HEMIJSKA KINETIKA

- bavi se izučavanjem brzine hemijske reakcije, odnosno,daje odgovor na pitanje: koliko brzo se reakcija odvija.

- osim toga, hemijska kinetika proučava kako se dešavajuhemijske reakcije, odnosno kako u hemijskim procesimanastaju nove hemijske vrste - novi molekuli. To znači da sebavi proučavanjem mehanizma hemijske reakcije -saznavanjem svih koraka koji se dogode tokom promenereaktanata ka produktima.

- zajedno sa izučavanjem ravnoteže i termodinamičkihaspekata, ona dakle daje potpuni uvid u odvijanje hemijskepromene.

• Ni jedna hemijska reakcija se ne dešava trenutno.Hemijske reakcije odvijaju se različitim brzinama.

• 2 A B

• Postavlja se pitanje koje je vreme potrebno zaodigravanje ove, ili neke druge hemijske reakcije.Takodje, postavlja se pitanje mehanizma odigravanjaove hemijske reakcije.

H2(g) + ½ O2 H2O (l) vrlo spora

N2O(g) N2 (g) + ½ O2 (g) spora

Proces sagorevanja brza reakcija

TNT eksplozija vrlo brza reakcija

Razgradnja hrane ?

Razlaganje lekova?

• Najbrži procesi• Prenos elektrona

5x10-16 s • Prenos H atoma 5x10-14 s• Prenosi drugih atoma izmedju molekula 5x10-13 s• DNK sinteza 104 s

Najsporija poznata reakcija je prelaz L D aspartamsku

kiselinu 109 s

• Hemijska kinetika ispituje takodje i od čega zavisi brzina hemijske reakcije

stanja u kojima se nalaze reaktanti,koncentracije reaktanata,katalizatora,površine reagujućih vrsta,temperature.

Brzina je promena neke promenljive vrednosti u vremenu.

vx x

t t

x

t

2 1

2 1

Brzina hemijske reakcije je promena koncentracije neke odreagujućih vrsta (reaktanta ili produkta) u jedinici vremena.

Razlikujemo početnu, srednju i trenutnu brzinu reakcije.

A B

• Kako reakcija teče koncentracija reaktanta A opada .

• Brzina reakcije se definiše kao promena koncentracije sa vremenom:

t

B

t

Avbrzina

koncentracija

produkt

vreme

konc

reaktant

Brzina reakcije zavisi od koncentracije reaktanata

vreme

Reaktantbrzina

vreme

produktbrzina

][

][

Brzina reakcije se može izraziti ili kao promena koncentracije reaktanata sa vremenom, ili kao promena koncentracije produkata sa

vremenom.

t

B

t

Avbrzina

A B

Znak minus ispred izraza za brzinu označava da se reaktantitroše u reakciji.

C2H4(g) + O3(g) C2H4O(g) + O2(g)

vC H

t

O

t

C H O

t

O

t

2 4 3 2 4 2

Trenutna brzina predstavlja nagib tangenteu konkretnoj tački na krivoj concentracijekao funkcije vremena.

vdc

dt

0 10 20 30 40 50 60

1.0x10-5

1.5x10-5

2.0x10-5

2.5x10-5

3.0x10-5

3.5x10-5

d

ca

b

concentr

acija

, mol/l

vreme, s

Srednja brzina reakcije je količnik ukupne promene koncentracije sa ukupnim

intervalom promene vremena:

vc

tsrednje

Koncentracija reaktanata se, kao rezultat hemijskogreagovanja, smanjuje. Koncentracija reaktanata, nasuprottome raste.

Ni koncentracija ni brzina hemijske reakcije nisukonstantne tokom hemijske reakcije.

Nagib tangente daje TRENUTNU BRZINU reakcije u datom trenutku, dc/dt

Prosečna brzinaC/ t

c

H2 + I2 2HI

2 N2O5(g) -----> 4 NO2 (g) + O2 (g)

Trenutna brzina

Prosečnabrzina

Brzina reakcije

Br2 (aq) + HCOOH (aq) 2 Br - (aq) + 2 H+ (aq) + CO2 (g)

Prosečna brzina ove reakicje je:

initialfinal

initial2final22

tt

]Br[]Br[

t

]Br[ v

dt

]Brd[ 2

Trenutna brzina

c1>c2>c3

v3

v1>v2>v3

v2

v1

Brzina reakcije opada sa vremenom

Pojam brzine i reda hemijske reakcije uveli su Guldberg iWaage (oko 1865) svojim zakonom o dejstvu masa):brzina hemijske reakcije proporcionalna je aktivnimmasama (koncentracijama reagujućih supstanci). Danas,ovaj iskaz glasi:

v k A B2

Za: H2(g) + I2(g) 2HI (g)

vH

t

I

t

HI

t

2 21

2

Primer 1.

O3(g) + NO(g) NO2(g) + O2(g)

Brzina reakcije i stehiometrija

Primer 2.

2 NOCl (g) 2 NO + 1 Cl2 (g)

tttBrzina 2Cl

1

1NO

2

1NOCl

2

1-

U reakciji nestaje 2 mola NOCl dok se 1 mol Cl2 formira

t

]O[+ =

t

]NO[+ =

t

[NO]- =

t

O- = Brzina 223

a A + b B c C + d D

Opšti slučaj:

ttttBrzina

D

d

1C

c

1B

b

1A

a

1-

a,b, c i d su stehimetrijski koeficijenti u hemijskoj jednačini!

Brzina trošenja reaktanata jednaka je brzini nastajanja produkata.

