background image

1

KINETYKA CHEMICZNA

Kinetyka chemiczna jest to dział chemii fizycznej zajmuj

ą

cy si

ę

 badaniem 

szybko

ś

ci reakcji chemicznej

Znajomo

ść

 szybko

ś

ci reakcji chemicznej pozwala na:

Okre

ś

lenie, jak szybko zu

ż

ywane s

ą

 produkty reakcji chemicznej ulegaj

ą

przemianie w substraty
Okre

ś

leniem w jaki sposób mo

ż

emy wpływa

ć

 na szybko

ść

 reakcji 

chemicznych przy pomocy ró

ż

nych czynników takich jak: 

temperatura
ci

ś

nienie

st

ęż

enie reagentów

obecno

ść

 katalizatorów

Okre

ś

lenie jak szybko osi

ą

gany jest stan równowagi reakcji w danej 

mieszaninie reakcyjnej, co ma du

ż

e znaczenie praktyczne.

Badania nad szybko

ś

ci

ą

 reakcji chemicznej pozwalaj

ą

 w wielu wypadkach 

na zrozumienie mechanizmu reakcji chemicznej – tzn. poznanie 
elementarnych etapów reakcji. 

Szybko

ść

 reakcji chemicznej.

Szybko

ść

 reakcji chemicznej - zmiana st

ęż

enia okre

ś

lonego 

reagenta w czasie. Je

ś

li rozwa

ż

anym reagentem jest produkt reakcji 

to  szybko

ść

 reakcji mo

ż

na okre

ś

li

ć

 jako 

dt

dc

v

=

gdzie – st

ęż

enie produktu

Je

ś

li natomiast rozwa

ż

anym reagentem jest substrat, to:

dt

da

v

=

a- st

ęż

enie wybranego substratu

Badanie zmian st

ęż

enia poszczególnych 

reagentów reakcji

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0

1

2

3

4

5

6

c za s

ż

e

n

ie

 [

m

o

l/

d

m

3

]

N2

H2

NH3

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0

1

2

3

4

5

6

c za s

st

ę

ż

e

n

ie

 [

m

o

l/

d

m

3

]

C

O2

CO2

aA+bB↔cC+dD
2N

2

+ 3H

2

↔4NH

3

A+B↔C+D
C+O

2

↔CO

2

algebraiczne współczynniki stechiometryczne 

ξ

i, które s

ą

 równe co do warto

ś

ci 

bezwzgl

ę

dnej współczynnikom stechiometrycznym reakcji, dla produktów 

przyjmuj

ą

 warto

ś

ci dodatnie a dla substratów ujemne 

dt

dc

v

i

i

ξ

=

background image

2

Równanie kinetyczne reakcji

równanie kinetyczne reakcji - zale

ż

no

ść

 pomi

ę

dzy szybko

ś

ci

ą

 reakcji 

chemicznej a st

ęż

eniem reaguj

ą

cych substratów 

v = k c

1

n

c

2

m

nosi nazw

ę

 stałej szybko

ś

ci reakcji

Stała szybko

ś

ci reakcji jest to szybko

ść

 reakcji, je

ś

li st

ęż

enie reagentów jest 

równe jedno

ś

ci

Zmiana st

ęż

enia reagentów a k reakcji

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0

2

4

6

8

c za s

s

ż

e

n

ie

  

s

u

b

s

tr

a

tu

(w

 u

ła

m

k

a

c

h

 m

o

lo

w

y

c

h

)

k

1

>

k

2

>

k

3

Równania kinetyczne reakcji s

ą

 znajdowane na drodze do

ś

wiadczalnej –

nie na podstawie równania stechiometrycznego reakcji.

Co mo

ż

na okre

ś

li

ć

 na podstawie równania 

kinetycznego reakcji?

• jaka b

ę

dzie szybko

ść

 reakcji zachodz

ą

cej w 

mieszaninie reakcyjnej o okre

ś

lonym składzie

• okre

ś

li

ć

 st

ęż

enie produktów i substratów w 

dowolnej chwili trwania procesu

• posta

ć

 równania kinetycznego reakcji daje nam 

wa

ż

ne wskazówki co do mechanizmu badanej 

reakcji.

background image

3

Rz

ę

dowo

ść

 i cz

ą

steczkowo

ść

 reakcji

Cz

ą

steczkowo

ść

 reakcji - ilo

ść

 cz

ą

steczek bior

ą

cych udział w 

elementarnym akcie reakcji.

Reakcja jednocz

ą

steczkowa (monomolekularna) – nast

ę

puje rozpad 

pojedynczej cz

ą

steczki na fragmenty, lub nast

ę

puje przegrupowanie 

tworz

ą

cych cz

ą

steczk

ę

 atomów (reakcje dysocjacji termicznej, rozpadu 

promieniotwórczego, izomeryzacj)i. 

