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금리법 및 대응 순서 결정

Overview

출처: 닐 에이브람스 박사 연구소 — SUNY 환경과학 및 임업 대학

모든 화학 반응은 제품에 가는 반응의 진행을 정의하는 특정 속도를 가지고 있습니다. 이 속도는 반응제의 온도, 농도 및 물리적 특성에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 속도는 또한 형성되는 중간 및 전이 상태를 포함하지만 반응제도 제품도 아니다. 속도 법은 반응에서 각 반응의 역할을 정의하고 반응진행에 필요한 시간을 수학적으로 모델링하는 데 사용할 수 있습니다. 금리 방정식의 일반적인 형태는 다음과 같습니다.

    Equation 1

여기서 A와 B는 다른 분자 종의 농도이고, m와 n은 반응 순서이고, k는 일정한 비율이다. 반응제가 고갈됨에 따라 거의 모든 반응의 속도가 시간이 지남에 따라 변경되므로 효과적인 충돌이 발생할 가능성이 줄어듭니다. 그러나 속도 상수는 주어진 온도에서 단일 반응에 대해 고정됩니다. 반응 순서는 반응에 관여하는 분자 종의 수를 보여줍니다. 실험적으로만 결정할 수 있는 일정한 비율 및 반응 순서를 포함한 요금법을 아는 것이 매우 중요합니다. 이 실험에서는 속도법칙을 결정하는 한 가지 방법을 모색하고 이를 사용하여 화학 반응의 진행 상황을 이해할 것입니다.

Principles

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운동 역학 및 열역학

모든 화학 반응은 두 가지 요인, 운동 및 열역학에 의해 지배된다. 열역학 인자는 화학 반응 중에 방출되는 자유 에너지의 차이입니다. 자발성이라고 불리는 이 자유 에너지는 화학 반응 내에서 엔탈피(열) 및 엔트로피(disorder)로부터 발생하는 복잡한 값입니다. 운동학은 화학 반응의 속도와 시스템이 평형에 도달하는 속도를 말합니다. 운동학은 반응속도를 설명할 수 있지만 열역학은 에너지에 대한 정보를 생성합니다. 간단히 언급된 열역학은 안정성과 운동역학과 관련이 있습니다.

속도 결정

속도는 시간 기반 측정으로 반응이 진행됨에 따라 지속적으로 변화하고 있습니다. 이는 시간 변화에 대한 집중력 변화를 표현하는 차등율법을 사용하여 나타낼 수 있다. 실험적으로, 차등율법은 사용하기 어렵기 때문에 미적분을 사용하고 차등율법을 통합하여 통합요금법으로 규정할 수 있습니다. 통합 속도 법은 반응의 시작과 지정된 시간 간격에서 반응 농도를 나타냅니다. 순서, 요금법 및 통합 요금법의 표는 다음과 같습니다.

Table 1

각 순서는 반응 속도에 반응 집중의 의존성을 설명합니다. 예를 들어, 제로 주문 속도 법인 속도 =k는,비율이 반응성 농도가 아니라 일정한 비율에만 의존한다는 것을 나타낸다. 이는 촉매가 고체이고 표면적이 반응 중에 변하지 않는 촉매 반응에서 흔히 볼 수 있습니다. 1st order rate 법은 비율이 다른 반응제가 존재할 수 있더라도, 1개의 반응제의 집중에 달려 있다는 것을 보여줍니다. 2차수제법은 반응시 2개의 반응제의 농도에 따라 비율이 달라지는 것을 나타낸다. 이러한 반응제는 동일할 수 있습니다. 두 농도가 지속적으로 변화하고 있기 때문에 2차 속도 상수는 실험실에서 측정하기 어려울 수 있습니다. 순서에 관계없이 통합 요금 법을 사용하면 데이터 플로팅을 허용하고 데이터에 맞게 선형 방정식을 적용하여 데이터 분석을 단순화합니다. 하나의 통합 요금법이 데이터에 적합하므로 반응의 속도 상수 및 반응 순서를 즉시 확인할 수 있습니다.

