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Determinación de leyes de velocidad y el orden de reacción
 

Determinación de leyes de velocidad y el orden de reacción

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Todas las reacciones químicas tienen una velocidad específica, que define cómo convierten los reactivos en productos.

Las reacciones químicas son gobernadas por dos factores: la cinética y termodinámica. Factores termodinámicos responsables de una reacción se producirá o no, y si absorbe o emite energía durante el proceso.

Cinética se refiere a la velocidad de una reacción química, y a qué velocidad el sistema alcanza el equilibrio. La cinética de una reacción es descrita por la ley de tipo cinético, que define la tasa basada en una constante de velocidad de reacción, la concentración de los componentes y el orden de la reacción.

Este video presenta cinética de la reacción utilizando la ecuación de la ley de tasa y demostrará cómo determinar la ley de velocidad para una cierta reacción en el laboratorio.

Para una reacción general, la velocidad de reacción es igual a la constante de velocidad de veces las concentraciones de los reactivos, cada uno elevado a un orden de reacción. La velocidad constante, k, se fija de una reacción a una temperatura determinada.

Las órdenes de reacción son independientes de los coeficientes estequiométricos. En cambio son dependientes en el mecanismo de reacción e ilustran cómo el ritmo se relaciona con la concentración de reactivos. Por ejemplo, si se ha modificado la velocidad de reacción cuando la concentración de "A" dobles, entonces la reacción no depende de la concentración y el orden es cero.

Si la tasa se duplica cuando se duplica la concentración de reactivo "A", entonces la reacción es el primer orden con respecto a "a". El mismo comportamiento vale para reactivo "B". El orden total de reacción es la suma de los órdenes de reacción individuales para cada reactivo.

Durante una reacción, la concentración de reactantes cambia con el tiempo. Tenga en cuenta que el básico ecuación no incluyen el tiempo como una variable y sólo se pueden relacionar velocidad y concentración en un punto de tiempo específico. Sin embargo, la tasa de cambios como producto de la reacción y se agotan los reactivos. Aplicando una ley diferencial de velocidad puede relacionar el cambio en la concentración a tiempo.

La ley de velocidad para una reacción se debe determinar experimentalmente, donde una reacción química es controlada cuidadosamente en una constante temperatura y la concentración de los reactantes o productos medición en intervalos de tiempo específicos. Puesto que las mediciones se hacen en puntos de tiempo discreto, la ley diferencial de velocidad es difícil correlacionar los datos experimentales.

Integrar los resultados de la ley de tasa diferencial en una ecuación más simple, llamado la ley de tarifa integrada. La ley de velocidad integrado compara las concentraciones de reactivo en el inicio de la reacción y en un tiempo especificado.

La ecuación de velocidad integrada ley varía según el orden de la reacción. Estas ecuaciones pueden tomar la forma lineal y = mx + b. Por lo tanto, una parcela de tiempo de concentración vs produce una trama lineal de una ecuación de orden cero, una parcela de la logaritmo natural del tiempo de concentración vs produce una trama lineal de una ecuación de primer orden y así sucesivamente. Ajustando los datos experimentales a estas ecuaciones, el orden de una reacción puede determinarse fácilmente. La velocidad constante, k, puede entonces ser determinado mediante la pendiente de la línea. Finalmente, las unidades de k dependen de la orden de la reacción. Cero reacción de la orden, las unidades son moles por litro por segundo, para una reacción de primer orden, las unidades son segundos inversos y para una segunda reacción de orden las unidades litros por mol por segundo.

Ahora que se han explicado los fundamentos de las leyes de la cinética de la velocidad, permite echar un vistazo a cómo determinar experimentalmente la ley de velocidad para la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.

En este experimento, se explora la descomposición catalítica del peróxido de hidrógeno sobre un catalizador de platino.

En primer lugar, prepare 5 diluciones de peróxido de hidrógeno, como se muestra en la tabla. En este caso, rango de concentraciones de 0.882 – 0,176 M, utilizando una solución stock de 0,882 M o 3%. Que las soluciones se equilibren a temperatura ambiente.

A continuación, preparar el recipiente de la reacción utilizando un tubo de ensayo. En primer lugar determinar el volumen llenando un tubo de ensayo grande en la parte superior con agua. Luego, inserte un tapón de goma 1 orificio hasta que quede apretado y agua empuja fuera del agujero por la parte superior.

Quite el tapón y vierta el agua en una probeta graduada para medir el volumen exacto. Este es el volumen de la vasija de reacción.

