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
( )
( )