קביעת חוקי התעריפים וסדר התגובה
1. הכנתח' 2ו2 דילולים
- מלאי 3% מי חמצן יש ריכוז של 0.882 M. להכין 5 דילולים הנעים בין 0.882 M ל 0.176 M (טבלה 1). הכן פתרונות אלה באופן נפחי, אבל להכין אותם תוסף מאז solute הוא מאוד לדלל וכמויות מים הם תוסף.
- מניחים את הפתרונות באמבט מים בטמפרטורה קבועה או משאירים אותם על הספסל כדי להתפרק בטמפרטורת החדר. טווח טמפרטורות של 20°C (293-298 K) טוב לתגובה זו.
טבלה 1. נעשה שימוש בפתרונות H2O2.
2. הכנת כלי התגובה
- כדי לקבוע את נפח כלי התגובה, מלא מבחנה גדולה למעלה במים והכנס פקק גומי של חור אחד לתוך המבחנה עד הדוק ומים דוחפים את הצדדים ודרך החלק העליון.
- הסר את פקק ויוצקים את המים לתוך גליל מדורג כדי לקבוע את הנפח המדויק של המים. זהו הנפח הכולל של כלי התגובה (מבחנה).
3. מדידת התפתחות החמצן
- החלף את המים עם 50 מ"ל של פתרון מי חמצן הראשון ולהחזיר אותו לתוך אמבט המים. לאחר שיווי משקל, הוסיפו את דיסק התגובה מצופה הפלטינה וחתמו את המערכת עם פקק המחובר לחיישן לחץ גז. דיסקים אלה משמשים בדרך כלל במערכות ניקוי עדשות מגע.
- לאחר חיישן הלחץ מוגדר כדי להשיג נתונים ב 2 נקודות / s, להפעיל את הניסוי עבור 120 s. חיישן לחץ הגז ורנייה, GPS-BTA, מומלץ לניסוי זה.
- בועות יש לראות כמו מי חמצן הוא נרקב גז חמצן ומים. שחררו את הלחץ, נפטרו מהתמיסה, שטפו והחליפו את הפתרון בתמיסת מי חמצן הבאה. חזור על מדידת לחץ הגז עד לבדיקת כל הפתרונות.
4. ניתוח נתונים
- העבר את כל קבצי הנתונים של לחץ לעומת זמן לתוכנית גיליון אלקטרוני.
- קביעת שיעורים ראשוניים - להניח כי הריכוז של מי חמצן לא השתנה הרבה במהלך מסגרת הזמן הקצרה של הניסוי. הנתונים מייצגים את האזור הליניארי הראשוני של ניסוי הקינטיקה.
- קבע שיפוע על-ידי התוויית לחץ לעומת זמן ושימוש בנוסחת שיפוע או רגרסיה ליניארית. שרטט את הלחץ בכל יחידה משותפת.
- השיפוע הוא הקצב ההתחלתי ביחידות לחץO2/s.
- קביעת סדר תגובה
- מכיוון שלחץ של O2 מפותח הוא פרופורציונלי ישירות לשומות של H 2 O2מפורק, התוויית ה- ln (שיעור התחלתי)לעומת ln[H2O2]0 מניבה שיפוע שווה ערך לסדר התגובה. הריכוז הראשוני של מי חמצן, [H2O2]0, הוא מה שהיה בשימוש בכל אחד הניסויים.
- המשוואה לחוק התעריפים היא
. לקיחת הלוגריתם הטבעי (ln) של המשוואה מייצרת משוואה ליניארית 
, כאשר m, השיפוע, הוא סדר התגובה.
- המשוואה לחוק התעריפים היא
- מכיוון שלחץ של O2 מפותח הוא פרופורציונלי ישירות לשומות של H 2 O2מפורק, התוויית ה- ln (שיעור התחלתי)לעומת ln[H2O2]0 מניבה שיפוע שווה ערך לסדר התגובה. הריכוז הראשוני של מי חמצן, [H2O2]0, הוא מה שהיה בשימוש בכל אחד הניסויים.
- קביעת קבוע הקצב, k
- עבור כל גירסת ניסיון, המר את התעריף, PO2/s, ליחידות של atm/s אם התעריף נמצא ביחידה אחרת כגון טור/s.