Prosečne brzine su:

Trenutne brzine su:

Možemo izraziti matematički kao

Odnose brzina možemo izraziti

matematički kao

Brzina trošenja azot pentoksida će

biti::

Za reakciju: aA + bB cC + dD;izrazi za brzinu glase:

va

A

t b

B

t c

C

t d

D

t

1 1 1 1

va

d A

d t b

d B

d t c

d C

d t d

d D

d t

1 1 1 1

U integralnom obliku, izraz za brzinu reakcije nestajanjareaktanata A i B glasi:

Konstanta koja se pojavljuje u jednačini poznata je kao konstantabrzine ili specifična brzina reakcije. Sledeći bitan kinetičkiparametar je red hemijske reakcije, koji predstavlja zbireksponenata nad koncentracijama u izrazu za brzinu hemijskereakcije.

v k A B

Brzina hemijske reakcije i konstanta brzine hemijske reakcije mere se

primenom raznih tehnika:

-spektrofotometrijske metode -konduktometrijske metode -manometarske metode -direktne metode

Izbor tehnike zavisi od brzine hemijske reakcije

A = a b c

BRZINA HEMIJSKOG PROCESA se izražava jednačinom,koja se često označava i kao zakon brzine hemijskogprocesa, tako da se u slučaju reakcije koju možemoprikazati sledećom stehiometrijskom jednačinom:

a A + b B c C + d D

brzina prikazuje kao funkcija koncentracije reagujućih vrsta

Brzina = v = k[A]a[B]b

– Brzina je proporcionalna trenutnoj koncentraciji reaktanata

– k: konstanta brzine

– a, b: n=a+b ukupni red reakcije, a red reakcije u odnosu na reaktant A a b red reakcije u odnosu na reaktant B

Fizički smisao konstante k je da je to specifična brzina,što znači, brzina reakcije kada su koncentracijereagujućih vrsta jednake 1

v = k[1]a[1]b

• Eksponenti a, b i n = a + b koji predstavljaju red reakcije mogu se odrediti eksperimentalno.

• U slučaju da je a = 1 i b = 1 n=2ukupni red reakcije jednak 2, a reakcija je drugog reda.

• Kada je a = 0; b = 1 n = 1, ukupni red reakcije je 1 pa je reakcija

prvog reda

• 2NO2 + F2 2NO2F

• Brzina=v = k[NO2]1[F2]

1

– Prvi red u odnosu na NO2

– Prvi red u odnosu na F2

– Ukupni red reakcije je jednak 2, reakcija je drugog reda

Šta će se desiti ako se koncentracija NO2 poveća dva puta?

• Brzina = v = k[NO2]1[F2]

1

• 2Brzina = k(2[NO2])1[F2]

1

Šta će se desiti ako se koncentracija NO2 poveća dva puta, i koncentracija F2 dva puta?

• brzina = k[NO2]1[F2]

1

• 4brzina = k(2[NO2])

1(2[F2])1

Brzina se povećava dva puta

Brzina se povećava četiri puta

• Izraz za brzinu reakcije daje informacijukako se koncentracija i brzina menjaju tokomvremena, odnosno:

• Koliko je reaktanta preostalo, a koliko seprodukata nagradilo nakon odredjenogvremena.

Reakcije mogu imati različit red, ako je red reakcije: n=0 reakcija je nultog redan=1 reakcija je prvog redan=2 reakcija je drugog redan=3 reakcija je trećeg reda

Medjutim, reakcije mogu imati i red koji nije ceo broj : n=1/2 , n=3/2....

Reakcije prvog reda su one reakcije kod kojih je brzinadirektno proporcionalna koncentraciji samo jednog reaktanta,tako da se:

Konstanta brzine u reakciji prvog reda

Za reakciju: A produkt(i) brzina reakcijeizražava kao:

gde je ca c oznacena koncentracija supstance A.

dc

dtk c

1ckckv A 11

dc

ck dt

c

c t

0

1

0

ln lnc

ck t k

t

c

c

0

1 1

01

c

c

txc

c

tk 0

0

01 ln

1ln

1

ln lnc c k t0 1

t k1 2 1

2/

ln /

REAKCIJE PRVOG REDA, grafički prikaz

kt

t eAA 0

Koncentracija reaktanta uslučaju reakcije prvog redaopada eksponencijalno savremenom

Logaritam koncentracije uslučaju reakcije prvog redaopada linearno sa vremenom

ktAAt 0lnln

axby

ktAAt 0lnln

[A]

t

ln[At]

t

ln[A0]

Konstanta brzine u reakciji drugog reda

Za reakciju: 2A produkt(i) brzina reakcije se izrazavakao:

gde je ca c oznacena koncentracija supstance A. Integracijom:

dc

dtk c

2

2

dc

ck dt

c

c t

2 2

00

1 1

0

2

c ck t t

k c1 2

2 0

1/

Reakcije drugog reda su one reakcije kod kojih je brzinaproporcionalna proizvodu koncentracija reaktanata:

Za reakciju: A + B produkt(i)

a - pocetna koncentracija reaktanta A,

b - pocetna koncentracija reaktanta B,

x - smanjenje konc. reaktanata A i B, i povisenje konc. produkata,

(a - x) - koncentracija reaktanta A u vremenu t, i

(b - x) - koncentracija reaktanta B u vremenu t, brzina reakcije se izrazava kao:

dx

dtk A B k a x b x

2 2( )( )

dx

a x b xk dt

( )( )2

1

0

2

0a b

dx

a x

dx

b xk dt

x t

;)ln()ln(1

ktxbxaba

12

a b

b a x

a b xk tln

( )

( )