Reakcja dwucz

ą

steczkowa (bimolekularna) – nast

ę

puje ł

ą

czenie si

ę

 

dwóch cz

ą

steczek

Zderzenie wi

ę

cej ni

ż

 trzech cz

ą

steczek praktycznie rzecz bior

ą

c jest 

niemo

ż

liwe, dlatego te

ż

 dotychczas znane reakcje s

ą

 najwy

ż

ej 

trójcz

ą

steczkowe

reakcje

H

2

+ J

2          

2HJ

H

2

+ Br

2HBr

Br

2Br

+

Br

+ H

2

HBr + H

+           

+

H

+ Br

HBr + Br

+                

2N

2

O

5(g) 

4NO

2(g) 

+ O

2(g)

v= k[N

2

O

5

]

NO

2

+CO 

NO + CO

2

v= k[NO

2

]

2

S

2

O

8

-2

+ 3J

-

2SO

4

+ J

3

-

v= k[S

2

O

-2

][J

-

]

rz

ę

dowo

ść

 reakcji

Rz

ą

d reakcji

Zwi

ą

zany jest z charakterem zmian st

ęż

enia substratów w czasie. 

Mo

ż

na rozpatrywa

ć

Rz

ą

d cz

ą

stkowy  reakcji ze wzgl

ę

du na wybrany reagent (cz

ą

stkowy rz

ą

reakcji
Ze wzgl

ę

du na wszystkie reagenty – (całkowity rz

ą

d reakcji)

Cz

ą

stkowy rz

ą

d reakcji ze wzgl

ę

du na wybrany reagent jest to wykładnik 

pot

ę

gi, w której wyst

ę

puje dany reagent w równaniu kinetycznym reakcji.

Całkowity rz

ą

d reakcji jest to suma rz

ę

dów wszystkich poszczególnych 

reagentów – suma wykładników pot

ę

g wyst

ę

puj

ą

cych przy st

ęż

eniach 

reagentów w równaniu kinetycznym reakcji. 

background image

4

Całkowa posta

ć

 równania kinetycznego

na jej podstawie mo

ż

emy okre

ś

li

ć

 st

ęż

enie reagentów w dowolnym czasie 

trwania reakcji. 
Posta

ć

 całkow

ą

 równania kinetycznego reakcji otrzymujemy poprzez

poł

ą

czenie równania na szybko

ść

 reakcji z równaniem kinetycznym

oraz v = kc

1

n

c

2

m

....                   

dt

dc

v

=

...

2

1

m

n

c

kc

dt

dc

=

c = c

o

- kt

Dla reakcji 0 rz

ę

du

Równanie kinetyczne reakcji I rz

ę

du

kc

dt

dc

=

lnc – ln c

0

= - kt

lnc = -kt + lnc

0

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0

1

2

3

4

5

6

t

ln

c

c 1

c 2

Reakcja rozpadu na rodniki etanu

C-

2

H

6

2CH

3

Reakcja izomeryzacji cyklopropanu

Cyklopropan 

propen

Reakcja rozpadu pi

ę

ciotlenku diazotu

2N

2

O

5

4 NO

2

+ O

2

Dla reakcji II rz

ę

du,

przy za

ł

o

ż

eniu, 

ż

e st

ęż

enia pocz

ą

tkowe substratów s

ą

równe (c

1

= c

2

= c), 

otrzymamy zale

ż

no

ść

2

kc

dt

dc

=

kt

c

c

=

0

1

1

0

1

1

c

kt

c

+

=

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0

2

4

6

8

c z a s

1

/c

c 1=1

c 2=2

Syntezy jodowodoru

H

2

+J

2

2HJ

Deuteru z HCl

D

2

+ HCl

DH + DCl

Powstawania cz

ą

steczki jodu

2J

J

2

background image

5

Dla reakcji III rz

ę

du

przy za

ł

o

ż

eniu, 

ż

e st

ęż

enia pocz

ą

tkowe substratów s

ą

równe (c

1

= c

2

= c

3

= c), 

otrzymamy zale

ż

no

ść

kt

c

c

=

2

0

2

2

1

2

1

2

0

2

1

2

1

c

kt

c

+

=

Dla równania n- tego rz

ę

du, przy za

ł

o

ż

eniu, 

ż

e pocz

ą

tkowe st

ęż

enia reagentów 

s

ą

takie same (c

1

=c

2

=...=c

n

) otrzymujemy

:

n

kc

dt

dc

=

(

)

(

)

1

0

1

1

1

1

1

+

=

n

n

c

n

kt

c

n

Wyznaczanie rz

ę

du reakcji chemicznej

1. z  ca

ł

kowej  postaci  równania  kinetycznego  reakcji 

(metoda podstawiania do wzoru)

