금리법 및 대응 순서 결정

모든 화학 반응에는 반응물이 생성물로 변하는 속도를 정의하는 특정 속도가 있습니다.

화학 반응은 역학과 열역학의 두 가지 요인에 의해 제어됩니다. 열역학적 요인은 반응이 발생할지 여부와 공정 중에 에너지를 흡수하거나 방출하는지 여부를 고려합니다.

동역학(Kinetics)은 화학 반응의 속도와 시스템이 평형에 도달하는 속도를 나타냅니다. 반응의 역학은 반응 속도 법칙에 의해 설명되며, 이는 반응 속도 상수, 성분의 농도 및 반응 순서에 기초하여 속도를 정의합니다.

이 비디오는 속도 법칙 방정식을 사용하여 반응 역학을 소개하고 실험실에서 특정 반응에 대한 속도 법칙을 결정하는 방법을 보여줍니다.

일반적인 반응의 경우, 반응 속도는 반응물의 농도를 곱한 속도와 같으며, 각각은 반응 순서로 증가합니다. 속도 상수 k는 주어진 온도에서 반응에 대해 고정됩니다.

반응 차수는 화학량론적 계수와 무관합니다. 대신, 그들은 반응 메커니즘에 의존하며, 속도가 반응물의 농도와 어떻게 관련되어 있는지 보여줍니다. 예를 들어, "A"의 농도가 두 배가 될 때 반응 속도가 변하지 않으면 반응은 농도에 의존하지 않으며 순서는 0입니다.

반응물 "A"의 농도가 두 배가 될 때 속도가 두 배가 되면 반응은 "A"에 대해 1차입니다. 반응물 "B"에 대해서도 동일한 동작이 적용됩니다. 반응의 전체 순서는 각 반응물에 대한 개별 반응 순서의 합입니다.

반응 중 반응물의 농도는 시간에 따라 변합니다. 기본 속도 방정식은 시간을 변수로 포함하지 않으며 특정 시점의 속도와 집중만 관련시킬 수 있습니다. 그러나 반응이 진행되고 반응물이 고갈됨에 따라 속도가 변합니다. 차등 비율 법칙을 사용하면 농도의 변화를 시간과 관련시킬 수 있습니다.

반응에 대한 속도 법칙은 화학 반응이 일정한 온도에서 신중하게 제어되고 특정 시간 간격으로 측정된 반응물 또는 생성물의 농도가 측정되는 실험적으로 결정되어야 합니다. 농도 측정은 개별 시점에서 이루어지기 때문에 차등 속도 법칙은 실험 데이터와 상관 관계를 갖기가 어렵습니다.

차등 비율 법칙을 통합하면 통합 비율 법칙이라고 하는 더 간단한 방정식이 생성됩니다. 통합 속도 법칙은 반응 시작 시점과 지정된 시간에 반응물 농도를 비교합니다.

적분 속도 법칙 방정식은 반응의 순서에 따라 달라집니다. 이러한 방정식은 y=mx+b의 선형 형식을 사용할 수 있습니다. 따라서 농도 대 시간의 플롯은 0차 방정식에 대한 선형 플롯을 생성하고, 농도 대 시간의 자연 로그 플롯은 1차 방정식에 대한 선형 플롯을 생성하는 식입니다. 이러한 방정식에 실험 데이터를 피팅하면 반응 순서를 쉽게 결정할 수 있습니다. 그런 다음 속도 상수 k는 선의 기울기를 사용하여 결정할 수 있습니다. 마지막으로, k의 단위는 반응의 순서에 따라 다릅니다. 0차 반응의 경우 단위는 초당 리터당 몰이고, 1차 반응의 경우 단위는 역초이며, 2차 반응의 경우 단위는 초당 몰당 리터입니다.

지금까지 운동율 법칙의 기초에 대해 설명했으므로, 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 속도 법칙을 실험적으로 결정하는 방법을 살펴 보겠습니다.

이 실험에서는 백금 촉매를 통한 과산화수소의 촉매 분해를 탐구합니다.

먼저 표와 같이 과산화수소 희석액 5개를 준비합니다. 이 경우 농도 범위는 0.882 ? 0.176M, 3% 또는 0.882M 원액 사용. 용액이 실온과 평형을 이루도록 합니다.

다음으로, 시험관을 이용하여 반응 용기를 준비한다. 먼저 큰 시험관에 물을 끝까지 채워 부피를 측정합니다. 그런 다음 1홀 고무 마개를 단단히 조이고 상단을 통해 구멍에서 물이 밀려 나올 때까지 삽입합니다.

마개를 제거하고 눈금이 매겨진 실린더에 물을 부어 정확한 부피를 측정합니다. 이것은 반응 용기의 부피입니다.

