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Fuente: Laboratorio de Dr. Neal Abrams — Universidad de SUNY de la ciencia ambiental y silvicultura
Todas las reacciones químicas tienen una tasa específica de definir el progreso de reactantes a productos. Esta tasa puede ser influenciada por la temperatura, concentración y las propiedades físicas de los reactivos. La tarifa incluye también los productos intermedios y Estados de transición que se forman son el reactivo ni producto. La ley tasa define el papel de cada reactivo en una reacción y puede utilizarse para modelar matemáticamente el tiempo necesario para que una reacción proceder. A continuación se muestra la forma general de una ecuación del tipo:
donde A y B son las concentraciones de diferentes especies moleculares, m y n son órdenes de reacción, y k es la constante de velocidad. La velocidad de cada reacción cambia con el tiempo como se agotan los reactivos, hacer colisiones eficaces menos probables que ocurra. La constante de velocidad, sin embargo, es fijo para cualquier sola reacción a una temperatura determinada. El orden de reacción ilustra el número de especies moleculares involucradas en una reacción. Es muy importante conocer la ley de la tarifa, incluyendo orden de tasa constante y reacción, lo que sólo puede ser determinado experimentalmente. En este experimento, exploraremos un método para la determinación de la ley de tasa y utilizarlo para comprender el progreso de una reacción química.
1. preparación de H2O2 diluciones
Tabla 1. H2O2 soluciones que se utilizan.
2. preparar el recipiente de la reacción
3. medir la evolución de oxígeno
4. Análisis de datos
. Tomando el logaritmo natural (ln) de la ecuación produce una ecuación lineal 
, donde m, la pendiente, es el orden de la reacción.Todas las reacciones químicas tienen una velocidad específica, que define cómo convierten los reactivos en productos.
Las reacciones químicas son gobernadas por dos factores: la cinética y termodinámica. Factores termodinámicos responsables de una reacción se producirá o no, y si absorbe o emite energía durante el proceso.
Cinética se refiere a la velocidad de una reacción química, y a qué velocidad el sistema alcanza el equilibrio. La cinética de una reacción es descrita por la ley de tipo cinético, que define la tasa basada en una constante de velocidad de reacción, la concentración de los componentes y el orden de la reacción.
Este video presenta cinética de la reacción utilizando la ecuación de la ley de tasa y demostrará cómo determinar la ley de velocidad para una cierta reacción en el laboratorio.
Para una reacción general, la velocidad de reacción es igual a la constante de velocidad de veces las concentraciones de los reactivos, cada uno elevado a un orden de reacción. La velocidad constante, k, se fija de una reacción a una temperatura determinada.
Las órdenes de reacción son independientes de los coeficientes estequiométricos. En cambio son dependientes en el mecanismo de reacción e ilustran cómo el ritmo se relaciona con la concentración de reactivos. Por ejemplo, si se ha modificado la velocidad de reacción cuando la concentración de "A" dobles, entonces la reacción no depende de la concentración y el orden es cero.
Si la tasa se duplica cuando se duplica la concentración de reactivo "A", entonces la reacción es el primer orden con respecto a "a". El mismo comportamiento vale para reactivo "B". El orden total de reacción es la suma de los órdenes de reacción individuales para cada reactivo.
Durante una reacción, la concentración de reactantes cambia con el tiempo. Tenga en cuenta que el básico ecuación no incluyen el tiempo como una variable y sólo se pueden relacionar velocidad y concentración en un punto de tiempo específico. Sin embargo, la tasa de cambios como producto de la reacción y se agotan los reactivos. Aplicando una ley diferencial de velocidad puede relacionar el cambio en la concentración a tiempo.
La ley de velocidad para una reacción se debe determinar experimentalmente, donde una reacción química es controlada cuidadosamente en una constante temperatura y la concentración de los reactantes o productos medición en intervalos de tiempo específicos. Puesto que las mediciones se hacen en puntos de tiempo discreto, la ley diferencial de velocidad es difícil correlacionar los datos experimentales.
