1.13: Określanie praw szybkości i kolejności reakcji

1. Przygotowanie H₂O₂ Rozcieńczenia

1. Zapas 3% nadtlenku wodoru ma stężenie 0,882 M. Przygotuj 5 rozcieńczeń w zakresie od 0,882 M do 0,176 M (Tabela 1). Przygotuj te roztwory objętościowo, ale przygotuj je dodatkowo, ponieważ substancja rozpuszczona jest bardzo rozcieńczona, a objętości wody są dodawane.
2. Umieść roztwory w łaźni wodnej o stałej temperaturze lub pozostaw je na blacie, aby zrównoważyły się w temperaturze pokojowej. Zakres temperatur 20–25 °C (293–298 K) jest dobry dla tej reakcji.

Tabela 1. H₂O₂ roztworów.

2. Przygotowanie naczynia reakcyjnego

1. Aby określić objętość naczynia reakcyjnego, napełnij dużą probówkę do góry wodą i włóż gumowy korek z 1 otworem do probówki, aż będzie szczelna, a woda wypchnie boki i przez górę.
2. Zdjąć korek i wlać wodę do cylindra z podziałką, aby określić dokładną objętość wody. Jest to całkowita objętość naczynia reakcyjnego (probówki).

3. Pomiar wydzielania tlenu

1. Zastąp wodę 50 ml pierwszego roztworu nadtlenku wodoru i umieść go z powrotem w łaźni wodnej. Po wyrównaniu dodaj dysk reakcyjny pokryty platyną i uszczelnij układ korkiem podłączonym do czujnika ciśnienia gazu. Krążki te są powszechnie stosowane w systemach czyszczenia soczewek kontaktowych.
2. Po skonfigurowaniu czujnika ciśnienia do zbierania danych z prędkością 2 punktów/s uruchom eksperyment na 120 sekund. Do tego eksperymentu zalecany jest czujnik ciśnienia gazu z noniuszem, GPS-BTA.
3. Należy obserwować pęcherzyki, ponieważ nadtlenek rozkłada się na tlen, gaz i wodę. Zwolnij ciśnienie, wylej roztwór, spłucz i zastąp roztwór następnym roztworem nadtlenku wodoru. Powtarzaj pomiar ciśnienia gazu, aż wszystkie roztwory zostaną przetestowane.

4. Analiza danych

1. Przenieś wszystkie pliki danych ciśnienia w funkcji czasu do programu arkusza kalkulacyjnego.
2. Określanie początkowych wskaźników - załóżmy, że stężenie nadtlenku wodoru nie zmieniło się zbytnio w krótkim czasie eksperymentu. Dane reprezentują początkowy obszar liniowy eksperymentu kinetykicznego.
   1. Określ nachylenie, wykreślając ciśnienie w funkcji czasu i używając wzoru na nachylenie lub regresji liniowej. Wykreśl ciśnienie w dowolnej wspólnej jednostce.
   2. Nachylenie to początkowa szybkość w jednostkach ciśnienia_O2/s.
3. Określanie kolejności reakcji
   1. Ponieważ ciśnienie wyewoluowanego O₂ jest wprost proporcjonalne do moli rozłożonych H₂O₂, wykreślenie ln(początkowej stawki) vs. ln[H₂O₂]₀ daje nachylenie równoważne kolejności reakcji. Początkowe stężenie nadtlenku wodoru, [H₂O₂]₀, jest tym, co zostało użyte w każdej z prób.
      1. Równanie dla prawa stawki to . Przyjęcie logarytmu naturalnego (ln) równania daje równanie liniowe , gdzie m, nachylenie jest porządkiem reakcji.

4. Wyznaczanie stałej szybkości, k
   1. Dla każdej próby przelicz szybkość, P_O2/s, na jednostki atm/s, jeśli szybkość jest w innej jednostce, takiej jak torr/s.
   2. Ponieważ pęcherzyki wydzielały się w roztworze wodnym, odejmij ciśnienie pary wody od ciśnienia układu dla każdej próby. Nowa szybkość odzwierciedla tylko ciśnienie spowodowane wydzielaniem tlenu.
   3. Zastosuj prawo gazu doskonałego, aby przeliczyć szybkość z atm/s na mole/s w każdej próbie.
      1. Przegrupuj PV = nRT na n = PV/RT. Jednostka s^-1 pozostaje niezmieniona. Objętość jest równoważna objętości probówki pomniejszonej o objętość roztworu (50 ml).
   4. Użyj zrównoważonej reakcji chemicznej, aby przekształcić mole wyprodukowanego tlenu w mole nadtlenku wodoru rozłożonego w każdej próbie.
   5. Podziel mole H₂O₂ przez objętość roztworu, 0,050 L, aby uzyskać molowość H₂O₂ rozkładając na sekundę, [H₂O₂]/s.
   6. Ponieważ ten eksperyment jest zgodny z kinetyką pierwszego rzędu, podziel szybkość, [H₂O₂]/s, przez pierwotne stężenie roztworu dla każdej próby, [H₂O₂]₀, aby uzyskać stałą szybkości, k. To rozwiązanie dla stałej szybkości różniłoby się nieznacznie w zależności od wcześniej określonej kolejności reakcji.
   7. Uśrednij razem stałe szybkości dla każdej próby, ponieważ temperatura jest stała.

Wszystkie reakcje chemiczne mają określoną szybkość, która określa, jak szybko reagenty zamieniają się w produkty.

Reakcjami chemicznymi rządzą dwa czynniki: kinetyka i termodynamika. Czynniki termodynamiczne decydują o tym, czy reakcja zajdzie, czy nie, oraz czy pochłania lub oddaje energię podczas procesu.

Kinetyka odnosi się do szybkości reakcji chemicznej i tego, jak szybko system osiąga równowagę. Kinetyka reakcji jest opisana przez prawo szybkości kinetycznej, które definiuje szybkość na podstawie stałej szybkości reakcji, stężenia składników i kolejności reakcji.

Ten film wprowadzi kinetykę reakcji za pomocą równania prawa szybkości i pokaże, jak wyznaczyć prawo szybkości dla określonej reakcji w laboratorium.

W przypadku reakcji ogólnej szybkość reakcji jest równa stałej szybkości pomnożonej przez stężenia reagentów, z których każdy jest podniesiony do kolejności reakcji. Stała szybkości, k, jest ustalona dla reakcji w danej temperaturze.

Kolejność reakcji jest niezależna od współczynników stechiometrycznych. Zamiast tego są zależne od mechanizmu reakcji i ilustrują, w jaki sposób szybkość jest związana ze stężeniem reagentów. Na przykład, jeśli szybkość reakcji pozostaje niezmieniona, gdy stężenie "A" podwaja się, to reakcja nie zależy od stężenia, a kolejność wynosi zero.

Jeśli szybkość podwaja się, gdy stężenie reagenta "A" podwaja się, to reakcja jest pierwszego rzędu w odniesieniu do "A". To samo zachowanie dotyczy reagenta "B". Ogólna kolejność reakcji jest sumą indywidualnych porządków reakcji dla każdego reagenta.

Podczas reakcji stężenie reagentów zmienia się w czasie. Należy zauważyć, że podstawowe równanie szybkości nie obejmuje czasu jako zmiennej i może odnosić się tylko do szybkości i stężenia w określonym punkcie czasowym. Jednak szybkość zmienia się w miarę postępu reakcji i wyczerpywania się reagentów. Użycie prawa szybkości różnicowej może powiązać zmianę stężenia z czasem.

Prawo szybkości reakcji musi być określone doświadczalnie, gdzie reakcja chemiczna jest dokładnie kontrolowana w stałej temperaturze, a stężenie reagentów lub produktów mierzone w określonych odstępach czasu. Ponieważ pomiary stężenia są wykonywane w dyskretnych punktach czasowych, prawo szybkości różnicowej jest trudne do skorelowania z danymi eksperymentalnymi.

Całkowanie prawa różnicy stóp procentowych skutkuje prostszym równaniem, zwanym prawem zintegrowanej stawki. Zintegrowane prawo szybkości porównuje stężenia reagentów na początku reakcji i w określonym czasie.

Zintegrowane równanie prawa szybkości zmienia się w zależności od kolejności reakcji. Równania te mogą mieć postać liniową y=mx+b. Tak więc wykres koncentracji w funkcji czasu daje wykres liniowy dla równania zerowego rzędu, wykres naturalnego logarytmu koncentracji w funkcji czasu daje wykres liniowy dla równania pierwszego rzędu i tak dalej. Dopasowując dane eksperymentalne do tych równań, można łatwo określić kolejność reakcji. Stała szybkości, k, może być następnie wyznaczona za pomocą nachylenia linii. Wreszcie jednostki k różnią się w zależności od kolejności reakcji. W przypadku reakcji zerowego rzędu jednostkami są mole na litr na sekundę, w przypadku reakcji pierwszego rzędu jednostkami są sekundy odwrotne, a w przypadku reakcji drugiego rzędu jednostkami są litry na mol na sekundę.

Teraz, gdy podstawy kinetycznych praw szybkości zostały wyjaśnione, przyjrzyjmy się, jak eksperymentalnie wyznaczyć prawo szybkości rozkładu nadtlenku wodoru na wodę i tlen.

W tym eksperymencie badany jest katalityczny rozkład nadtlenku wodoru nad katalizatorem platynowym.

Najpierw przygotuj 5 rozcieńczeń nadtlenku wodoru, jak pokazano w tabeli. W tym przypadku stężenia wahają się od 0,882 ? 0,176 M, przy użyciu 3% lub 0,882 M roztworu podstawowego. Pozwól, aby roztwory zrównoważyły się do temperatury pokojowej.

Następnie przygotuj naczynie reakcyjne za pomocą probówki. Najpierw określ objętość, napełniając dużą probówkę do góry wodą. Następnie włóż gumowy korek z 1 otworem, aż będzie szczelny i woda wypchnie się z otworu przez górę.

Zdejmij korek i wlej wodę do cylindra z podziałką, aby zmierzyć dokładną objętość. Jest to objętość naczynia reakcyjnego.

Następnie wlej 50 ml pierwszego roztworu nadtlenku wodoru do probówki, a następnie umieść probówkę w 25?? C Łaźnia wodna. Po wyrównaniu dodaj krążek reakcyjny pokryty platyną i uszczelnij układ korkiem podłączonym do czujnika ciśnienia gazu.

Ponieważ jednym z produktów jest tlen gazowy, wzrost ciśnienia w układzie służy do pomiaru wzrostu tlenu. Ustaw czujnik ciśnienia tak, aby zbierał dane w 2 punktach na s, a następnie uruchom eksperyment na 120 s. Pęcherzyki powinny być widoczne, gdy nadtlenek rozkłada się na tlen, gaz i wodę.

Po zakończeniu okresu reakcji zwolnij ciśnienie i wylej roztwór nadtlenku. Przepłucz probówkę, a następnie napełnij ją następnym roztworem nadtlenku wodoru. Powtórz pomiar ciśnienia gazu dla wszystkich roztworów.

Wykreśl dane dotyczące ciśnienia w funkcji czasu dla każdego rozwiązania. Ciśnienie wydzielanego tlenu jest wprost proporcjonalne do moli tlenu utworzonych zgodnie z prawem gazu doskonałego. Po reakcji chemicznej powstałe mole tlenu można wykorzystać do obliczenia moli rozłożonego nadtlenku wodoru. Po pierwsze, załóżmy, że stężenie nadtlenku wodoru nie zmieniło się znacząco w czasie krótkiego trwania eksperymentu. W związku z tym wykreślone dane reprezentują tylko początkowy region eksperymentu kinetykicznego.

Określ nachylenie każdego zestawu danych za pomocą regresji liniowej. Nachylenie jest równe początkowej szybkości reakcji w jednostkach ciśnienia tlenu na sekundę.

Następnie wykreśl log naturalny początkowej szybkości reakcji w funkcji logarytmu naturalnego początkowego stężenia nadtlenku. Nachylenie jest równe kolejności reakcji, m i jest w przybliżeniu równe jeden. Dlatego reakcja jest pierwszego rzędu.

Szybkość dla każdej próby jest podana w jednostkach ciśnienia w Torr, na sekundę. Aby określić stałą szybkości, najpierw przelicz szybkość na jednostki atmosfer na sekundę. Ponieważ pęcherzyki wyewoluowały w roztworze wodnym, odejmij ciśnienie pary wody od ciśnienia układu dla każdej próby. Nowa szybkość odzwierciedla wtedy tylko ciśnienie spowodowane wydzielaniem tlenu.

Zastosuj prawo gazu doskonałego, aby przeliczyć szybkość z atmosfer per se na mole na s dla każdej próby. Dwa razy więcej moli wyprodukowanego tlenu jest równe molom rozkładającego się nadtlenku wodoru, zgodnie ze stechiometrią reakcji chemicznej. Następnie użyj objętości reakcji, aby przeliczyć jednostki szybkości na molowość na sekundę.

Określ stałe szybkości dla każdej próby, dzieląc szybkość w molowości na s?przez stężenie początkowe. W tym eksperymencie średnia stała szybkości, k, wynosi około 1,48 x 10-4 litry. Reakcja jest pierwszego rzędu, znana z pokazanego wcześniej wykresu logarytmu naturalnego - logarytmu naturalnego. W związku z tym prawo stawek można zapisać tak, jak pokazano.

Teraz, gdy przyjrzałeś się, jak określić prawo szybkości reakcji chemicznej, przyjrzyjmy się niektórym obszarom, w których ta koncepcja jest stosowana.

Reakcje chemiczne są wykorzystywane w syntezie związków i materiałów wykorzystywanych w szerokim zakresie zastosowań naukowych. Ważne jest, aby zrozumieć szybkość reakcji na tych etapach syntezy, aby kontrolować postęp reakcji.

Na przykład synteza nanokryształów selenku kadmu i nanoprętów przebiega w wyniku szeregu reakcji chemicznych. Każda reakcja ma swoją własną dyskretną szybkość reakcji, dlatego etap syntezy jest dokładnie kontrolowany w oparciu o szybkość reakcji; niektóre powolne, a niektóre bardzo szybkie.

Prawo szybkości reakcji może być również wykorzystane do opisania rozpadu promieniotwórczego i określenia okresu półtrwania materiału promieniotwórczego. Okres półtrwania odnosi się do czasu wymaganego do spadku stężenia materiału do połowy jego początkowego stężenia.

Promieniotwórczość jest zgodna z kinetyką pierwszego rzędu, co oznacza, że czas wymagany do rozpadu materiału promieniotwórczego do bezpiecznego poziomu może być bardzo dobrze scharakteryzowany, co umożliwia prawidłowy transport i przechowywanie materiałów promieniotwórczych i odpadów promieniotwórczych.

Podobnie jak materiały radioaktywne, leki również mają okres półtrwania i ulegają degradacji w organizmie. Na przykład niektóre leki mają wysoką stałą szybkość, co oznacza, że szybko ulegają degradacji i muszą być często przyjmowane. Wiedza na temat tej szybkości degradacji umożliwia określenie odpowiedniego dawkowania, stosowania i sposobu podawania.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do wskaźników reakcji. Powinieneś teraz zrozumieć różne kolejność reakcji chemicznych, ich związek z szybkością reakcji chemicznych i sposób wyznaczenia prawa szybkości dla danej reakcji chemicznej w laboratorium.

Dzięki za oglądanie!