دانلود تحقیق سینتیک شیمیایی

تمام فرآیندهایی که در جهان هستی در حال انجام شدن می‌باشند با آهنگ یا سرعت خاصی رخ می دهند.

گستره ای از علم شیمی که مربوط به سرعت واکنش های شیمیائی می باشد، سینتیک شیمیائی نام دارد.

سینتیک شیمیائی با سرعت انجام یک فرآیند شیمیائی و عوامل مؤثر بر سرعت سر و کار دارد.
اگر در محیط اطراف زندگی خود نگاه کنیم در اثر گذشت زمان، واکنش های شیمیائی در حال رخ دادن می باشند.

برخی کند مانند زنگ زدن ، آهن و برخی تند مانند سوختن و یاخنثی شدن اسید و باز می باشند.
نکته: دقت شود در مورد سرعت خودبخودی بخودن معنا ندارد، به عبارتی خودبخودی بودن مفهوم سریع بودن را نمی رساند.

بسیاری از واکنش های خودبخودی آنچنان کند می باشند که شاید هفته ها و سالها در دمای معمولی رخ ندهند.

مانند:

نکته1: خودبخودی بودن واکنش بحثی است ترمودینامیکی و ترمودینامیک با تعیین سطح انرژی واکنش دهنده ها و فرآورده ها و تغییر آنتروپی امکان وقوع واکنش را بررسی می‌کند، در حالی که سینتیک درباره چگونگی تبدیل آن‌ها به یک دیگر و شرایط بهینه برای انجام شدن، واکنش را بررسی می کند.
نکته2: سینتیک تابع مسیر است.
سرعت یا شتاب یک فرآیند عبارت است از تغییر یک کمیت معین در یک زمان معین.

حال این کمیت معین می‌تواند غلظت – بو – زنگ و … باشد.
همچنان که در علم فیزیک، سرعت یک متحرک را با تغییرات جابه‌جائی متحرک در تغییرات واحد زمان، بیان می کنیم در علم شیمی نیز به دنبال یک کمیت هستیم تا در واحد زمان تغییر کند.

از آنجائی که در حین یک واکنش شیمیائی تعداد مولها دستخوش تغییر می شوند بنابراین سرعت یک واکنش شیمیائی عبارت است از تغییر غلظت یک واکنش دهنده و یا یک فرآورده در واحد زمان.
مثلاً در واکنش اگر بخواهیم سرعت را برحسب جزء A حساب کنیم.

(در علم شیمی سرعت را با R نمایش می‌دهیم و از آنجائی که سرعت یک واکنش ثابت نیست و با گذشت زمان تغییر می کند.

همچون علم فیزیک به بیان سرعت متوسط واکنش می پردازیم یعنی ) حرف R از کلمه Rate به معنای سرعت گرفته شده است.


غلظت A در t1 – غلظت A در t2

t2-t1
توجه: [A] یعنی غلظت A بر پایه مول بر لیتر
حرف یونانی (دلتا)‌به معنای تغییر یک کمیت اندازه گیری شده است.
نکته3 : سرعت در لحظه های مختلف واکنش با یکدیگر تفاوت دارد.

به عبارتی سرعت یک واکنش در ابتدا زیاد و با گذشت زمان از آنجائی که غلظت واکنشگرها رو به کاهش می‌گذارد، کم می گردد.
سرعت یک واکنش کمیتی است تجربی و با اندازه گیری سرعت مصرف واکنش دهنده (ها) یا سرعت تولید فرآورده (ها) معین می گردد.
سرعت یک واکنش کمیتی است تجربی و با اندازه گیری سرعت مصرف واکنش دهنده (ها) یا سرعت تولید فرآورده (ها) معین می گردد.

توجه گردد که عبارت همواره یک عبارت منفی است.

زیرا غلظت دوم A به دلیل مصرف شدن همواره از غلظت اول A کوچکتر است و از آنجائی که در علم شیمی سرعت بصورت مثبت بیان می‌شود، بنابراین سرعت متوسط مصرف A را با عبارت: به عبارتی همواره سرعت را با بیان یک علامت منفی برای واکنش دهنده (ها) بیان می کنیم.

بنابراین می توان سرعت را برحسب جزء (B) نیز تعریف نمود: پرسش: تغییرهای سرعت واکنش با پیشرفت زمان به چه ترتیب است؟

1) سرعت واکنش در ابتدا کم است و در نزدیک پایان زیاد می شود.

2) در تمام مدت سرعت واکنش ثابت است.

3) سرعت واکنش در ابتدا زیاد و در نزدیک پایان کم می گردد.

4) با پیشرفت زمان سرعت واکنش به طور منظم افزایش می یابد.

نکته4 : انتخاب واحد زمان در سطح دبیرستان اصولاً ثانیه (s) و دقیقه است (min) ولی برای واکنش کند مانند زنگ زدن آهن و یا خرد شدن صفحات کاغذی یک کتاب از واحدهای نظیر روز – هفته – ماه وسال استفاده می شود.