운동 실험

속도 법칙을 결정하는 것은 화학 반응을 위한 운동 실험을 설정하는 것으로 시작됩니다. 운동 실험은 시간이 지남에 따라 종의 농도 변화를 결정하기 위해 측정이 시간 초과 된 간격으로 이루어지도록 주의 깊게 제어됩니다. 그 종은 반응제 (시간에 따라 농도 감소) 또는 제품 (시간에 따라 농도 증가)일 수 있습니다. 다중 반응제가 관여하는 경우, 한 반응제의 농도가 시간에 따라 변화하는 것도 매우 중요합니다. 다른 반응제의 농도를 연구하는 반응제보다 훨씬 높게 증가하면 실험 중에 하나의 반응제의 농도가 변화하는 것으로 나타난다.

이 실험에서는 백금 촉매를 통해 과산화수소의 촉매 분해를 탐구한다. 백금은 촉매이기 때문에 아래의 반응에 따라 두 가지 제품으로 분해되는 종은 단 한 종만 관련되어 있습니다.

2 H2O2(aq) → O2(g) + 2 H2O(l)

제품 중 하나인O2는가스이기 때문에 시간이 지남에 따라 시스템의 압력 증가를 측정할 수 있으며 두더지와 압력을 관련시키는 데 사용되는 이상적인 가스법(PV = nRT)을 측정할 수 있습니다. 일단 반응제의 여러 가지 다른 농도에 대해 수행되면 반응 순서 및 속도 법칙을 해결할 수 있습니다.

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Procedure

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1. H2O2 희석제 준비

  1. 과산화수소 3%의 농도는 0.882M. 0.882M에서 0.176M(표1)에이르는 5희석을 준비한다. 이러한 솔루션을 체적으로 준비하지만, 솔루트가 매우 희석되고 물량이 첨가제이기 때문에 첨가제로 준비하십시오.
  2. 솔루션을 일정한 온도 수조에 놓거나 벤치 탑에 두어 실온에서 평형화하십시오. 20-25°C(293-298 K)의 온도 범위는 이 반응에 좋다.

Table 2
표 1. H2O2 솔루션 사용.

2. 반응 용기 준비

  1. 반응 용기의 부피를 결정하기 위해 큰 시험관을 물로 위로 채우고 1홀 고무 스토퍼를 테스트 튜브에 삽입하여 단단하고 물이 측면을 밀어내고 상단을 통과합니다.
  2. 스토퍼를 제거하고 물의 정확한 부피를 결정하기 위해 졸업 된 실린더에 물을 부어. 이것은 반응 용기(testtube)의 총 부피입니다.

3. 산소 진화 측정

  1. 물을 첫 번째 과산화수소 용액의 50mL로 교체하고 수조에 다시 넣습니다. 일단 평형화되면 백금 코팅 반응 디스크를 추가하고 가스 압력 센서에 연결된 스토퍼로 시스템을 밀봉하십시오. 이러한 디스크는 콘택트렌즈 세척 시스템에서 일반적으로 사용됩니다.
  2. 압력 센서가 2점/s에서 데이터를 수집하도록 설정되면 120s에 대한 실험을 실행합니다. 이 실험에는 버니어 가스 압력 센서인 GPS-BTA가 권장됩니다.
  3. 과산화물이 산소 가스와 물로 분해되기 때문에 기포를 관찰해야 합니다. 압력을 방출하고, 용액을 폐기하고, 헹을 수 없으며, 용액을 다음 과산화수소 용액으로 교체한다. 모든 솔루션이 테스트될 때까지 가스 압력 측정을 반복합니다.