- מכיוון שבועות התפתחו בתמיסה מימית, הפחיתו את לחץ האדים של המים מלחץ המערכת לכל ניסוי. השיעור החדש משקף רק את הלחץ עקב התפתחות החמצן.
- החל את חוק הגז האידיאלי כדי להמיר את התעריף מ- atm/s לשומות/s בכל ניסוי.
- סידור מחדש של PV = nRT ל- n = PV/RT. יחידתה-אס-1 נותרה ללא שינוי. הנפח שווה לנפח המבחנה פחות נפח הפתרון (50 מ"ל).
- השתמש בתגובה הכימית המאוזנת כדי להמיר מפני מולים של חמצן המיוצר מולים של מי חמצן נרקבים בכל ניסוי.
- חלקו את השומות של H2O2 בנפח התמיסה, 0.050 ליטר, כדי להניב את הטוחנת של H2O2 מפורקת לשניה, [H2O2]/s.
- מכיוון שניסוי זה עוקב אחר קינטיקה מסדר ראשון, חלק את הקצב, [H2O2]/s, לפי ריכוז הפתרון המקורי עבור כל ניסוי, [H2O2]0, כדי להניב קבוע קצב, k. פתרון זה עבור קבוע הקצב ישתנה מעט בהתאם לסדר התגובה שנקבעה בעבר.
- ממוצע קבועי הקצב עבור כל ניסוי יחד מאז הטמפרטורה היא קבועה.
מקור: המעבדה של ד"ר ניל אברמס — מכללת SUNY למדעי הסביבה ויערנות
לכל התגובות הכימיות יש שיעור מסוים המגדיר את ההתקדמות של מגיבים הולכים למוצרים. שיעור זה יכול להיות מושפע טמפרטורה, ריכוז, ואת המאפיינים הפיזיים של המגיבים. התעריף כולל גם את המתווכים ואת מצבי המעבר שנוצרים אך אינם המגיבים ולא המוצר. חוק התעריפים מגדיר את תפקידו של כל מגיב בתגובה וניתן להשתמש בו כדי לעצב מתמטית את הזמן הנדרש לתגובה כדי להמשיך. הצורה הכללית של משוואת קצב מוצגת להלן:
כאשר A ו- B הם ריכוזים של מינים מולקולריים שונים, m ו- n הם סדרי תגובה, ו- k הוא קבוע הקצב. הקצב של כמעט כל תגובה משתנה עם הזמן כאשר המגיבים מתרוקנים, מה שהופך התנגשויות יעילות פחות סביר להתרחש. קבוע הקצב, לעומת זאת, קבוע לכל תגובה בודדת בטמפרטורה נתונה. סדר התגובה ממחיש את מספר המינים המולקולריים המעורבים בתגובה. חשוב מאוד לדעת את חוק התעריפים, כולל קצב קבוע וסדר תגובה, אשר ניתן לקבוע רק באופן ניסיוני. בניסוי זה, נחקור שיטה אחת לקביעת חוק התעריפים ונשתמש בו כדי להבין את התקדמות התגובה הכימית.
1. הכנתח' 2ו2 דילולים
- מלאי 3% מי חמצן יש ריכוז של 0.882 M. להכין 5 דילולים הנעים בין 0.882 M ל 0.176 M (טבלה 1). הכן פתרונות אלה באופן נפחי, אבל להכין אותם תוסף מאז solute הוא מאוד לדלל וכמויות מים הם תוסף.
- מניחים את הפתרונות באמבט מים בטמפרטורה קבועה או משאירים אותם על הספסל כדי להתפרק בטמפרטורת החדר. טווח טמפרטורות של 20°C (293-298 K) טוב לתגובה זו.
טבלה 1. נעשה שימוש בפתרונות H2O2.
2. הכנת כלי התגובה
- כדי לקבוע את נפח כלי התגובה, מלא מבחנה גדולה למעלה במים והכנס פקק גומי של חור אחד לתוך המבחנה עד הדוק ומים דוחפים את הצדדים ודרך החלק העליון.
- הסר את פקק ויוצקים את המים לתוך גליל מדורג כדי לקבוע את הנפח המדויק של המים. זהו הנפח הכולל של כלי התגובה (מבחנה).