Integrar los resultados de la ley de tasa diferencial en una ecuación más simple, llamado la ley de tarifa integrada. La ley de velocidad integrado compara las concentraciones de reactivo en el inicio de la reacción y en un tiempo especificado.
La ecuación de velocidad integrada ley varía según el orden de la reacción. Estas ecuaciones pueden tomar la forma lineal y = mx + b. Por lo tanto, una parcela de tiempo de concentración vs produce una trama lineal de una ecuación de orden cero, una parcela de la logaritmo natural del tiempo de concentración vs produce una trama lineal de una ecuación de primer orden y así sucesivamente. Ajustando los datos experimentales a estas ecuaciones, el orden de una reacción puede determinarse fácilmente. La velocidad constante, k, puede entonces ser determinado mediante la pendiente de la línea. Finalmente, las unidades de k dependen de la orden de la reacción. Cero reacción de la orden, las unidades son moles por litro por segundo, para una reacción de primer orden, las unidades son segundos inversos y para una segunda reacción de orden las unidades litros por mol por segundo.
Ahora que se han explicado los fundamentos de las leyes de la cinética de la velocidad, permite echar un vistazo a cómo determinar experimentalmente la ley de velocidad para la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.
En este experimento, se explora la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno sobre un catalizador de platino.
En primer lugar, prepare 5 diluciones de peróxido de hidrógeno, como se muestra en la tabla. En este caso, rango de concentraciones de 0.882 – 0,176 M, utilizando una solución stock de 0,882 M o 3%. Que las soluciones se equilibren a temperatura ambiente.
A continuación, preparar el recipiente de la reacción utilizando un tubo de ensayo. En primer lugar determinar el volumen llenando un tubo de ensayo grande en la parte superior con agua. Luego, inserte un tapón de goma 1 orificio hasta que quede apretado y agua empuja fuera del agujero por la parte superior.
Quite el tapón y vierta el agua en una probeta graduada para medir el volumen exacto. Este es el volumen de la vasija de reacción.
A continuación, verter 50 mL de la primera solución de peróxido de hidrógeno en el tubo de ensayo y luego coloque el tubo en el baño de agua de 25 ° C. Una vez equilibrado, añadir un disco de platino recubierto reacción y sella el sistema con un tapón conectado a un sensor de presión de gas.
Puesto que uno de los productos es el gas de oxígeno, el aumento de la presión en el sistema se utiliza para medir el aumento de oxígeno. Configurar el sensor de presión para adquirir datos en 2 puntos por s, y luego ejecute que el experimento de burbujas s. 120 debe verse como el peróxido se descompone en agua y oxígeno gas.
Cuando el período de reacción, libere la presión y disponer de la solución de peróxido. Enjuagar el tubo, luego llenar el tubo con la siguiente solución de peróxido de hidrógeno. Repita la medición de presión de gas para todas las soluciones.
Parcela la presión versus tiempo datos para cada solución. La presión de oxígeno desarrollada es directamente proporcional a los moles de oxígeno formado según la ley del gas ideal. Después de la reacción química, los moles de oxígeno formado pueden utilizarse para calcular los moles de peróxido de hidrógeno descompuesto. En primer lugar, asumir que la concentración de peróxido de hidrógeno no cambia significativamente durante la corta duración del experimento. Así, los datos trazados representan solamente la región inicial del experimento de cinética.
Determinar la pendiente de cada conjunto de datos mediante una regresión lineal. La pendiente es igual a la velocidad de reacción inicial en unidades de presión de oxígeno por segundo.
A continuación, parcela el logaritmo natural de la tasa de reacción inicial vs el logaritmo natural de la concentración inicial de peróxido. La pendiente es igual a la orden de la reacción, m y es aproximadamente igual a uno. Por lo tanto, la reacción es de primer orden.
La tasa para cada ensayo es en unidades de presión en Torr, por segundo. Para determinar la constante de velocidad, primero convertir la tasa en unidades de atmósferas por segundo. Porque las burbujas evolucionaron en la solución acuosa, restar la presión de vapor de agua de la presión del sistema para cada ensayo. La nueva tasa de entonces sólo refleja la presión debido a la evolución de oxígeno.