4. 데이터 분석

  1. 압력의 모든 데이터 파일을 스프레드시트 프로그램으로 전송합니다.
  2. 초기 속도 결정 - 과산화수소의 농도가 실험의 짧은 기간 동안 많이 변경되지 않은 가정. 데이터는 운동 실험의 초기 선형 영역을 나타냅니다.
    1. 압력 대 시간을 플로팅하고 경사 수식 또는 선형 회귀를 사용하여 경사를 결정합니다. 모든 공통 단위에서 압력을 플롯합니다.
    2. 경사는 압력O2/s단위의 초기 속도입니다.
  3. 반응 순서 결정
    1. 진화된O2의 압력은 분해된H2 O2의두더지와 직결되기 때문에ln(초기속도)대 ln[ H 2O2]0은 반응의 순서에 상응하는 경사를 산출한다. 과산화수소의 초기 농도,[H2O2]0은각 시험에서 사용되었습니다.
      1. 요금법에 대한 방정식은 Equation 2 . 방정식의 천연 logarithm (ln)을 복용하면 선형 Equation 3 방정식을 생성하며, 여기서 m, 경사는 반응의 순서입니다.
  1. 속도 상수 결정,
    1. 각 평가판에 대해 속도PO2/s를torr/s와 같은 다른 단위에 있는 경우 atm/s 단위로 변환합니다.
    2. 기포는 수성 용액으로 진화되었기 때문에 각 시험의 시스템 압력에서 물의 증기 압력을 뺍니다. 새로운 속도는 산소 진화로 인한 압력만 을 반영합니다.
    3. 이상적인 가스 법을 적용하여 각 재판에서 ATM/s에서 두더지/s로 비율을 변환합니다.
      1. PV = nRT를 n= PV/RT로 재정렬합니다. s-1 단위는 변경되지 않습니다. 볼륨은 용액 부피(50mL)를 뺀 테스트 튜브 부피와 동일합니다.
    4. 균형 잡힌 화학 반응을 사용하여 생성된 산소의 두더지에서 각 시험에서 분해된 과산화수소의 두더지로 변환합니다.
    5. H2 O2의 두더지들을 용액의 부피인 0.050 L로 나누어 초당 분해된H2 O2의어피를 산출하고, [H2O2]/s.
    6. 이 실험은 일차 역학을 따르기 때문에, [H2O 2]/s, 각 시험에 대한 원래용액 농도로,[H 2 O2]0,율 상수를 산출하기 위해, k를나눈다. 속도 상수에 대한이 솔루션은 이전에 결정 된 반응의 순서에 따라 약간 달라질 것이다.
    7. 온도가 일정하기 때문에 각 시험의 속도 상수를 함께 평균합니다.

모든 화학 반응은 반응제가 제품으로 얼마나 빨리 변하는지 정의하는 특정 비율을 가지고 있습니다.

화학 반응은 운동과 열역학의 두 가지 요인에 의해 지배됩니다. 열역학 적 인자는 반응이 발생할지 여부를 설명하고, 공정 중에 에너지를 흡수하거나 제공하는 경우.

운동학은 화학 반응의 비율을 말하며 시스템이 평형에 도달하는 속도를 나타냅니다. 반응의 역학은 반응 속도 상수, 성분의 농도 및 반응순서에 기초하여 속도를 정의하는 운동 속도 법에 의해 설명된다.

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

일반적인 반응의 경우, 반응속도는 반응체의 농도의 일정한 비율과 같으며, 각각 반응 순서로 상승한다. 속도 상수, k는 주어진 온도에서 반응에 대해 고정됩니다.

반응 순서는 스토이치오메트릭 계수와 무관합니다. 대신 반응 메커니즘에 의존하며, 비율이 반응제의 농도와 어떻게 관련이 있는지 를 설명한다. 예를 들어, "A"의 농도가 두 배가 될 때 반응 속도가 변하지 않으면 반응은 농도에 의존하지 않으며 순서는 0입니다.

