1.13: Hız Yasalarının ve Reaksiyon Sırasının Belirlenmesi

1. H₂O₂ Seyreltmelerinin Hazırlanması

1. Stok% 3 hidrojen peroksit 0.882 M'lik bir konsantrasyona sahiptir. 0.882 M ila 0.176 M arasında değişen 5 seyreltme hazırlayın (Tablo 1). Bu çözeltileri hacimsel olarak hazırlayın, ancak çözünen madde çok seyreltik olduğundan ve hacimlerde su katkı maddesi olduğundan bunları katkı maddesi olarak hazırlayın.
2. Çözeltileri sabit sıcaklıktaki bir su banyosuna yerleştirin veya oda sıcaklığında dengelemek için tezgahın üzerine bırakın. Bu reaksiyon için 20–25 °C (293–298 K) sıcaklık aralığı iyidir.

Tablo 1. H₂O₂ çözeltileri kullanılır.

2. Reaksiyon Kabının Hazırlanması

1. Reaksiyon kabının hacmini belirlemek için, büyük bir test tüpünü üstüne suyla doldurun ve sıkılaşana ve su yanlardan ve üstten dışarı itene kadar test tüpüne 1 delikli bir lastik tıpa yerleştirin.
2. Durdurucuyu çıkarın ve suyun tam hacmini belirlemek için suyu dereceli bir silindire dökün. Bu, reaksiyon kabının (test tüpü) toplam hacmidir.

3. Oksijen Evriminin Ölçülmesi

1. Suyu 50 mL ilk hidrojen peroksit çözeltisiyle değiştirin ve tekrar su banyosuna yerleştirin. Dengelendikten sonra, platin kaplı reaksiyon diskini ekleyin ve sistemi bir gaz basınç sensörüne bağlı bir durdurucu ile kapatın. Bu diskler kontakt lens temizleme sistemlerinde yaygın olarak kullanılır.
2. Basınç sensörü 2 nokta/sn'de veri alacak şekilde ayarlandıktan sonra, deneyi 120 saniye boyunca çalıştırın. Bu deney için Vernier gaz basınç sensörü, GPS-BTA önerilir.
3. Peroksit oksijen, gaz ve suya ayrışırken kabarcıklar gözlenmelidir. Basıncı boşaltın, çözeltiyi atın, durulayın ve çözeltiyi bir sonraki hidrojen peroksit çözeltisiyle değiştirin. Tüm çözeltiler test edilene kadar gaz basıncı ölçümünü tekrarlayın.

4. Veri Analizi

1. Baskıya karşı zamana ilişkin tüm veri dosyalarını bir elektronik tablo programına aktarın.
2. Başlangıç oranlarının belirlenmesi - deneyin kısa zaman dilimi boyunca hidrojen peroksit konsantrasyonunun çok fazla değişmediğini varsayalım. Veriler, kinetik deneyin ilk doğrusal bölgesini temsil eder.
   1. Zamana karşı basıncı çizerek ve bir eğim formülü veya doğrusal regresyon kullanarak eğimi belirleyin. Basıncı herhangi bir ortak birimde çizin.
   2. Eğim,_O2/s basınç birimlerindeki başlangıç oranıdır.
3. Reaksiyon Sırasının Belirlenmesi
   1. Evrimleşmiş O₂ 'nin basıncı, ayrışmış H₂O₂ molleri ile doğru orantılı olduğundan, ln(başlangıç hızı) ile ln[H₂O₂]₀ arasında çizilmesi, reaksiyonun sırasına eşdeğer bir eğim verir. Hidrojen peroksitin ilk konsantrasyonu, [H₂O_{2 ] 0}, denemelerin her birinde kullanılan şeydir.
      1. Oran yasasının denklemi şeklindedir. Denklemin doğal logaritmasını (ln) almak, doğrusal bir denklem üretir, burada m, eğim, reaksiyonun sırasıdır.