Aplicación de la ley de gas ideal para convertir la tasa de ambientes propiamente a moles por s para cada ensayo. Dos veces los moles de oxígeno producido son iguales a los moles de peróxido de hidrógeno descompuesto, según la estequiometría de la reacción química. A continuación, utilice el volumen de reacción para convertir las unidades de la tasa a la molaridad por segundo.
Determinar las constantes de velocidad para cada ensayo dividiendo la tasa en molaridad por s la concentración inicial. En este experimento, la tasa promedio constante, k, es aproximadamente 1.48 x 10-4 por s. La reacción es de primer orden, conocido desde el registro natural - parcela de logaritmo natural mostrada anteriormente. Por lo tanto, la ley de velocidad puede escribirse como se muestra.
Ahora que has visto cómo determinar la ley de velocidad para una reacción química, Veamos algunas áreas donde se aplica este concepto.
Las reacciones químicas se utilizan en la síntesis de compuestos y materiales utilizados en una amplia gama de aplicaciones científicas. Es importante entender la velocidad de reacción en estos pasos de síntesis, con el fin de controlar el progreso de una reacción.
Por ejemplo, la síntesis de nanocristales de seleniuro de cadmio y nanobarras procede a través de una serie de reacciones químicas. Cada reacción tiene su propia tarifa de la reacción discreta, y por lo tanto paso de síntesis es controlado cuidadosamente basado en la velocidad de conocimiento de la reacción; algunos lentos y algunos muy rápido.
La ley de velocidad de reacción también puede ser utilizada para describir el decaimiento radiactivo y determinar la vida media del material radioactivo. Half-Life se refiere a la cantidad de tiempo requerido para la concentración de un material caiga a la mitad de su concentración inicial.
Radiactividad sigue la cinética de primer orden, lo que significa que el tiempo necesario para que el material radiactivo a la descomposición de una caja fuerte nivel puede ser muy bien caracterizado, lo que permite el adecuado transporte y almacenamiento de residuos radiactivos y material radiactivo.
Similar a materiales radioactivos, drogas también tienen una vida media y se degradan en el cuerpo. Por ejemplo, algunos medicamentos tienen constantes de alta tasa, lo que significa que se degradan rápidamente y se debe con frecuencia. Conocimiento de este tipo de degradación permite determinar el método apropiado de la dosis, el uso y entrega.
Sólo ha visto la introducción de Zeus a velocidades de reacción. Ahora debería entender las órdenes diferentes de reacciones químicas, cómo se relacionan las tasas de reacción química y cómo determinar la ley de velocidad para una reacción química determinada en el laboratorio.
¡Gracias por ver!
Todas las reacciones químicas tienen una velocidad específica, que define la rapidez con la que los reactivos se convierten en productos.
Las reacciones químicas se rigen por dos factores: la cinética y la termodinámica. Los factores termodinámicos explican si se producirá o no una reacción, y si absorbe o emite energía durante el proceso.
La cinética se refiere a la velocidad de una reacción química y la rapidez con la que el sistema alcanza el equilibrio. La cinética de una reacción se describe mediante la ley de velocidad cinética, que define la velocidad en función de una constante de velocidad de reacción, la concentración de componentes y el orden de la reacción.
Este video presentará la cinética de reacción utilizando la ecuación de la ley de velocidad y demostrará cómo determinar la ley de velocidad para una determinada reacción en el laboratorio.
Para una reacción general, la velocidad de reacción es igual a la velocidad constante multiplicada por las concentraciones de los reactivos, cada uno elevado a un orden de reacción. La constante de velocidad, k, es fija para una reacción a una temperatura dada.
Los órdenes de reacción son independientes de los coeficientes estequiométricos. En cambio, dependen del mecanismo de reacción e ilustran cómo se relaciona la velocidad con la concentración de reactivos. Por ejemplo, si la velocidad de reacción no cambia cuando la concentración de "A" se duplica, entonces la reacción no depende de la concentración y el orden es cero.
