ανιχνευτής Δ[Br 2 ] α Δαπορόφηση

29 2H 2 O 2 (aq) 2H 2 O (l) + O 2 (g) PV = nrt n P = RT = [O 2 ]RT V 1 [O 2 ] = P RT υ = Δ[O 2 ] = 1 ΔP RT μέτρηση ΔP συναρτήσει του χρόνου

30 Υπολογισμός στιγμιαίας ταχύτητας από την καμπύλη αντίδρασης: Σχεδιάζουμε την καμπύλη της αντίδρασης. Φέρνουμε την εφαπτομένη της καμπύλης στο σημείο που θέλουμε να υπολογίσουμε τη στιγμιαία ταχύτητα. Υπολογίζουμε την κλίση της εφαπτομένης, η οποία είναι ίση µε το ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης του αντιδρώντος ή του προϊόντος της καμπύλης. Με τη βοήθεια του ρυθμού μεταβολής υπολογίζουμε τη στιγμιαία ταχύτητα.

31 2H 2 O 2 (aq) 2H 2 O (l) + O 2 (g) Κλίση =0,12mmHg/min

32 Br 2 (aq) + HCOOH (aq) 2Br - (aq) + 2H + (aq) + CO 2 (g) Κλίση της εφαπτωμένης Κλίση της εφαπτωμένης Κλίση της εφαπτωμένης υ = - Δ[Br 2 ] = - [Br 2 ] τελική [Br 2 ] αρχική t τελικός t αρχικός Η στιγμιαία ταχύτητα υπολογίζεται γραφικά

33 Στιγμιαία ταχύτητα αντίδρασης

34 Σύγκριση στιγμιαίας ταχύτητας σε χρόνο t=0 και σε t=600s υαρχ=-δ[α]/ ]/= -( )/(200-0) 0) M/s= =2*10-4 M/s υ2=-δ[α]/ ]/= = -( )/( ) 400) =6*10-5 M/s Άρα 2*10-4 M/s > 6*10 υαρχ >υ2 M/s 6*10-5 M/s

35 Καμπύλη αντίδρασης R P και στιγμιαία ταχύτητα