3. מדידת התפתחות החמצן
- החלף את המים עם 50 מ"ל של פתרון מי חמצן הראשון ולהחזיר אותו לתוך אמבט המים. לאחר שיווי משקל, הוסיפו את דיסק התגובה מצופה הפלטינה וחתמו את המערכת עם פקק המחובר לחיישן לחץ גז. דיסקים אלה משמשים בדרך כלל במערכות ניקוי עדשות מגע.
- לאחר חיישן הלחץ מוגדר כדי להשיג נתונים ב 2 נקודות / s, להפעיל את הניסוי עבור 120 s. חיישן לחץ הגז ורנייה, GPS-BTA, מומלץ לניסוי זה.
- בועות יש לראות כמו מי חמצן הוא נרקב גז חמצן ומים. שחררו את הלחץ, נפטרו מהתמיסה, שטפו והחליפו את הפתרון בתמיסת מי חמצן הבאה. חזור על מדידת לחץ הגז עד לבדיקת כל הפתרונות.
4. ניתוח נתונים
- העבר את כל קבצי הנתונים של לחץ לעומת זמן לתוכנית גיליון אלקטרוני.
- קביעת שיעורים ראשוניים - להניח כי הריכוז של מי חמצן לא השתנה הרבה במהלך מסגרת הזמן הקצרה של הניסוי. הנתונים מייצגים את האזור הליניארי הראשוני של ניסוי הקינטיקה.
- קבע שיפוע על-ידי התוויית לחץ לעומת זמן ושימוש בנוסחת שיפוע או רגרסיה ליניארית. שרטט את הלחץ בכל יחידה משותפת.
- השיפוע הוא הקצב ההתחלתי ביחידות לחץO2/s.
- קביעת סדר תגובה
- מכיוון שלחץ של O2 מפותח הוא פרופורציונלי ישירות לשומות של H 2 O2מפורק, התוויית ה- ln (שיעור התחלתי)לעומת ln[H2O2]0 מניבה שיפוע שווה ערך לסדר התגובה. הריכוז הראשוני של מי חמצן, [H2O2]0, הוא מה שהיה בשימוש בכל אחד הניסויים.
- המשוואה לחוק התעריפים היא . לקיחת הלוגריתם הטבעי (ln) של המשוואה מייצרת משוואה ליניארית , כאשר m, השיפוע, הוא סדר התגובה.
- המשוואה לחוק התעריפים היא
- מכיוון שלחץ של O2 מפותח הוא פרופורציונלי ישירות לשומות של H 2 O2מפורק, התוויית ה- ln (שיעור התחלתי)לעומת ln[H2O2]0 מניבה שיפוע שווה ערך לסדר התגובה. הריכוז הראשוני של מי חמצן, [H2O2]0, הוא מה שהיה בשימוש בכל אחד הניסויים.
- קביעת קבוע הקצב, k
- עבור כל גירסת ניסיון, המר את התעריף, PO2/s, ליחידות של atm/s אם התעריף נמצא ביחידה אחרת כגון טור/s.
- מכיוון שבועות התפתחו בתמיסה מימית, הפחיתו את לחץ האדים של המים מלחץ המערכת לכל ניסוי. השיעור החדש משקף רק את הלחץ עקב התפתחות החמצן.
- החל את חוק הגז האידיאלי כדי להמיר את התעריף מ- atm/s לשומות/s בכל ניסוי.
- סידור מחדש של PV = nRT ל- n = PV/RT. יחידתה-אס-1 נותרה ללא שינוי. הנפח שווה לנפח המבחנה פחות נפח הפתרון (50 מ"ל).
- השתמש בתגובה הכימית המאוזנת כדי להמיר מפני מולים של חמצן המיוצר מולים של מי חמצן נרקבים בכל ניסוי.
- חלקו את השומות של H2O2 בנפח התמיסה, 0.050 ליטר, כדי להניב את הטוחנת של H2O2 מפורקת לשניה, [H2O2]/s.
- מכיוון שניסוי זה עוקב אחר קינטיקה מסדר ראשון, חלק את הקצב, [H2O2]/s, לפי ריכוז הפתרון המקורי עבור כל ניסוי, [H2O2]0, כדי להניב קבוע קצב, k. פתרון זה עבור קבוע הקצב ישתנה מעט בהתאם לסדר התגובה שנקבעה בעבר.