Si la velocidad se duplica cuando la concentración de reactivo "A" se duplica, entonces la reacción es de primer orden con respecto a "A". El mismo comportamiento se aplica al reactivo "B". El orden general de una reacción es la suma de los órdenes de reacción individuales para cada reactivo.
Durante una reacción, la concentración de reactivos cambia con el tiempo. Tenga en cuenta que la ecuación básica de la tasa no incluye el tiempo como una variable, y solo puede relacionar la tasa y la concentración en un punto de tiempo específico. Sin embargo, la velocidad cambia a medida que avanza la reacción y a medida que se agotan los reactivos. El uso de una ley de tasa diferencial puede relacionar el cambio en la concentración con el tiempo.
La ley de velocidad para una reacción debe determinarse experimentalmente, donde una reacción química se controla cuidadosamente a una temperatura constante y la concentración de los reactivos o productos se mide a intervalos de tiempo específicos. Dado que las mediciones de concentración se realizan en puntos de tiempo discretos, la ley de velocidad diferencial es difícil de correlacionar con los datos experimentales.
La integración de la ley de tasa diferencial da como resultado una ecuación más simple, llamada ley de tasa integrada. La ley de velocidad integrada compara las concentraciones de reactivo al comienzo de la reacción y en un momento específico.
La ecuación de la ley de velocidad integrada varía según el orden de la reacción. Estas ecuaciones pueden tomar la forma lineal y=mx+b. Así, una gráfica de concentración frente al tiempo produce una gráfica lineal para una ecuación de orden cero, una gráfica del logaritmo natural de la concentración frente al tiempo produce una gráfica lineal para una ecuación de primer orden, y así sucesivamente. Al ajustar los datos experimentales a estas ecuaciones, se puede determinar fácilmente el orden de una reacción. La constante de velocidad, k, se puede determinar utilizando la pendiente de la línea. Por último, las unidades de k varían según el orden de la reacción. Para una reacción de orden cero, las unidades son moles por litro por segundo, para una reacción de primer orden, las unidades son segundos inversos y para una reacción de segundo orden las unidades son litros por mol por segundo.
Ahora que se han explicado los conceptos básicos de las leyes de velocidad cinética, echemos un vistazo a cómo determinar experimentalmente la ley de velocidad para la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.
En este experimento, se explora la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno sobre un catalizador de platino.
Primero, prepare 5 diluciones de peróxido de hidrógeno, como se muestra en la tabla. En este caso, las concentraciones oscilan entre 0,882 ? 0,176 M, utilizando una solución madre al 3% o 0,882 M. Deje que las soluciones se equilibren a temperatura ambiente.
A continuación, prepare el recipiente de reacción con un tubo de ensayo. Primero determine el volumen llenando un tubo de ensayo grande hasta la parte superior con agua. Luego, inserte un tapón de goma de 1 orificio hasta que esté apretado y el agua salga del orificio por la parte superior.
Retire el tapón y vierta el agua en un cilindro graduado para medir el volumen exacto. Este es el volumen del recipiente de reacción.
A continuación, vierta 50 ml de la primera solución de peróxido de hidrógeno en el tubo de ensayo y luego coloque el tubo en el tubo de 25?? C Baño María. Una vez equilibrado, agregue un disco de reacción recubierto de platino y selle el sistema con un tapón conectado a un sensor de presión de gas.
Dado que uno de los productos es el oxígeno gaseoso, el aumento de presión en el sistema se utiliza para medir el aumento de oxígeno. Configure el sensor de presión para que adquiera datos a 2 puntos por s y, a continuación, ejecute el experimento durante 120 s. Las burbujas deben ser visibles a medida que el peróxido se descompone en oxígeno, gas y agua.
Cuando termine el período de reacción, libere la presión y deseche la solución de peróxido. Enjuague el tubo, luego llénelo con la siguiente solución de peróxido de hidrógeno. Repita la medición de la presión del gas para todas las soluciones.