반응제 "A"의 농도가 두 배가되면 반응은 "A"에 대한 첫 번째 순서입니다. 반응 "B"도 마찬가지입니다. 반응의 전체 순서는 각 반응에 대한 개별 반응 순서의 합이다.

반응 하는 동안, 반응의 농도 시간에 따라 변경 됩니다. 기본 요율 방정식에는 변수로 시간을 포함하지 않으며 특정 시점에서만 속도와 농도를 관련시킬 수 있습니다. 그러나 반응이 진행됨에 따라 반응이 고갈됨에 따라 비율이 변경됩니다. 차등율법을 사용하면 농도의 변화를 시간에 따라 관련시킬 수 있습니다.

반응에 대한 속도 법은 화학 반응이 일정한 온도에서 신중하게 제어되는 실험적으로 결정되어야하며, 특정 시간 간격으로 측정 된 반응또는 제품의 농도. 농도 측정은 개별 시간 지점에서 이루어지기 때문에 차등 속도 법은 실험 데이터와 상관 관계가 어렵습니다.

차등율법을 통합하면 통합요금법이라고 불리는 더 간단한 방정식이 생성됩니다. 통합 요금법은 반응 시작 시 및 지정된 시간에 반응농도를 비교한다.

통합 요금법 방정식은 반응의 순서에 따라 다릅니다. 이러한 방정식은 선형 형태 y=mx+b를 취할 수 있습니다. 따라서, 농도 대 시간의 플롯은 제로 순서 방정식에 대한 선형 플롯을 산출하고, 농도 대 시간의 자연 로그의 플롯은 첫 번째 순서 방정식에 대한 선형 플롯을 산출, 등등. 이러한 방정식에 실험 데이터를 피팅함으로써 반응순서를 쉽게 결정할 수 있습니다. 속도 상수, k는 선의 경사를 사용하여 결정할 수 있습니다. 마지막으로, k의 단위는 반응의 순서에 따라 다릅니다. 제로 오더 반응을 위해, 단위는 초당 리터당 두더지, 첫 번째 순서 반응에 대 한, 단위는 반전 초 및 두 번째 순서 반응에 대 한 단위는 초당 두더지 당 리터.

이제 운동 속도 법의 기초가 설명되었으므로 과산화수소의 분해에 대한 속도 법을 물과 산소로 실험적으로 결정하는 방법을 살펴 볼 수 있습니다.

이 실험에서는 백금 촉매를 통해 과산화수소의 촉매 분해를 탐구한다.

먼저, 식탁에 나타난 바와 같이 과산화수소 5희석을 준비한다. 이 경우 농도는 0.882 ~ 0.176M, 3% 또는 0.882M 재고 용액을 사용한다. 솔루션이 실온과 평형되도록 허용합니다.

다음으로, 시험관을 사용하여 반응 혈관을 준비한다. 먼저 큰 테스트 튜브를 물로 상단에 채워 볼륨을 결정합니다. 그런 다음 1 홀 고무 스토퍼를 넣고 단단해질 때까지 물을 상단을 통해 구멍밖으로 밀어 내십시오.

스토퍼를 제거하고 정확한 부피를 측정하기 위해 졸업된 실린더에 물을 붓습니다. 이것은 반응 용기의 부피입니다.

다음으로, 첫 번째 과산화수소 용액의 50mL를 시험관에 붓고 튜브를 25°C 수조에 넣습니다. 일단 평형화되면 백금 코팅 반응 디스크를 추가하고 가스 압력 센서에 연결된 스토퍼로 시스템을 밀봉하십시오.

제품 중 하나는 산소 가스이기 때문에 시스템의 압력 증가가 산소 증가를 측정하는 데 사용됩니다. 압력 센서를 설정하여 초당 2포인트에서 데이터를 수집한 다음 120s에 대한 실험을 실행합니다. 과산화물이 산소 가스와 물을 분해할 때 거품이 표시되어야 합니다.