A continuación, verter 50 mL de la primera solución de peróxido de hidrógeno en el tubo de ensayo y luego coloque el tubo en el baño de agua de 25 ° C. Una vez equilibrado, añadir un disco de platino recubierto reacción y sella el sistema con un tapón conectado a un sensor de presión de gas.

Puesto que uno de los productos es el gas de oxígeno, el aumento de la presión en el sistema se utiliza para medir el aumento de oxígeno. Configurar el sensor de presión para adquirir datos en 2 puntos por s, y luego ejecute que el experimento de burbujas s. 120 debe verse como el peróxido se descompone en agua y oxígeno gas.

Cuando el período de reacción, libere la presión y disponer de la solución de peróxido. Enjuagar el tubo, luego llenar el tubo con la siguiente solución de peróxido de hidrógeno. Repita la medición de presión de gas para todas las soluciones.

Parcela la presión versus tiempo datos para cada solución. La presión de oxígeno desarrollada es directamente proporcional a los moles de oxígeno formado según la ley del gas ideal. Después de la reacción química, los moles de oxígeno formado pueden utilizarse para calcular los moles de peróxido de hidrógeno descompuesto. En primer lugar, asumir que la concentración de peróxido de hidrógeno no cambia significativamente durante la corta duración del experimento. Así, los datos trazados representan solamente la región inicial del experimento de cinética.

Determinar la pendiente de cada conjunto de datos mediante una regresión lineal. La pendiente es igual a la velocidad de reacción inicial en unidades de presión de oxígeno por segundo.

A continuación, parcela el logaritmo natural de la tasa de reacción inicial vs el logaritmo natural de la concentración inicial de peróxido. La pendiente es igual a la orden de la reacción, m y es aproximadamente igual a uno. Por lo tanto, la reacción es de primer orden.

La tasa para cada ensayo es en unidades de presión en Torr, por segundo. Para determinar la constante de velocidad, primero convertir la tasa en unidades de atmósferas por segundo. Porque las burbujas evolucionaron en la solución acuosa, restar la presión de vapor de agua de la presión del sistema para cada ensayo. La nueva tasa de entonces sólo refleja la presión debido a la evolución de oxígeno.

Aplicación de la ley de gas ideal para convertir la tasa de ambientes propiamente a moles por s para cada ensayo. Dos veces los moles de oxígeno producido son iguales a los moles de peróxido de hidrógeno descompuesto, según la estequiometría de la reacción química. A continuación, utilice el volumen de reacción para convertir las unidades de la tasa a la molaridad por segundo.

Determinar las constantes de velocidad para cada ensayo dividiendo la tasa en molaridad por s la concentración inicial. En este experimento, la tasa promedio constante, k, es aproximadamente 1.48 x 10-4 por s. La reacción es de primer orden, conocido desde el registro natural - parcela de logaritmo natural mostrada anteriormente. Por lo tanto, la ley de velocidad puede escribirse como se muestra.

Ahora que has visto cómo determinar la ley de velocidad para una reacción química, Veamos algunas áreas donde se aplica este concepto.

Las reacciones químicas se utilizan en la síntesis de compuestos y materiales utilizados en una amplia gama de aplicaciones científicas. Es importante entender la velocidad de reacción en estos pasos de síntesis, con el fin de controlar el progreso de una reacción.

Por ejemplo, la síntesis de nanocristales de seleniuro de cadmio y nanobarras procede a través de una serie de reacciones químicas. Cada reacción tiene su propia tarifa de la reacción discreta, y por lo tanto paso de síntesis es controlado cuidadosamente basado en la velocidad de conocimiento de la reacción; algunos lentos y algunos muy rápido.

La ley de velocidad de reacción también puede ser utilizada para describir el decaimiento radiactivo y determinar la vida media del material radioactivo. Half-Life se refiere a la cantidad de tiempo requerido para la concentración de un material caiga a la mitad de su concentración inicial.

Radiactividad sigue la cinética de primer orden, lo que significa que el tiempo necesario para que el material radiactivo a la descomposición de una caja fuerte nivel puede ser muy bien caracterizado, lo que permite el adecuado transporte y almacenamiento de residuos radiactivos y material radiactivo.

Similar a materiales radioactivos, drogas también tienen una vida media y se degradan en el cuerpo. Por ejemplo, algunos medicamentos tienen constantes de alta tasa, lo que significa que se degradan rápidamente y se debe con frecuencia. Conocimiento de este tipo de degradación permite determinar el método apropiado de la dosis, el uso y entrega.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a velocidades de reacción. Ahora debería entender las órdenes diferentes de reacciones químicas, cómo se relacionan las tasas de reacción química y cómo determinar la ley de velocidad para una reacción química determinada en el laboratorio.

¡Gracias por ver!

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