다음으로 첫 번째 과산화수소 용액 50mL를 시험관에 붓고 튜브를 25?? C 수조. 평형이 이루어지면 백금 코팅된 반응 디스크를 추가하고 가스 압력 센서에 연결된 스토퍼로 시스템을 밀봉합니다.

제품 중 하나가 산소 가스이기 때문에 시스템의 압력 증가는 산소 증가를 측정하는 데 사용됩니다. 초당 2포인트로 데이터를 수집하도록 압력 센서를 설정한 다음 120초 동안 실험을 실행합니다. 과산화물이 산소, 가스 및 물로 분해될 때 기포가 보여야 합니다.

반응 기간이 끝나면 압력을 해제하고 과산화물 용액을 폐기하십시오. 튜브를 헹구고 다음 과산화수소 용액으로 튜브를 채웁니다. 모든 용액에 대해 가스 압력 측정을 반복합니다.

각 해에 대한 압력 대 시간 데이터를 플로팅합니다. 진화된 산소의 압력은 이상 기체 법칙에 따라 형성된 산소의 몰에 정비례합니다. 화학 반응에 따라 형성된 산소의 몰은 분해된 과산화수소의 몰을 계산하는 데 사용할 수 있습니다. 먼저, 짧은 실험 기간 동안 과산화수소의 농도가 크게 변하지 않았다고 가정합니다. 따라서 플로팅된 데이터는 kinetics 실험의 초기 영역만 나타냅니다.

선형 회귀를 사용하여 각 데이터 세트의 기울기를 확인합니다. 기울기는 초당 산소 압력 단위의 초기 반응 속도와 같습니다.

다음으로, 초기 반응 속도의 자연 로그 대 초기 과산화물 농도의 자연 로그의 플롯. 기울기는 반응 차수 m과 같으며 거의 1과 같습니다. 따라서 반응은 1차입니다.

각 시도의 속도는 초당 Torr 단위의 압력 단위입니다. 속도 상수를 결정하려면 먼저 속도를 초당 기압 단위로 변환합니다. 기포가 수용액에서 발생했기 때문에 각 시도에 대한 시스템 압력에서 물의 증기압을 뺍니다. 그런 다음 새로운 속도는 산소 진화로 인한 압력만 반영합니다.

이상 기체 법칙을 적용하여 각 시도에 대해 속도를 대기 자체에서 초당 몰로 변환합니다. 생성 된 산소의 두 배는 화학 반응 화학 량론에 따라 분해 된 과산화수소의 몰과 같습니다. 그런 다음 반응 부피를 사용하여 속도의 단위를 초당 몰 농도로 변환합니다.

각 시도에 대한 속도 상수는 s?당 몰 농도의 속도를 초기 농도로 나누어 결정합니다. 이 실험에서 평균 속도 상수 k는 약 1.48 x 10-4μs입니다. 반응은 앞서 표시된 자연 로그 -?natural log 플롯에서 알려진 1차입니다. 따라서 요율 법칙은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

지금까지 화학 반응에 대한 속도 법칙을 결정하는 방법을 살펴보았으므로 이제 이 개념이 적용되는 몇 가지 영역을 살펴보겠습니다.

화학 반응은 광범위한 과학 응용 분야에 사용되는 화합물 및 물질의 합성에 사용됩니다. 반응의 진행을 제어하기 위해 이러한 합성 단계에서 반응 속도를 이해하는 것이 중요합니다.

예를 들어, 카드뮴 셀레나이드 나노 결정과 나노 막대의 합성은 일련의 화학 반응을 통해 진행됩니다. 각 반응에는 고유한 개별 반응 속도가 있으므로 합성 단계는 반응의 지식 속도에 따라 신중하게 제어됩니다. 일부는 느리고 일부는 매우 빠릅니다.

반응 속도 법칙은 방사성 붕괴를 설명하고 방사성 물질의 반감기를 결정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 반감기는 물질의 농도가 초기 농도의 절반으로 떨어지는 데 필요한 시간을 나타냅니다.

방사능은 1차 역학을 따르는데, 이는 방사성 물질이 안전한 수준으로 붕괴하는 데 필요한 시간을 매우 잘 특성화하여 방사성 물질 및 방사성 폐기물의 적절한 운송 및 보관을 가능하게 할 수 있음을 의미합니다.

방사성 물질과 마찬가지로 약물도 반감기가 있어 체내에서 분해됩니다. 예를 들어, 일부 약물은 비율 상수가 높기 때문에 빠르게 분해되므로 자주 복용해야 합니다. 이 분해 속도에 대한 지식은 적절한 용량, 사용법 및 전달 방법을 결정할 수 있습니다.

방금 JoVE의 반응 속도에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 화학 반응의 다양한 순서, 화학 반응 속도와 어떤 관련이 있는지, 실험실에서 주어진 화학 반응에 대한 속도 법칙을 결정하는 방법을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!