kinetik 1(2) - lunds universitet · 1 och 2: - bro 3-- halten fördubblad, alla andra halter lika -...

KEMA02/ © Sofi Elmroth 2011

KEM A02

Allmän- och oorganisk kemi

KINETIK 1(2)A: Kap 14.1 – 14.5


Vad är kinetik?

REAKTIONSKINETIK:

ger information om

på vilket sätt

och

hur snabbt

kemiska reaktioner sker

FÖLJDFRÅGA:

Varför sker inte alla

reaktioner på direkten?

mekanism

hastighetslag


14.1 Koncentration och reaktionshastighet

DEFINITION:

Hastighet = förändring av egenskap/tidsenhet

- MEDELHASTIGHET, v

Hastighet = totalsträcka/totaltid

v = s/t

- MOMENTAN HASTIGHET

sträcka/ tidsenhet under kort tid

t 0 (tidsderivatan)

Mikroskopiskt exempel:

Reaktionshastighet = koncentration / t

SVARAR PÅ FRÅGAN:Hur mycket A blir B

under viss tidsperiod?Enhet: Ms-1


Produktbildning och reaktantförbrukninghastighetsuttryck

R P R= Reaktant

P = Produkt

Produktbildningshastighet

v = ([P]2 – [P]1)/(t2 – t1)

Förbrukningshastighet

v = – ([R]2 – [R]1)/(t2 – t1) OBS! [R]2 < [R]1

Enhet: Ms-1

t1

t2t1

[P]1

[P]2

[R]1

[P]2

OBS! Reaktionshastigheten är alltid positiv!


Beräkning av medelreaktionshastigheten

EXEMPEL 14.1

Reaktion: 2 HI(g) H2(g) + I2(g)

Observation: På 100 sekunder minskar HI(g) från 4.00 till 3.50 mM

Fråga: Vad är den genomsnittliga reaktionshastigheten

[för sönderfallet av HI(g)]?

OBS! 2 produktmolekyler(HI) genererar bara en molekyl av vardera H2 och I2

FRÅGA: Hur stor är produktbildningshastigheten?

SVAR: Hälften så stor som sönderfallshastigheten!


DEFINITION:Den unika reaktionshastigheten

a A + b B c C + d D

Definierar hastigheten oberoende av totalstökiometrin

1 [A] 1 [B] 1 [C] 1 [D]

a t b t c t d tv = – – —— = – – —— = – —— = – ——

Self-test 14.2A: N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Haber-Bosch

OBSERVATION: 1.15 mM NH3 bildas per timme

FRÅGA 1: Vad är den unika reaktionshastigheten? 0.575 mM/h

FRÅGA 2: Hur stor är hastigheten för förbrukningen av H2? 1.725 mM/h

1.15/2

0.575x3


14.2 Momentan reaktionshastighethastighet vid givet tillfälle

Hastigheten för de flesta reaktioner avtar under reaktionens gång

[Reaktant]

tidHastigheten vid en given t

bestäms av derivatan (d[R]/dt)

OBS!

Initialhastigheten

vid t = 0

ofta mest tillförlitlig

för långsamma

och/eller

komplicerade

reaktioner


14.3 Hastighetslag och reaktionsordning

HASTIGHETSLAGEN

- talar om vilka koncentrationer som påverkar reaktionshastigheten

- återspeglar det molekylära skeendet (≠ totalstökiometrin)

EXEMPEL: 2 NO2 2 NO + O2 Atmosfärskemi

v = k [NO2][NO2] = k [NO2]2 k = 0.54 M-1s-1

SLUTSATSER:

1) Hastighetslagen beror av produkten [NO2][NO2]

dvs krocken mellan två NO2 påverkar hastigheten

2) Inga andra ämnen påverkar reaktionshastigheten

Inga andra ämnen deltar i ”krocken”

3) Reaktionen är en elementarreaktion

dvs det som tecknats är det som händer på det moleklära planet

NO2 i troposfären

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b3/Aura_OMI_Nitrogen_dioxide_troposphere_column.png


Hur bestämmer man hastighetslagen?

METOD 1: INITIALHASTIGHETSMETODEN

BRA TILL: Långsamma och komplicerade reaktioner

(bildade produkter endast i låga halter initialt)

STRATEGI: 1) Variera koncentrationerna på reaktanter

2) Mät initialhastigheten för varje reaktionsblandning

3) Utvärdera hur hastigheten beror av initialkoncentrationen

4) Sätt samman uttrycket för hastighetslagen


Exempel: Sönderfall av BrO3- (bromat)

BrO3- + 5 Br- + 6 H3O

+ 3 Br2 + 9 H2O

EXEMPEL 14.2

Initial koncentration (M) Initial hastighet (v0)

Försök BrO3- Br- H3O

+ mMs-1 (BrO3-)

1 0.10 0.10 0.10 1.2

2 0.20 0.10 0.10 2.4

3 0.10 0.30 0.10 3.5

4 0.20 0.10 0.15 5.5

UPPGIFTER ATT LÖSA

1) Bestäm hastighetslagen; dvs a, b och c i uttrycket

v = k [BrO3-]a [Br-]b [H3O

+]c

2) Bestäm hastighetskonstanten (k)



EXEMPEL 14.2

1) Bestäm hastighetslagen

STRATEGI: Jämför reaktionerna parvis!