1. Hız Sabitinin Belirlenmesi, k
   1. Her deneme için, oran torr/s gibi farklı bir birimdeyse, P_O2/s oranını atm/s birimlerine dönüştürün.
   2. Kabarcıklar sulu çözelti içinde evrimleştiğinden, her deneme için suyun buhar basıncını sistem basıncından çıkarın. Yeni oran sadece oksijen evriminden kaynaklanan basıncı yansıtıyor.
   3. Her denemede hızı atm/s'den mol/s'ye dönüştürmek için İdeal Gaz yasasını uygulayın.
      1. PV = nRT'yi n = PV/RT olarak yeniden düzenleyin. ^S-1 ünitesi değişmeden kalır. Hacim, test tüpü hacmi eksi çözelti hacmine (50 mL) eşdeğerdir.
   4. Her denemede üretilen oksijen mollerinden ayrışan hidrojen peroksit mollerine dönüştürmek için dengeli kimyasal reaksiyonu kullanın.
   5. H2O2'nin molleriniçözeltinin hacmine, 0.050 L'ye bölün, böylece saniyede ayrışan H2O2'nin molaritesinielde edin, [H₂O 2]/s.
   6. Bu deney birinci dereceden kinetiği takip ettiğinden, [H₂O₂]/s hızını, her deneme için orijinal çözelti konsantrasyonuna, [H₂O₂] _0'a bölün ve bir hız sabiti elde edin, k. Hız sabiti için bu çözüm, daha önce belirlenen reaksiyonun sırasına bağlı olarak biraz değişecektir.
   7. Sıcaklık sabit olduğu için her deneme için hız sabitlerinin ortalamasını alın.

Tüm kimyasal reaksiyonların, reaktanların ne kadar hızlı ürüne dönüştüğünü tanımlayan belirli bir hızı vardır.

Kimyasal reaksiyonlar iki faktör tarafından yönetilir: kinetik ve termodinamik. Termodinamik faktörler, bir reaksiyonun meydana gelip gelmeyeceğini ve işlem sırasında enerjiyi emip emmediğini veya verip vermeyeceğini açıklar.

Kinetik, bir kimyasal reaksiyonun hızını ve sistemin dengeye ne kadar hızlı ulaştığını ifade eder. Bir reaksiyonun kinetiği, bir reaksiyon hızı sabitine, bileşenlerin konsantrasyonuna ve reaksiyonun sırasına dayalı hızı tanımlayan kinetik hız yasası ile tanımlanır.

Bu video, hız yasası denklemini kullanarak reaksiyon kinetiğini tanıtacak ve laboratuvarda belirli bir reaksiyon için hız yasasının nasıl belirleneceğini gösterecektir.

Genel bir reaksiyon için, reaksiyon hızı, her biri bir reaksiyon sırasına yükseltilen reaktanların konsantrasyonlarının hız sabiti çarpımına eşittir. Hız sabiti, k, belirli bir sıcaklıktaki bir reaksiyon için sabitlenir.

Reaksiyon sıraları stokiyometrik katsayılardan bağımsızdır. Bunun yerine, reaksiyon mekanizmasına bağlıdırlar ve hızın reaktanların konsantrasyonu ile nasıl ilişkili olduğunu gösterirler. Örneğin, "A" konsantrasyonu iki katına çıktığında reaksiyon hızı değişmezse, reaksiyon konsantrasyona bağlı değildir ve sıra sıfırdır.

"A" reaktan konsantrasyonu iki katına çıktığında hız iki katına çıkarsa, reaksiyon "A"ya göre birinci derecedendir. Aynı davranış "B" reaktanı için de geçerlidir. Bir reaksiyonun genel sırası, her bir reaktan için bireysel reaksiyon sıralarının toplamıdır.

Bir reaksiyon sırasında, reaktanların konsantrasyonu zamanla değişir. Temel oran denkleminin bir değişken olarak zamanı içermediğini ve yalnızca belirli bir zaman noktasındaki oran ve konsantrasyonu ilişkilendirebileceğini unutmayın. Bununla birlikte, reaksiyon ilerledikçe ve reaktanlar tükendikçe hız değişir. Bir diferansiyel oran yasası kullanmak, konsantrasyondaki değişimi zamanla ilişkilendirebilir.

Bir kimyasal reaksiyonun sabit bir sıcaklıkta dikkatli bir şekilde kontrol edildiği ve reaktanların veya ürünlerin konsantrasyonunun belirli zaman aralıklarında ölçüldüğü durumlarda, bir reaksiyon için hız yasası deneysel olarak belirlenmelidir. Konsantrasyon ölçümleri ayrı zaman noktalarında yapıldığından, diferansiyel oran yasasının deneysel verilerle ilişkilendirilmesi zordur.

