13.2: Pomiar szybkości reakcji

Polarymetria znajduje zastosowanie w kinetyce chemicznej do pomiaru stężenia i kinetyki reakcji substancji optycznie czynnych podczas reakcji chemicznej. Substancje optycznie czynne mają zdolność obracania płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez nie światła spolaryzowanego liniowo – cecha ta nazywana jest skręcalnością optyczną. Aktywność optyczną przypisuje się strukturze molekularnej substancji. Normalne światło monochromatyczne jest niespolaryzowane i posiada oscylacje pola elektrycznego we wszystkich możliwych płaszczyznach prostopadłych do kierunku jego rozchodzenia się. Kiedy światło niespolaryzowane przechodzi przez polaryzator, wyłania się światło spolaryzowane liniowo utrzymujące oscylacje w jednej płaszczyźnie.

Przyrząd polarymetryczny określa kierunek polaryzacji światła lub rotację wytwarzaną przez substancję optycznie czynną. W polarymetrze światło spolaryzowane płaszczyznowo jest wprowadzane do rurki zawierającej reagujący roztwór, a reakcję można śledzić bez zakłócania systemu. Jeśli próbka zawiera substancje optycznie nieaktywne, nie nastąpi zmiana orientacji płaszczyzny światła spolaryzowanego. Światło będzie widoczne w tym samym natężeniu na ekranie analizatora, a odczyt kąta obrotu (ɑ) wskaże zero stopni.

Jednak obecność związków optycznie czynnych w reagującej próbce powoduje rotację płaszczyzny przechodzącego przez nią światła spolaryzowanego. Światło wychodzące na zewnątrz będzie mniej jasne. Oś analizatora będzie musiała zostać obrócona w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara (prawoskrętnym) lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (lewoskrętnym), aby zaobserwować maksymalną jasność. Kierunek, w którym należy obrócić analizator, zależy od charakteru obecnego związku. Zmierzona skręcalność optyczna jest proporcjonalna do stężenia substancji optycznie czynnych obecnych w próbce. Analizując pomiary kąta obrotu w różnych punktach czasowych, można wyznaczyć stężenia związków optycznie czynnych w funkcji czasu.

spektrometria

Optyczne techniki eksperymentalne, takie jak spektrometria, są również często stosowane do monitorowania reakcji chemicznych i uzyskiwania informacji ilościowych na temat kinetyki reakcji. Za pomocą spektrometrii światło o określonej długości fali przechodzi przez reagującą próbkę. Cząsteczki lub związki (reagent lub produkt) w próbce mogą pochłaniać trochę światła, jednocześnie przepuszczając pozostałą ilość, która jest mierzona przez detektor. Ilość pochłoniętego światła zależy od stężenia interesującego nas związku lub cząsteczki. Na przykład im wyższe stężenie związku, tym większa jest jego absorbancja. Na podstawie absorbancji przyrząd będzie w stanie określić stężenie interesującego go związku. W reagującej próbce absorbancja mierzona w okresowych odstępach czasu oblicza stężenia reagenta lub produktu w funkcji czasu.

Pomiary ciśnienia

W przypadku reakcji z udziałem substancji w fazie gazowej po kinetyce reakcji następuje ilościowe określenie zmian liczby moli gazów w funkcji zmian ciśnienia. Ustawienia eksperymentalne reakcji w fazie gazowej można podłączyć do manometru, który może mierzyć ciśnienie gazowego reagenta lub produktu. W miarę postępu reakcji ciśnienie reagentów maleje i (lub) ciśnienie produktów wzrasta. Można to zmierzyć za pomocą manometru w funkcji czasu. Stosując prawo gazu doskonałego – stężenie gazu jest proporcjonalne do jego ciśnienia cząstkowego – można obliczyć szybkość reakcji chemicznej.