Kinetyka reakcji równoległych

Za nami już proste reakcje nieodwracalne (I i II rzędu), a także proste reakcje odwracalne. Łał, robi się tego coraz więcej. :) Dzisiaj zabierzemy się za najprostszy przypadek reakcji równoległych. Są one na tyle proste w opisie, że damy radę omówić je za jednym razem.

Co to takiego? W najprostszym przypadku z reakcją równoległą mamy do czynienia wtedy, gdy z jednego substratu powstają dwa różne produkty. Innym, analogicznym przypadkiem, jest jeden produkt powstający z dwóch różnych substratów. Ten drugi model jest jednak na tyle podobny, że ograniczymy się wyłącznie do pierwszego z nich (jeden S, dwa P). Najprostszy model reakcji równoległych zakłada, że obie reakcje są nieodwracalne. I całe szczęście, co za dużo, to niezdrowo!

Ten najprostszy, najbardziej typowy przypadek reakcji równoległych przedstawia schemat:

oie_transparent (2)

Trzeba się zastanowić, jak można sformułować równanie kinetyczne takiego procesu. Warto, podobnie jak w przypadku reakcji odwracalnych, zacząć od badania stężenia substratu \mathrm{A}. Mamy dwie reakcje chemiczne, opisane odpowiednio równaniami na szybkość reakcji: r_1=k_1\mathrm{[A]} oraz r_2=k_2\mathrm{[A]}.

Czytaj dalej >>

Reakcje odwracalne w zadaniach

Dzisiaj proponuję Ci trzy różne zadania z kinetyki reakcji odwracalnych. Możesz spróbować zmierzyć się z nimi samodzielnie, albo podejrzeć szczegółowe rozwiązania. Mam nadzieję, że w uzupełnieniu o artykuł z teorii kinetyki reakcji odwracalnej, zdobyta wiedza z tego tematu będzie dla Ciebie satysfakcjonująca.

Zadanie 1.

W temperaturze 5 °C, w roztworze acetonowym, pewna reakcja przegrupowania wewnątrzcząsteczkowego:

\mathrm{A\ \ }\begin{subarray}\ \xrightarrow{\mathrm{\ \ \ }\overrightarrow{k}\mathrm{\ \ \ }}\\ \xleftarrow[\overleftarrow{k}]{} \end{subarray} \mathrm{\ \ B}

ma stałe szybkości reakcji równe: \overrightarrow{k}=6\cdot10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1} i \overleftarrow{k}=6\cdot 10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1}. Po jakim czasie stężenie C_\mathrm{A} będzie równe stężeniu C_\mathrm{B}? Jak zmieniłby się ten czas, gdyby \overleftarrow{k} miało wartość = 2\cdot10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1} a wartość \overrightarrow{k} byłaby jak powyżej?

Zadanie 2.

Estryfikacja etanolu kwasem mrówkowym w temperaturze 25 °C, w wodnym roztworze w obecności kwasu solnego, przebiega zgodnie z równaniem:

\mathrm{\underbrace{C_2H_5OH}_\mathrm{E} + \underbrace{HCOOH}_\mathrm{K}}\mathrm{\ \ }\begin{subarray}\ \xrightarrow{\mathrm{\ \ \ }k_1\mathrm{\ \ \ }}\\ \xleftarrow[k_2]{} \end{subarray}\mathrm{\ \ }\mathrm{\underbrace{HCOOC_2H_5}_\mathrm{M} +\underbrace{H_2O}_\mathrm{W}}

W roztworze zawierającym nadmiar etanolu i wody stała szybkości estryfikacji k_1 wynosi 1,85\cdot10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1}, natomiast stała szybkości reakcji odwrotnej k_2=1,76\cdot10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1}. Przy początkowym stężeniu kwasu mrówkowego C_\mathrm{0K}=0,07\ \mathrm{mol\cdot dm^{-3}} obliczyć:
A) Równowagowe stężenie mrówczanu etylu.
B) Czas potrzebny aby estryfikacja zaszła w 90%.

Zadanie 3.

Izomeryzacja cis-trans 1,2-dimetylocyklopropanu w temperaturze 726 K jest reakcją odwracalną I rzędu. Procentowy skład mieszaniny w funkcji czasu był następujący:

\begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c|c|c}\ \mathrm{czas\ [s]} & 0 & 50 & 94 & 228&271 & 363 & 495 & 585 & 675 & \infty \\ \%_\mathrm{trans} & \hline 0 & 10,8 & 18,9 & 37,7 & 41,8 & 49,3 & 56,5 & 60,1 & 62,7 & 70,0 \end{array}

Obliczyć stałą równowagi reakcji oraz stałe szybkości reakcji w prawą i w lewą stronę.

Czytaj dalej >>

Reakcje odwracalne - trochę teorii

Czas zacząć ciekawszą zabawę z kinetyką! :) W ten cudowny niedzielny poranek (jest 9:36, a ja już spędzam czas z Tobą!) chciałbym przypomnieć Ci o pewnej ważnej rzeczy. Poznaliśmy już kinetykę reakcji I i II rzędu. Pojawiało się tam jednak pewne istotne założenie - zakładaliśmy, że badane reakcje były nieodwracalne. Czy to ma aż takie wielkie znaczenie? No właśnie, zastanówmy się.