- ממוצע קבועי הקצב עבור כל ניסוי יחד מאז הטמפרטורה היא קבועה.
לכל התגובות הכימיות יש קצב ספציפי, המגדיר כמה מהר המגיבים הופכים לתוצרים.
תגובות כימיות נשלטות על ידי שני גורמים: קינטיקה ותרמודינמיקה. גורמים תרמודינמיים מסבירים אם תתרחש תגובה או לא, ואם היא סופגת או פולטת אנרגיה במהלך התהליך.
קינטיקה מתייחסת לקצב התגובה הכימית, וכמה מהר המערכת מגיעה לשיווי משקל. הקינטיקה של תגובה מתוארת על ידי חוק הקצב הקינטי, המגדיר את הקצב על סמך קבוע קצב תגובה, ריכוז הרכיבים וסדר התגובה.
סרטון זה יציג קינטיקה של תגובה באמצעות משוואת חוק הקצב, וידגים כיצד לקבוע את חוק הקצב לתגובה מסוימת במעבדה.
עבור תגובה כללית, קצב התגובה שווה לקבוע הקצב כפול ריכוזי המגיבים, שכל אחד מהם מועלה לסדר תגובה. קבוע הקצב, k, קבוע לתגובה בטמפרטורה נתונה.
סדרי התגובה אינם תלויים במקדמים הסטויכיומטריים. במקום זאת הם תלויים במנגנון התגובה, וממחישים כיצד הקצב קשור לריכוז המגיבים. לדוגמא, אם קצב התגובה אינו משתנה כאשר הריכוז של "A" מכפיל את עצמו, אז התגובה אינה תלויה בריכוז, והסדר הוא אפס.
אם הקצב מכפיל את עצמו כאשר ריכוז המגיב "A" מוכפל, אז התגובה היא מסדר ראשון ביחס ל-"A". אותה התנהגות נכונה גם לגבי מגיב "B". הסדר הכולל של תגובה הוא סכום סדרי התגובה הבודדים עבור כל מגיב.
במהלך תגובה, ריכוז המגיבים משתנה עם הזמן. שימו לב שמשוואת הקצב הבסיסית אינה כוללת זמן כמשתנה, ויכולה לקשר רק קצב וריכוז בנקודת זמן מסוימת. עם זאת, הקצב משתנה ככל שהתגובה מתקדמת וככל שהמגיבים מתרוקנים. שימוש בחוק שער דיפרנציאלי יכול לקשר את השינוי בריכוז לזמן.
יש לקבוע את חוק הקצב לתגובה באופן ניסיוני, כאשר תגובה כימית נשלטת בקפידה בטמפרטורה קבועה, וריכוז המגיבים או התוצרים נמדד במרווחי זמן ספציפיים. מכיוון שמדידות ריכוז נעשות בנקודות זמן בדידות, קשה לתאם את חוק הקצב הדיפרנציאלי לנתונים ניסיוניים.
שילוב חוק הקצב הדיפרנציאלי מביא למשוואה פשוטה יותר, הנקראת חוק הקצב המשולב. חוק הקצב המשולב משווה את ריכוזי המגיבים בתחילת התגובה ובזמן מוגדר.
משוואת חוק הקצב המשולב משתנה בהתאם לסדר התגובה. משוואות אלה יכולות ללבוש את הצורה הליניארית y=mx+b. לפיכך, תרשים של ריכוז לעומת זמן מניב תרשים ליניארי למשוואה מסדר אפס, תרשים של הלוג הטבעי של ריכוז לעומת זמן מניב תרשים ליניארי למשוואה מסדר ראשון, וכן הלאה. על ידי התאמת נתוני ניסוי למשוואות אלה, ניתן לקבוע בקלות את סדר התגובה. לאחר מכן ניתן לקבוע את קבוע הקצב, k, באמצעות שיפוע הקו. לבסוף, היחידות של k משתנות בהתאם לסדר התגובה. עבור תגובה מסדר אפס, היחידות הן שומות לליטר לשנייה, עבור תגובה מסדר ראשון, היחידות הן שניות הפוכות ועבור תגובה מסדר שני היחידות הן ליטר לשומה לשנייה.