2. metoda izolacyjna Ostwalda

3. metoda  szybko

ś

ci  pocz

ą

tkowej- metoda  ró

ż

niczkowa 

van’t Hoffa

4. metoda ca

ł

kowa

5. metoda badania czasu po

ł

owicznego zaniku

1. metoda podstawiania do wzoru

Prostoliniowe zale

ż

no

ś

ci zmiany st

ęż

enia substratu w czasie dla reakcji o 

ż

nej rz

ę

dowo

ś

ci, przy za

ł

o

ż

eniu, 

ż

e pocz

ą

tkowe st

ęż

enia substratów s

ą

sobie 

równe

Rząd 
reakcji 

Równanie 
kinetyczne 

Prostoliniowa zależność 

Interpretacja geometryczna 
(zależność prostoliniowa) 

v = -kc 

lnc = -kt + lnc

0

 

lnc = f (t) 

 
II 

 
v = -kc

  

0

1

1

c

kt

c

+

=

 

( )

t

f

c

=

1

 

 
III 

 
v = -kc

2

0

2

1

2

1

c

kt

c

+

=

 

( )

t

f

c

=

2

1

 

 
n-ty 

 
v = -kc

( )

( )

1

0

1

1

1

1

1

+

=

n

n

c

n

kt

c

n

 

( )

( )

t

f

c

n

n

=

1

1

1

 

 

background image

6

2

. Metoda izolacyjna Ostwalda

W metodzie izolacyjnej Ostwalda, reakcj

ę

 przeprowadza si

ę

 przy znacznym 

nadmiarze wszystkich, poza jednym substratem.

Je

ś

li równanie kinetyczne danej reakcji ma posta

ć

:

v = kc

1

n

c

2

m

c

3

p

....

v = k’c

1

n

gdzie k’ = kc

2

m

c

3

p

...

3

. Metoda szybko

ś

ci pocz

ą

tkowej 

(ró

ż

niczkowa van’t Hoffa)

W metodzie tej mierzy si

ę

 chwilow

ą

 szybko

ść

 reakcji na pocz

ą

tku jej 

przebiegu, powtarzaj

ą

c pomiary dla kilku ró

ż

nych st

ęż

e

ń

 pocz

ą

tkowych 

wybranego substratu.

v

0

= k’c

Ao

n

Logarytmuj

ą

c to równanie otrzymujemy:

log v

0

= log k’ + n log c

Ao

Metoda szybko

ś

ci pocz

ą

tkowej-cd.

n=0

n=1

n=2

n=3

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

0

10

20

30

40

lo g  c

Ao

lo

g

 v

o

log v

0

= log k’ + n log c

Ao

2

1

2

1

log

log

ao

ao

c

c

v

v

n

=

Je

ż

eli pomiary wykonujemy jedynie 

dla dwóch st

ęż

e

ń

 pocz

ą

tkowych 

(metoda mało dokładna), to n mo

ż

na 

wyrazi

ć

 za pomoc

ą

 wzoru:

background image

7

5. 

Metoda całkowa Ostwalda-Zawidzkiego.

W tym celu sporz

ą

dzamy wykres zale

ż

no

ś

ci liczby post

ę

pu reakcji x' od czasu 

t [s]

W metodzie tej wykorzystuje si

ę

 pomiar czasu, w którym przereaguje 

okre

ś

lony ułamek substratu.

Liczba   post

ę

pu   reakcji x'  jest   to   stosunek    st

ęż

enia   przereagowanego 

substratu do jego st

ęż

enia pocz

ą

tkowego (c

o

).

o

c

x

x

=

'

)

/

log(

)

/

log(

1

01

02

2

1

c

c

t

t

n

+

=

Sporz

ą

dzamy wykres x'=f(t) dla co najmniej dwu ró

ż

nych st

ęż

e

ń

 

pocz

ą

tkowych danego substratu odczytujemy warto

ść

 t

1

i t

2

dla dowolnej 

warto

ś

ci liczby post

ę

pu reakcji  i wstawiamy je do równania okre

ś

laj

ą

cego 

rz

ą

d reakcji:

gdzie c

01

, c

02

- st

ęż

enie pocz

ą

tkowe substratu dla 1 i 2 serii pomiarowej

t

1

,  t

2

- czas dla danej liczby post

ę

pu reakcji dla serii pomiarowej 1 i 2.

x’

t

c

o1

c

o2

t

1                      

t

2

5 Metoda badania czasu połowicznego zaniku.

Czas połowicznego zaniku jest to czas, po którym st

ęż

enie substratów reakcji 

zmniejszy si

ę

 do połowy pocz

ą

tkowej warto

ś

ci 

Równania czasu połowicznego zaniku dla reakcji ró

ż

nego rz

ę

du , przy 

załp

ż

eniu, 

ż

e c

1

=c

2

=….=c

n

=c

V=kc

n

n

ττττ

= 3/(2kc

o

2

)

v = kc

3

III

ττττ

= 1/(kc

o

)

v = kc

2

II

ττττ

= ln2/k

v = kc

I

ττττ

= c

0

/2k

v = k

0

Wyrażenie  na  czas 
połowicznej 
przemiany

Równanie 
kinetyczne

Rząd 
reakcji

1

0

2

/

1

=

n

bkc

a

τ