Diferansiyel oran yasasını entegre etmek, entegre oran yasası adı verilen daha basit bir denklemle sonuçlanır. Entegre hız yasası, reaksiyonun başlangıcındaki ve belirli bir zamandaki reaktan konsantrasyonlarını karşılaştırır.

Entegre hız yasası denklemi, reaksiyonun sırasına bağlı olarak değişir. Bu denklemler y=mx+b doğrusal biçimini alabilir. Bu nedenle, bir konsantrasyon ve zaman grafiği, sıfır dereceli bir denklem için doğrusal bir çizim verir, konsantrasyon ve zamanın doğal günlüğünün bir grafiği, birinci dereceden bir denklem için doğrusal bir çizim verir ve bu böyle devam eder. Deneysel verileri bu denklemlere uydurarak, bir reaksiyonun sırası kolayca belirlenebilir. Hız sabiti, k, daha sonra çizginin eğimi kullanılarak belirlenebilir. Son olarak, k birimleri reaksiyonun sırasına bağlı olarak değişir. Sıfır mertebeden bir reaksiyon için, birimler saniyede litre başına moldür, birinci dereceden bir reaksiyon için birimler ters saniyedir ve ikinci dereceden bir reaksiyon için birimler saniyede mol başına litredir.

Artık kinetik hız yasalarının temelleri açıklandığına göre, hidrojen peroksitin su ve oksijene ayrışması için hız yasasının deneysel olarak nasıl belirleneceğine bir göz atalım.

Bu deneyde, hidrojen peroksitin bir platin katalizörü üzerinde katalitik ayrışması araştırılmıştır.

İlk olarak, tabloda gösterildiği gibi 5 seyreltme hidrojen peroksit hazırlayın. Bu durumda, konsantrasyonlar 0.882 ° C arasında değişir. 0,176 M, %3 veya 0,882 M stok çözeltisi kullanılarak. Çözeltilerin oda sıcaklığına dengelenmesine izin verin.

Daha sonra, bir test tüpü kullanarak reaksiyon kabını hazırlayın. İlk olarak, büyük bir test tüpünü üstüne su ile doldurarak hacmi belirleyin. Ardından, sıkı olana ve su üstten delikten dışarı çıkana kadar 1 delikli bir lastik tıpa yerleştirin.

Durdurucuyu çıkarın ve tam hacmi ölçmek için suyu dereceli bir silindire dökün. Bu, reaksiyon kabının hacmidir.

Daha sonra, ilk hidrojen peroksit çözeltisinin 50 mL'sini test tüpüne dökün ve ardından tüpü 25 mL'ye yerleştirin. C su banyosu. Dengelendikten sonra, platin kaplı bir reaksiyon diski ekleyin ve sistemi bir gaz basınç sensörüne bağlı bir durdurucu ile kapatın.

Ürünlerden biri oksijen gazı olduğu için sistemdeki basınç artışı oksijendeki artışı ölçmek için kullanılır. Basınç sensörünü sn başına 2 noktada veri alacak şekilde ayarlayın, ardından deneyi 120 saniye boyunca çalıştırın. Peroksit oksijen, gaz ve suya ayrışırken kabarcıklar görünür olmalıdır.

Reaksiyon süresi sona erdiğinde, basıncı boşaltın ve peroksit çözeltisini atın. Tüpü durulayın, ardından tüpü bir sonraki hidrojen peroksit çözeltisiyle doldurun. Tüm çözeltiler için gaz basıncı ölçümünü tekrarlayın.

Her çözüm için basınç ve zaman verilerini çizin. Evrimleşen oksijenin basıncı, ideal gaz yasasına göre oluşan oksijen molleri ile doğru orantılıdır. Kimyasal reaksiyonu takiben, oluşan oksijen molleri, ayrışmış hidrojen peroksitin mollerini hesaplamak için kullanılabilir. İlk olarak, deneyin kısa süresi boyunca hidrojen peroksit konsantrasyonunun önemli ölçüde değişmediğini varsayalım. Bu nedenle, çizilen veriler kinetik deneyinin yalnızca başlangıç bölgesini temsil eder.