כעת, לאחר שהוסברו היסודות של חוקי הקצב הקינטי, בואו נסתכל כיצד לקבוע באופן ניסיוני את חוק הקצב לפירוק מי חמצן למים וחמצן.
בניסוי זה נחקר הפירוק הקטליטי של מי חמצן על פני זרז פלטינה.
ראשית, הכינו 5 דילולים של מי חמצן, כפי שמוצג בטבלה. במקרה זה, הריכוזים נעים בין 0.882 ? 0.176 מ', באמצעות פתרון מניות של 3% או 0.882 מ'. אפשר לפתרונות להתאזן לטמפרטורת החדר.
לאחר מכן, הכינו את כלי התגובה באמצעות מבחנה. ראשית קבע את הנפח על ידי מילוי מבחנה גדולה למעלה במים. לאחר מכן, הכנס פקק גומי בעל חור אחד עד שהוא הדוק ומים נדחפים החוצה מהחור דרך החלק העליון.
הסר את הפקק ושפך את המים לגליל מדורג כדי למדוד את הנפח המדויק. זהו נפח כלי התגובה.
לאחר מכן, שפכו 50 מ"ל מתמיסת מי החמצן הראשונה לתוך המבחנה, ולאחר מכן הניחו את הצינור ב-25?? אמבט מים C. לאחר שיווי המשקל, הוסף דיסק תגובה מצופה פלטינה, ואטום את המערכת עם פקק המחובר לחיישן לחץ גז.
מכיוון שאחד המוצרים הוא גז חמצן, עליית הלחץ במערכת משמשת למדידת העלייה בחמצן. הגדר את חיישן הלחץ כך שירכוש נתונים ב-2 נקודות לשנייה, ולאחר מכן הפעל את הניסוי למשך 120 שניות. בועות צריכות להיות גלויות כאשר החמצן מתפרק לגז חמצן ומים.
לאחר סיום תקופת התגובה, שחרר את הלחץ והשליך את תמיסת החמצן. שטפו את הצינור ואז מלאו את הצינור בתמיסת מי החמצן הבאה. חזור על מדידת לחץ הגז עבור כל הפתרונות.
התווה את נתוני הלחץ לעומת הזמן עבור כל פתרון. לחץ החמצן המפותח עומד ביחס ישר לשומות החמצן שנוצרו על פי חוק הגז האידיאלי. בעקבות התגובה הכימית, ניתן להשתמש בשומות החמצן שנוצרו כדי לחשב את השומות של מי חמצן מפורק. ראשית, נניח שריכוז מי החמצן לא השתנה באופן משמעותי במהלך הניסוי הקצר. לפיכך, הנתונים המשורטטים מייצגים רק את האזור הראשוני של ניסוי הקינטיקה.
קבע את השיפוע של כל ערכת נתונים באמצעות רגרסיה ליניארית. השיפוע שווה לקצב התגובה הראשוני ביחידות לחץ של חמצן לשנייה.
לאחר מכן, תרשים של הלוג הטבעי של קצב התגובה הראשוני לעומת הלוג הטבעי של ריכוז החמצן הראשוני. השיפוע שווה לסדר התגובה, m, והוא שווה בערך לאחד. לכן, התגובה היא מסדר ראשון.
הקצב לכל ניסוי הוא ביחידות לחץ ב-Torr, לשנייה. כדי לקבוע את קבוע הקצב, המירו תחילה את הקצב ליחידות אטמוספרות לשנייה. מכיוון שהבועות התפתחו בתמיסה המימית, הפחיתו את לחץ האדים של המים מלחץ המערכת עבור כל ניסוי. הקצב החדש משקף רק את הלחץ עקב התפתחות החמצן.
החל את חוק הגז האידיאלי כדי להמיר את הקצב מאטמוספרות כשלעצמן לשומות לשנייה עבור כל ניסוי. פי שניים שומות החמצן המיוצרות שוות לשומות של מי חמצן שהתפרקו, על פי הסטוכיומטריה של התגובה הכימית. לאחר מכן, השתמש בנפח התגובה כדי להמיר את יחידות הקצב למולריות לשנייה.