1 och 2: - BrO3- - halten fördubblad, alla andra halter lika

- Hastigheten fördubblad v = k [BrO3-]1 (linjärt beroende)

1 och 3: - Br- - halten 3ggr den i 1, alla andra lika

- Hastigheten ca 3 ggr högre v = k´[Br-]1

1 och 4, 2 och 3 – krångligt då flera halter varieras

2 och 4: - H3O+ ökar från 0.10 till 0.15 (ökning med 1.5)

- Hastigheten ökar med 2.29 dvs 1.52 (=2.25) v = k´´[H3O+] 2

HASTIGHETSLAGEN: v = kr [BrO3-]1 [Br-]1 [H3O

+] 2

TOTAL REAKTIONSORDNING: 1+1+2 = 4

evR



EXEMPEL 14.2

2) Bestäm hastighetskonstanten (k)

STRATEGI: Välj ett försök och lös ut k (OBS! Enheterna)

v = kr [BrO3-]1 [Br-]1 [H3O

+] 2

Försök 1 ger: 1.2 x 10-3 = kf 0.1 x 0.1 x(0.1)2

kf = 12 M-3s-1 (L3mol-3s-1)

evR


Hur bestämmer man hastighetslagen?

METOD 2: INTEGRERAD HASTIGHETSLAG

dvs passning av experimentella data till matematiskt uttryck

1:a ordningens hastighetslag 2:a ordningens hastighetslag

A P 2 A P

Monomolekylär reaktion Bimolekylär reaktion


14.4 Första ordningens hastighetslag

A P

Reaktion: A P

Hastighetslag: v = -d[A]/dt = k [A]

Integrerad hastighetslag: [A] = [A]0 exp(-kt) (1) härledning sid 572-3

ln[A] = ln[A]0 – kt (2) logaritmlagar!

(1) (2)

A P


Beräkna koncentrationen vid visst tillfälle1:a ordningens reaktion

EXEMPEL 14.3

Reaktion: 2 N2O5 4 NO2(g) + O2(g) stökiometrisk reaktion

Hastighetslag: v = k [N2O5] k = 5.2 x 10-3 s-1 Ur Tabell 14.1

Fråga: Hur mycket N2O5 finns kvar efter 10 minuter

om startkoncentrationen är 0.040 M (t = 65 oC)

LÖSNING: 1:a ordningens reaktion: använd [A] = [A]0 exp (-kt)

med k = 5.2 x 10-3 s-1 (Ur Tabell 14.1)

[A] = 0.040 exp (- 5.2 x 10-3 x 10 x 60) = 0.0018 M

SVAR: 0.0018 M N2O5 finns kvar efter 10 minuter


Bestämma hastighetskonstanten1:a ordningens reaktion

EXEMPEL 14.4

När cyklopropan värms till 500 oC (773 K) bildas propan

A B

k

UPPGIFT: Visa att reaktionen är av 1:a ordningen och bestäm

hastighetskonstanten.

INSAMLADE DATA:tid (min) 0 5 10 15

[A] (M) 1.50x10-3 1.24x10-3 1.00x10-3 0.83x10-3

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/45/Cyclopropane-stereo.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a2/Propane-2D-flat.png


Bestämma hastighetskonstanten1:a ordningens reaktion

EXEMPEL14.4

INSAMLADE DATA:tid (min) 0 5 10 15

[A] (M) 1.50x10-3 1.24x10-3 1.00x10-3 0.83x10-3

STRATEGI: Använd det linjäriserade uttrycket för 1:a

ordningens reaktion och bestäm k ur lutningen

[A] = [A]0 exp(-kt) ln[A] = ln[A]0 – kt lutningen = - k

Underlag för plot:tid (min) ln[A]

0 -6.5

5 -6.69

10 -6.91

15 -7.09

(0, -6.5)

(5, - 6.69)

(10, - 6.91)

(15, - 7.09)

ln[A]

t (min)

- k = (-7.09 -(-6.5)) / (15-0)

k = 0.039 min-1

SVAR: Linjär plot bekräftar

1:a ordningens kinetik med

hastighetskonstanten 0.04 min-1.

R!


14.5 Halveringstiden t1/21:a ordningens reaktion

Halveringstid (t1/2): Den tid det tar att halvera startkoncentrationen

1:a ordningens reaktion

- t1/2 är konstant

- Kan beräknas ur sambandet

[A] = [A]0 exp(-kt)

- Med [A] = [A]0/2 fås:

[A]0/2 = [A]0 exp(-kt1/2)

ln(1/2) = (-kt1/2)

ln 2 = kt1/2

(ln2)/k = t1/2

t1/2 ca 0.35 s


Biologisk utsöndringtypiskt exempel på 1:a ordninges process!

EXEMPEL 14.6

PROBLEM: Tonåring som 1989 andades in Hg-ånga.

Hur mycket har försvunnit från kroppen efter 30 dagar?

STRATEGI: Halten i blodet mäts (mått på mängden i kroppen) direkt

efter exponering (1.54 mg/dm3).

Halten efter 30 dagar kan sedan beräknas då

hastighetskonstanten är indirekt känd (t1/2 = 6 dagar)

SAMBAND: [A] = [A]0 exp(-kt)

ln 2 = kt1/2 k = ln 2 / t1/2

kinetik 1(2) - lunds universitet · 1 och 2: - bro 3-- halten fördubblad, alla andra halter lika -...

Documents