반응 기간이 끝나면 압력을 방출하고 과산화수소 용액을 폐기하십시오. 튜브를 헹구고 다음 과산화수소 용액으로 튜브를 채웁니다. 모든 솔루션에 대한 가스 압력 측정을 반복합니다.

각 솔루션에 대한 압력 대 시간 데이터를 플롯합니다. 진화된 산소의 압력은 이상적인 가스 법에 따라 형성된 산소의 두더지에 직접 비례합니다. 화학 반응에 따라 형성된 산소의 두더지가 분해된 과산화수소의 두더지 계산에 사용될 수 있다. 첫째, 과산화수소의 농도가 실험의 짧은 기간 동안 크게 변하지 않았다고 가정한다. 따라서 플롯된 데이터는 운동 실험의 초기 영역만 을 나타냅니다.

선형 회귀를 사용하여 각 데이터 집합의 경사를 결정합니다. 경사는 초당 산소의 압력 단위에서 초기 반응 속도와 동일합니다.

다음으로, 초기 반응 속도대 초기 과산화수소 농도의 자연 로그의 자연 로그의 플롯. 경사는 반응 순서, m과 같으며 거의 하나와 같습니다. 따라서 반응은 첫 번째 순서입니다.

각 시험의 비율은 초당 Torr의 압력 단위에 있습니다. 속도 상수를 결정하려면 먼저 속도를 초당 대기 단위로 변환합니다. 기포가 수성 용액에서 진화했기 때문에 각 시험마다 시스템 압력에서 물의 증기 압력을 뺍니다. 새로운 속도는 산소 진화로 인한 압력을 반영합니다.

이상적인 가스 법을 적용하여 각 재판에 대해 대기의 속도에서 se 당 두더지로 변환합니다. 생성된 산소의 두더지의 2배는 과산화수소의 두더지와 동일하며, 화학 반응에 따라 분해된다. 그런 다음 반응 볼륨을 사용하여 속도의 단위를 초당 어금니로 변환합니다.

초기 농도로 1회 당 어금니의 비율을 나누어 각 시험의 요율 상수를 결정한다. 이 실험에서, 평균 속도 상수, k는, s당 약 1.48 x 10-4이다. 반응은 자연 로그에서 알려진 첫 번째 순서입니다 - 이전에 표시된 자연 로그 플롯. 따라서, 요금법은 도시된 바와 같이 작성될 수 있다.

이제 화학 반응에 대한 속도 법을 결정하는 방법을 살펴 보았기 때문에이 개념이 적용되는 몇 가지 영역을 살펴 볼 수 있습니다.

화학 반응은 광범위한 과학적 응용 분야에서 사용되는 화합물과 물질의 합성에 사용됩니다. 반응의 진행상황을 제어하기 위해서는 이러한 합성 단계의 반응 속도를 이해하는 것이 중요하다.

예를 들어, 카드뮴 셀레니드 나노 결정 및 나노로드의 합성은 일련의 화학 반응을 통해 진행됩니다. 각 반응은 자체 이산 반응 속도를 가지며, 따라서 합성 단계는 반응의 지식 속도에 따라 신중하게 제어됩니다. 일부 느리고 매우 빠른.

반응 속도 법은 또한 방사성 부패를 기술하고 방사성 물질의 반감기를 결정하는 데 사용될 수 있습니다. 반감기는 재료의 농도가 초기 농도의 절반으로 떨어지는 데 필요한 시간의 양을 말한다.

방사능은 방사성 물질이 안전한 수준으로 부패하는 데 필요한 시간을 매우 잘 특성화할 수 있음을 의미하며, 방사성 물질과 방사성 폐기물의 적절한 수송 및 저장을 가능하게 한다는 것을 의미합니다.

방사성 물질과 마찬가지로 약물은 반감기를 가지며 신체에서 저하됩니다. 예를 들어, 일부 약물은 높은 속도 상수를 가지고, 그들은 빨리 저하 의미, 자주 촬영해야합니다. 이 저하 속도에 대한 지식은 적절한 복용량, 사용 및 전달 방법의 결정을 가능하게합니다.