קבע את קבועי הקצב עבור כל ניסוי על ידי חלוקת הקצב במולריות לשנייה בריכוז ההתחלתי. בניסוי זה, קבוע הקצב הממוצע, k, הוא בערך 1.48 x 10-4?per?s. התגובה היא מסדר ראשון, הידועה מתרשים הלוג הטבעי -?הלוג הטבעי שהוצג קודם לכן. לכן, ניתן לכתוב את חוק התעריפים כפי שמוצג.
כעת, לאחר שבדקתם כיצד לקבוע את חוק הקצב לתגובה כימית, בואו נסתכל על כמה תחומים שבהם מושג זה מיושם.
תגובות כימיות משמשות בסינתזה של תרכובות וחומרים המשמשים במגוון רחב של יישומים מדעיים. חשוב להבין את קצב התגובה בשלבי הסינתזה הללו, על מנת לשלוט בהתקדמות התגובה.
לדוגמה, הסינתזה של ננו-גבישים וננו-רודים של קדמיום סלניד מתקדמת דרך סדרה של תגובות כימיות. לכל תגובה יש קצב תגובה בדיד משלה, ולכן שלב הסינתזה נשלט בקפידה על סמך מהירות הידע של התגובה; חלקם איטיים וחלקם מהירים מאוד.
ניתן להשתמש בחוק קצב התגובה גם כדי לתאר דעיכה רדיואקטיבית, ולקבוע את זמן מחצית החיים של חומר רדיואקטיבי. זמן מחצית חיים מתייחס למשך הזמן הדרוש לריכוז החומר לרדת למחצית מריכוזו הראשוני.
רדיואקטיביות עוקבת אחר קינטיקה מסדר ראשון, כלומר ניתן לאפיין היטב את הזמן הדרוש לחומר רדיואקטיבי לדעיכה לרמה בטוחה, מה שמאפשר הובלה ואחסון נאותים של חומר רדיואקטיבי ופסולת רדיואקטיבית.
בדומה לחומרים רדיואקטיביים, גם לתרופות יש זמן מחצית חיים והן מתפרקות בגוף. לדוגמה, לתרופות מסוימות יש קבועי קצב גבוהים, כלומר הן מתפרקות במהירות, ויש ליטול אותן לעתים קרובות. ידע על קצב השפלה זה מאפשר לקבוע את המינון, השימוש ושיטת האספקה המתאימים.
זה עתה צפיתם בהקדמה של JoVE לשיעורי התגובה. כעת עליכם להבין את הסדרים השונים של תגובות כימיות, כיצד הם קשורים לשיעורי התגובה הכימית, וכיצד לקבוע את חוק הקצב עבור תגובה כימית נתונה במעבדה.
תודה שצפית!
נתוני התפתחות חמצן ושיעורים התחלתיים
איור 1. לחץ לעומת נתוני זמן עבור כל ניסוי בטמפרטורה קבועה. השיפוע שווה לקצב המיידי של התגובה.
סדר תגובה
- נתונים עבור חמישה ניסויים וגרף עם שיפוע מפורטים להלן (טבלה 2, איור 2). השיפוע של 0.9353 ≈ 1, הוא ערך שלם של סדר התגובה.<...
בעוד שקביעת משתני חוק שיעור יכולה להיות מעורבת מתמטית, השיטות הן למעשה די פשוטות. כל עוד ניתן למדוד את היעלמותו של מגיב או מראה של מוצר, ניתן להשתמש בחלקות שיעור כדי לחשב את קבוע הקצב. הרחבה של שיטה זו משמשת לעתים קרובות כדי לקבוע את אנרגיית ההפעלה של תגובה, Ea, על ידי מדידת הקצב וחישוב קבוע הקצב במגוון טמפרטורות. שיטה זו כוללת שימוש במשוואת ארניוס, k = Ae(-Ea/RT). שילוב חוק הקצב, כולל סדר תגובה, עם אנרגיית ההפעלה של תגובה מספק פרופיל קינטי מלא למהירות (או איטית) תגובה מתקדמת ומספק מידע מהע...
Chapters in this video
0:00
Overview
1:00
Principles of the Kinetic Rate Law
4:18
Measuring Oxygen Evolution
6:18
Data Analysis
8:42
Applications
10:25
Summary
Videos from this collection: