13.2: Reaksiyon Hızını Ölçme

Polarimetri, bir kimyasal reaksiyon sırasında optik olarak aktif maddelerin konsantrasyonunu ve reaksiyon kinetiğini ölçmek için kimyasal kinetikte uygulama bulur. Optik olarak aktif maddeler, içlerinden geçen doğrusal polarize ışığın polarizasyon düzlemini döndürme kabiliyetine sahiptir — optik rotasyon adı verilen bir özellik. Optik aktivite, maddelerin moleküler yapısına atfedilir. Normal monokromatik ışık kutupsuzdur ve yayılma yönüne dik olan tüm olası düzlemlerde elektrik alan salınımlarına sahiptir. Polarize olmayan bir ışık bir polarizörden geçtiğinde, bir düzlemdeki salınımları koruyan doğrusal polarize bir ışık ortaya çıkar.

Bir polarimetre aleti, ışığın polarizasyon yönünü veya optik olarak aktif bir maddenin ürettiği dönüşü belirler. Bir polarimetrede, düzlem polarize ışık, reaksiyona giren çözeltiyi içeren bir tüpe verilir ve reaksiyon, sistemi bozmadan takip edilebilir. Numune optik olarak inaktif maddeler içeriyorsa, polarize ışığın düzleminin yöneliminde herhangi bir değişiklik olmayacaktır. Işık, analizör ekranında aynı yoğunlukta görünecek ve dönüş açısı okuma (ɑ) sıfır derece okuyacaktır.

Bununla birlikte, reaksiyona giren numunede optik olarak aktif bileşiklerin varlığı, içinden geçen polarize ışığın düzleminin dönmesine neden olur. Dışarı çıkan ışık daha az parlak olacaktır. Analiz cihazı cihazının ekseni, maksimum parlaklığı gözlemlemek için saat yönünde (sağa döndürülen) veya saat yönünün tersine (sağa döndürülen) yönde döndürülmelidir. Analizörün döndürülmesi gereken yön, mevcut bileşiğin yapısına bağlıdır. Ölçülen optik rotasyon, numunede bulunan optik olarak aktif maddelerin konsantrasyonu ile orantılıdır. Farklı zaman noktalarında dönme açısı ölçümlerini analiz ederek, optik olarak aktif bileşiklerin konsantrasyonları zamanın bir fonksiyonu olarak belirlenebilir.

Spektrometre

Spektrometri gibi optik deneysel teknikler, kimyasal reaksiyonları izlemek ve reaksiyon kinetiğiyle ilgili niceliksel bilgileri güvence altına almak için sıklıkla kullanılır. Spektrometri kullanılarak, belirli bir dalga boyunun ışığının reaksiyona giren bir numuneden geçmesi sağlanır. Numune içindeki moleküller veya bileşikler (bir reaktan veya ürün), bir detektör tarafından ölçülen kalan miktarı iletirken bir miktar ışığı emebilir. Emilen ışığın miktarı, ilgilenilen bileşiğin veya molekülün konsantrasyonuna bağlıdır. Örneğin, bir bileşiğin konsantrasyonu ne kadar yüksekse, absorbansı da o kadar büyük olur. Absorbanstan, cihaz ilgilenilen bileşiğin konsantrasyonunu belirleyebilecektir. Reaksiyona giren bir numunede, periyodik aralıklarla ölçülen absorbans, reaktan veya ürünün konsantrasyonlarını zamanın bir fonksiyonu olarak hesaplar.

Basınç Ölçümleri

Gaz fazındaki maddeleri içeren reaksiyonlar için, reaksiyon kinetiğini, basınçtaki değişikliklerin bir fonksiyonu olarak gazların mol sayısındaki değişikliklerin ölçülmesi izler. Bir gaz fazı reaksiyonunun deneysel ayarları, gaz halindeki bir reaktantın veya ürünün basıncını ölçebilen bir manometreye bağlanabilir. Reaksiyon ilerledikçe, reaktanların basıncı azalır ve (veya) ürünlerin basıncı artar. Bu, zamanın bir fonksiyonu olarak manometre ile ölçülebilir. İdeal gaz yasasını kullanarak (bir gazın konsantrasyonu, kısmi basıncıyla orantılıdır) bir kimyasal reaksiyonun hızı hesaplanabilir.

Reaksiyon hızları, yani reaktanların veya ürünlerin konsantrasyonlarındaki değişiklikleri zamanın bir fonksiyonu alarak incelenebilir. Konsantrasyon değişiklikleri, polarimetre, spektroskopi veya basınç ölçümleri gibi deneysel tekniklerle ölçülebilir. Polarimetri, yalnızca bir düzlem boyunca yönlendirilmiş bir elektrik alanı ile düzlem polarize ışık kullanır.

Bileşiklerin, mevcut bileşiğin moleküler yapısına bağlı olan polarize ışığı döndürme yeteneğini ölçer. Glikoz ve fruktoz üreten sakkarozun hidrolizini düşünün. Reaksiyona giren sakkaroz çözeltisinden gelen düzlemsel polarize ışığın dönme derecesini ölçmek için bir polarimetre kullanılır.

Sakkaroz saat yönünde dönmeye neden olurken, glikoz ve fruktoz saat yönünün tersine dönmeye neden olur. Ayarlanan zaman aralıklarında ışığın dönme derecesinin ölçülmesiyle, bağıl sakkaroz, glikoz veya fruktoz konsantrasyonları hesaplanabilir ve reaksiyon hızı belirlenebilir. Reaksiyon hızları, reaktanların veya ürünlerin belirli dalga boylarındaki ışığı absorbe etme kabiliyetinden yararlanılarak, spektrofotometrik yöntemler kullanılarak da ölçülebilir.

İlgi konusu maddenin konsantrasyonu ne kadar yüksekse, ışık emilimi o kadar yoğun olacaktır. Örneğin, renksiz hidrojen gazı, renksiz hidrojen iyodür oluşturmak için mor iyot buharı ile reaksiyona girer. İyot buharı, sarı-yeşil bölgedeki ışığı emer ve mor ışığı yansıtır.

Reaksiyon sırasında, bir spektrofotometre numune tarafından emilen ışık miktarını ölçer ve toplanan ışığı analiz eder. Böylece reaksiyon ilerledikçe, sarı-yeşil ışık absorbansının azalmasıyla iyot buharı konsantrasyonunda azalma gözlenir. Beer-Lambert yasasını kullanarak, farklı zaman noktalarında absorblanan ışığın yoğunluğu hesaplanır ve konsantrasyondaki değişiklikle ilişkilendirilir.

Alternatif olarak, reaktanlardan veya ürünlerden biri bir gaz ise, basınç değişikliklerini izleyerek reaksiyon hızlarını belirlemek için basınç ölçümleri kullanılır. Örneğin, hidrojen peroksit ayrışması sırasında, reaksiyon hızı, salınan oksijen gazının basıncını izlemek için bir manometre kullanılarak incelenir. Reaksiyon ilerledikçe ve daha fazla oksijen gazı geliştikçe, basınç yükselir.

İdeal gaz denklemi kullanılarak farklı zaman noktalarında kaydedilen basınç değerleri konsantrasyonlara dönüştürülür. Zamanın bir fonksiyonu olarak konsantrasyondaki değişiklik, reaksiyon hızını belirlemek için kullanılır. Uzun süreli reaksiyonlar için, reaksiyon karışımından düzenli zaman aralıklarında numuneler veya alikotlar alınabilir.

Bağıl konsantrasyonlar daha sonra reaksiyon hızlarını hesaplamak için gaz kromatografisi, kütle spektrometrisi veya titrasyon gibi enstrümental teknikler kullanılarak ölçülür.