Trace los datos de presión en función del tiempo para cada solución. La presión del oxígeno evolucionado es directamente proporcional a los moles de oxígeno formados de acuerdo con la ley de los gases ideales. Después de la reacción química, los moles de oxígeno formados se pueden usar para calcular los moles de peróxido de hidrógeno descompuesto. En primer lugar, supongamos que la concentración de peróxido de hidrógeno no cambió significativamente durante la corta duración del experimento. Por lo tanto, los datos trazados representan solo la región inicial del experimento cinético.
Determine la pendiente de cada conjunto de datos mediante una regresión lineal. La pendiente es igual a la velocidad de reacción inicial en unidades de presión de oxígeno por segundo.
A continuación, gráfico del logaritmo natural de la velocidad de reacción inicial frente al logaritmo natural de la concentración inicial de peróxido. La pendiente es igual al orden de reacción, m, y es aproximadamente igual a uno. Por lo tanto, la reacción es de primer orden.
La tasa de cada ensayo se expresa en unidades de presión en Torr, por segundo. Para determinar la constante de velocidad, primero convierta la tasa a unidades de atmósferas por segundo. Debido a que las burbujas evolucionaron en la solución acuosa, reste la presión de vapor del agua de la presión del sistema para cada prueba. La nueva tasa solo refleja la presión debida a la evolución del oxígeno.
Aplique la ley de los gases ideales para convertir la tasa de atmósferas per se a moles por s" para cada ensayo. Dos veces los moles de oxígeno producidos son iguales a los moles de peróxido de hidrógeno descompuestos, según la estequiometría de la reacción química. Luego, use el volumen de reacción para convertir las unidades de la tasa a molaridad por segundo.
Determine las constantes de velocidad para cada ensayo dividiendo la tasa en molaridad por s?, por la concentración inicial. En este experimento, la constante de tasa promedio, k, es aproximadamente 1,48 x 10-4 por segundo. La reacción es de primer orden, conocida a partir del gráfico de registro natural -?natural log mostrado anteriormente. Por lo tanto, la ley de tasas se puede escribir como se muestra.
Ahora que has visto cómo determinar la ley de velocidad para una reacción química, veamos algunas áreas en las que se aplica este concepto.
Las reacciones químicas se utilizan en la síntesis de compuestos y materiales utilizados en una amplia gama de aplicaciones científicas. Es importante comprender la velocidad de reacción en estos pasos de síntesis, para controlar el progreso de una reacción.
Por ejemplo, la síntesis de nanocristales y nanovarillas de seleniuro de cadmio se lleva a cabo a través de una serie de reacciones químicas. Cada reacción tiene su propia velocidad de reacción discreta y, por lo tanto, el paso de síntesis se controla cuidadosamente en función de la velocidad de conocimiento de la reacción; algunos lentos y otros muy rápidos.
La ley de la velocidad de reacción también se puede utilizar para describir la desintegración radiactiva y determinar la vida media del material radiactivo. La vida media se refiere a la cantidad de tiempo requerido para que la concentración de un material caiga a la mitad de su concentración inicial.
La radiactividad sigue una cinética de primer orden, lo que significa que el tiempo necesario para que el material radiactivo se desintegre a un nivel seguro puede caracterizarse muy bien, lo que permite el transporte y el almacenamiento adecuados de material radiactivo y residuos radiactivos.
Al igual que los materiales radiactivos, los medicamentos también tienen una vida media y se degradan en el cuerpo. Por ejemplo, algunos medicamentos tienen constantes de velocidad altas, lo que significa que se degradan rápidamente y deben tomarse con frecuencia. El conocimiento de esta tasa de degradación permite determinar la dosis, el uso y el método de administración adecuados.
Acabas de ver la introducción de JoVE a las tasas de reacción. Ahora debe comprender los diferentes órdenes de reacciones químicas, cómo se relacionan con las velocidades de reacción química y cómo determinar la ley de velocidad para una reacción química dada en el laboratorio.
¡Gracias por mirar!
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