Doğrusal regresyon kullanarak her veri kümesinin eğimini belirleyin. Eğim, saniyedeki oksijen basıncı birimlerindeki ilk reaksiyon hızına eşittir.

Daha sonra, ilk reaksiyon hızının doğal kütüğü ile ilk peroksit konsantrasyonunun doğal kütüğünün grafiği. Eğim, reaksiyon sırasına (m) eşittir ve yaklaşık olarak bire eşittir. Bu nedenle, reaksiyon birinci derecedendir.

Her deneme için oran, saniye başına Torr cinsinden basınç birimi cinsindendir. Hız sabitini belirlemek için, önce hızı saniyedeki atmosfer birimlerine dönüştürün. Kabarcıklar sulu çözeltide evrimleştiğinden, her deneme için suyun buhar basıncını sistem basıncından çıkarın. Bu durumda yeni oran sadece oksijen evriminden kaynaklanan basıncı yansıtır.

Her deneme için oranı kendi başına atmosferden s başına mol başına dönüştürmek için ideal gaz yasasını uygulayın. Kimyasal reaksiyon stokiyometrisine göre, üretilen oksijenin iki katı, ayrışan hidrojen peroksit mollerine eşittir. Ardından, hızın birimlerini saniyedeki molariteye dönüştürmek için reaksiyon hacmini kullanın.

Her deneme için hız sabitlerini, molarite başına s?başlangıç konsantrasyonuna bölerek belirleyin. Bu deneyde, ortalama hız sabiti, k, yaklaşık olarak 1.48 x 10-4?s'dir. Reaksiyon, daha önce gösterilen doğal log -?doğal log grafiğinden bilinen birinci derecedendir. Bu nedenle, oran yasası gösterildiği gibi yazılabilir.

Artık bir kimyasal reaksiyon için hız yasasının nasıl belirleneceğine baktığınıza göre, bu kavramın uygulandığı bazı alanlara bakalım.

Kimyasal reaksiyonlar, çok çeşitli bilimsel uygulamalarda kullanılan bileşiklerin ve malzemelerin sentezinde kullanılır. Bir reaksiyonun ilerlemesini kontrol etmek için bu sentez adımlarındaki reaksiyon hızını anlamak önemlidir.

Örneğin, kadmiyum selenit nanokristallerinin ve nanoçubukların sentezi bir dizi kimyasal reaksiyonla ilerler. Her reaksiyonun kendi ayrık reaksiyon hızı vardır ve bu nedenle sentez adımı, reaksiyonun bilgi hızına bağlı olarak dikkatli bir şekilde kontrol edilir; Bazıları yavaş, bazıları çok hızlı.

Reaksiyon hızı yasası, radyoaktif bozunmayı tanımlamak ve radyoaktif malzemenin yarı ömrünü belirlemek için de kullanılabilir. Yarı ömür, bir malzemenin konsantrasyonunun başlangıç konsantrasyonunun yarısına düşmesi için gereken süreyi ifade eder.

Radyoaktivite birinci dereceden kinetiği takip eder, yani radyoaktif malzemenin güvenli bir seviyeye bozunması için gereken süre çok iyi karakterize edilebilir, bu da radyoaktif malzemenin ve radyoaktif atıkların uygun şekilde taşınmasını ve depolanmasını sağlar.

Radyoaktif maddelere benzer şekilde, ilaçların da yarı ömrü vardır ve vücutta bozulur. Örneğin, bazı ilaçların yüksek hız sabitleri vardır, bu da hızlı bir şekilde bozuldukları ve sık sık alınmaları gerektiği anlamına gelir. Bu bozunma oranının bilinmesi, uygun dozajın, kullanımın ve dağıtım yönteminin belirlenmesini sağlar.

Az önce JoVE'nin reaksiyon hızlarına girişini izlediniz. Artık kimyasal reaksiyonların farklı sıralarını, bunların kimyasal reaksiyon hızlarıyla nasıl ilişkili olduğunu ve laboratuvarda belirli bir kimyasal reaksiyon için hız yasasının nasıl belirleneceğini anlamalısınız.

İzlediğiniz için teşekkürler!