당신은 단지 반응 비율에 JoVE의 소개를 보았다. 당신은 지금 화학 반응의 다른 순서를 이해해야한다, 그들은 화학 반응 속도와 관련이있는 방법, 실험실에서 주어진 화학 반응에 대한 속도 법을 결정하는 방법.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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산소 진화 데이터 및 초기 속도

Figure 2
그림 1. 일정한 온도에서 각 시험의 압력 대 시간 데이터. 경사는 반응의 즉각적인 속도와 동일합니다.

반응 순서

  1. 경사가 있는 5개의 시험 및 그래프에 대한 데이터는아래(표 2, 그림 2)에표로 표시됩니다. 0.9353 ≈ 1의 기울기는 반응 순서의 정수 값입니다.

Table 3
표 2. 5 H2O2 시험의 결과.

Figure 1
그림 2. 농도 대 속도의 자연 로그 플롯. 경사는 반응 순서와 동일합니다.

속도 상수, k

  1. 294K(운동학 실험의 온도) 18.7토르에서 물의 수증기 압력을 먼저 빼서 이상적인 가스 법을 사용하여 몰O2/s의 속도를 계산합니다.
  2. [H 2 O2]/s의초기 농도로 속도를 상수로 계산 [ H2O2]0.

Table 4
표 3. 속도 상수의 계산, k.

  1. 평균 속도 상수, 2.25 x 10-4 s-1은 단위에 따라 반응이 첫 번째 순서임을 나타냅니다. 요금법은 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다: 속도 = 2.25 x 10-4 s-1[H2O2]0

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Applications and Summary

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속도 법 변수를 수학적으로 관련시킬 수 있지만 메서드는 실제로 매우 간단합니다. 제품의 반응제 나 외관의 실종을 측정할 수 있는 한, 속도 플롯을 사용하여 일정한 비율을 계산할 수 있습니다. 이 방법의 확장은 반응의 활성화 에너지를 결정하는 데 자주 사용된다,Ea,속도를 측정하고 다양한 온도에서 일정 속도를 계산하여. 이 방법은 Arrhenius 방정식, k = Ae(-Ea / RT)를사용하는 것을 포함한다. 반응 순서를 포함한 속도 법칙을 반응의 활성화 에너지와 결합하면 반응이 얼마나 빨리(또는 느리게) 진행되는지에 대한 완전한 운동 프로파일을 제공하고 온도 및 농도와 같은 요인이 그 반응에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지에 대한 실제 정보를 제공합니다.

화학 역학은 제약, 원자력 안전, 환경 교정 및 자외선 차단제와 같은 다양한 산업 및 분야에서 응용 분야를 찾습니다. 예를 들어, 특정 약물은 매우 큰 속도 상수를 가질 수 있습니다., 그것은 신체에서 매우 신속 하 게 부패 의미. 이는 사용, 도징 및 배달 방법에 영향을 줍니다. 핵과학과 관련하여 방사능은 1차 역학을 따르며, 이는 핵물질이 안전한 수준으로 부패하는 데 필요한 시간이 매우 잘 특징이라는 것을 의미합니다. 측정은 여기에 제시된 방법과 매우 유사하며 많은 환경 오염 물질의 붕괴에도 적용될 수 있습니다. 마찬가지로, 자외선 차단제는 또한 알려진 운동 프로파일로 부패하여 제조업체가 안전한 수준을 유지하기 위해 자외선 차단제를 얼마나 빨리 적용해야 하는지 소비자에게 알릴 수 있습니다.

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References

  1. Method adapted from Vetter, T. A., Colombo, D. P. Jr. Kinetics of Platinum-Catalyzed Decomposition of Hydrogen Peroxide, J. Chem. Ed. 80 (7), 788-798 (2003).
  2. David R. Lide, ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: CRC Press (2005).

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