Po pierwsze, reakcja nieodwracalna zachodzi całkowicie. Substrat, który mamy na początku, stopniowo i w 100% przereaguje w produkt. No i tutaj pierwszy zonk. Reakcja odwracalna praktycznie nigdy nie zachodzi całkowicie. Dlaczego? Jednocześnie zachodzi przemiana substratów w produkty, ale także produktów w substraty. No właśnie, w przypadku reakcji odwracalnych obserwujemy ustalanie się równowagi chemicznej. Odwracalna reakcja chemiczna nie zachodzi do końca, a tylko do pewnego momentu, w którym ustali sie równowaga. Mówimy więc, że w reakcjach odwracalnych maksymalny stopień przemiany nie wynosi 100% - jest natomiast równy równowagowemu stopniowi przemiany. Jeżeli nie masz pewności, o co chodzi w ostatnim zdaniu - zostań ze mną, później do tego wrócimy. :)

Czytaj dalej >>

Kinetyka reakcji II rzędu

Wracamy do kinetyki! Jak (mam nadzieję) już mówiłem, podstawowym zadaniem kinetyki chemicznej  jest badanie szybkości reakcji i czynników wpływających na tę szybkość. Jak (nadzieja matką głupich?) pamiętasz, sprawa w dużej mierze sprowadzała się do wyznaczenia równania kinetycznego w danych warunkach - w grę wchodzą temperatura, użyty (lub nie) katalizator i tak dalej...

Zakładając, że te warunki mamy ustalone, szukamy osławionego równania kinetycznego, wiążącego szybkość reakcji ze stężeniami substratów (aktualnymi, w danej chwili reakcji). Równanie kinetyczne jest jednak równaniem różniczkowym, i aby wygodnie podstawiać jakieś wartości i na ich podstawie obliczać inne, trzeba to równanie scałkować. Tym właśnie zajmiemy się w tym artykule, dla drugiego już przypadku - reakcji II rzędu.

Czytaj dalej >>

Równanie kinetyczne - sama szybkość to za mało

Widzimy się znowu. To znaczy, że nie było tak najgorzej, bardzo mnie to cieszy.

Poznaliśmy już wielkość określaną mianem szybkości reakcji chemicznej. Ogólnie - szybkość zmiany stężenia jakiegoś reagenta w czasie. Okazuje się jednak, że mimo oczywistych korzyści, które przynosi jej zdefiniowanie, to trochę za mało. Mając dane wartości szybkości reakcji w jakiejś chwili t możemy powiedzieć, która reakcja zachodzi szybciej. I niewiele więcej.

Poza tym, zastanów się, jak wyglądałoby wyznaczanie takiej szybkości reakcji? Co pewien czas trzeba by, w jakiś sposób (a jest takich wiele), wyznaczyć stężenie wybranego reagenta. Ale co by to było? Nic innego, jak zastosowanie naszego uproszczenia, z którego wychodziliśmy w poprzednim artykule - stosowanie skończonych przyrostów stężenia (\Delta), zamiast przyrostów różniczkowych (\operatorname{d}). Wspomniałem już i powtórzę, że jest to metoda przybliżona i mało precyzyjna, szczególnie, gdy reakcja zachodzi szybko lub ma złożony przebieg.

Czytaj dalej >>

Szybkość reakcji chemicznej - co to za potwór?

Ze swojego kilkuletniego doświadczenia dydaktycznego wiem, że temat ten sprawia uczniom liceów nie tyle trudność, co... No właśnie, co sprawia, skoro w ogóle nie zastanawiamy się, co to takiego? Postaram się ten temat nieco bardziej przybliżyć.

Pojęcie szybkości (w rozumieniu potocznym) doskonale znane jest każdemu, a na pewno każdemu licealiście, który chciałby zaprzyjaźnić się z kinetyką chemiczną. Kiedy samochód jedzie ze stałą (no właśnie) szybkością, możemy ją zdefiniować jako pewien przyrost drogi, którą pokonał, odniesiony do przyrostu czasu, w którym to nastąpiło. Znanym od gimnazjum wzorem:

 v=\frac{\Delta s}{\Delta t}

Prosto? Prosto. Co wspólnego ma to jednak z kinetyką chemiczną? Okazuje się, że szybkość reakcji chemicznej określamy analogicznie - jak tę, którą poznaliśmy na fizyce. Reagujące ze sobą substancje nie przebywają żadnej drogi, zmienia się jednak ich zawartość w mieszaninie reakcyjnej. Można więc próbować wyrażać szybkość reakcji jako zmianę liczby atomów w czasie, zmianę liczby moli, zmianę masy konkretnej substancji. Najwygodniej jednak (choć nie koniecznie!) posłużyć się stężeniem molowym substancji.

Czytaj dalej >>