در این بحث بیشتر از واحد ثانیه استفاده می گردد.

بنابراین سرعت واحدهای مختلفی دارد.

نکته5 : انواع واحدهای سرعت 1- واحد mol/s یا mol/min 2- واحد mol/lit/s یا mol/lit/min یا M/S 3- واحد lit/s که بیشتر برای گازها استفاده می شود.

پرسش: در یک آزمایش 08/0 مول N2 را در ظرف یک لیتری قرار داده تا با هیدروژن واکنش دهد.

و مطابق واکنش زیر آمونیاک تشکیل گردد.

اگر در دقیقه های چهارم و هشتم پس از شروع واکنش مقدار N2 باقیمانده در ظرف بترتیب 04/0 و 02/0 مول باشد سرعت متوسط مصرف N2 در فاصله زمانی دقیقه های چهارم و هشتم برابر است با : 1) 3-10*5 2) 2-10*1 3) 2-10*2 4) 3-10*5/2 نکته5: زمانی که سرعت واکنش بر حسب mol/s باشد آن را به صورت نمایش می دهند و زمانی که سرعت واکنش برحسب مول بر لیتر بر ثانیه باشد آن را به صورت نمایش می دهند.

نکته 6: پرسش: 23/0 گرم سدیم در مدت 100 ثانیه در آب حل می شود، سرعت متوسط مصرف مولهای سدیم برحسب ثانیه کدام است؟

23=Na 1) 2-10*1 2) 4-10*1 3) 3-10*5/2 4) 3-10*3/2 پرسش: اگر غلظت یکی از مواد در واکنش در مدت 25 ثانیه از 05/0 مول در لیتر به 025/0 مول بر لیتر کاهش یابد، سرعت متوسط آن واکنش در مدت زمان گفته شده برحسب، مول بر ثانیه کدام است؟

1) 4-10*1 2) 3-10*5/2 3) 2-10*5 4) 3-10*1 نکته 7: پرسش: واکنش روبرو در یک ظرف 2 لیتری در حال انجام شدن است.

اگر در مدت 10 ثانیه مقدار NO2 به 4/0 مول افزایش یابد، سرعت متوسط تشکیل NO2 برحسب 1-mol.S و 1-M.S متر بترتیب کدامند؟

1) 04/0-02/0 2) 02/0-02/0 3) 04/0-04/0 4) 02/0-04/0 بررسی نمودار غلظت زمان در واکنش :: با توجه به این که غلظت مواد اولیه رو به کاهش و غلظت مواد حاصل رو به افزایش است با گذشت زمان می توان رسم نمود: نکته 8: در رسم نمودار دقت کنید مصرف یا تولید نسبی هر ماده در یک بازه زمانی متناسب با ضریب استوکیدمتری آن ماده در معادله موازنه شده است.

پرسش: مطلوب است سرعت واکنش مصرف در فاصله زمانی 10 تا 20 ثانیه ــــ؟

1) 01/0 2) 02/0 3) 1/0 4) 2/0 نکته 9 : بسیار مهم: نکته 10: پرسش : در واکنش کدام گزینه صحیح است؟

1) 2RB=3RD 2) 3RB=2RD 3) RB=RD 4) 2RB=RD پرسش: در واکنش اگر سرعت مصرف برابر 1-mol.s6 باشد.

سرعت تولید آمونیاک بر حسب 1-mol.s کدام است؟

1) 6 2) 3 3) 4 4) 1 نکته 11: پرسش: در واکنش سرعت تشکیل یا از بین رفتن کدام ماده از بقیه مواد کمتر است؟

1) H2 2) 3) Fe 4) نکته 12: هر چه ضرایب استوکیومتری یک جزء شرکت کننده در واکنش بیشتر باشد به آن معناست که شیب نمودار غلظت زمان (سرعت) آن واکنش بیشتر است.

مثلا نمودار واکنش (شیب خط منفی نشان مصرف است و شیب خط مثبت نشانه تولید است.) نکته : بلورها توانایی زیادی برای جذب سطحی مواد گازی شکل دارند مانند جذب بخار آب موجود در هوا.

بعنوان مثال واکنش زیر را در نظر بگیرید.

دقت نمائید با کوبیدن این دو جامد در هاون سطح تماس مناسب و بسیار بیشتر برقرار شده همراه با جذب سطحی بخار آب موجود در هوا.

پرسش : در یک ارلن 100 میلی لیتر محلول 2 مولار دی نیتروژن پنتا اکسید درتترا کلرید کربن قرار داده شده است تا مطابق واکنش زیر تجزیه گردد.

پراز 5 دقیقه دیده شد که غلظت به 98/1 مولار کاهش یافته است، سرعت متوسط تجزیه و سرعت تشکیل NO2 برحسب کدام می باشند؟

1) 004/0 ، 008/0 2) 008/0 ، 004/0 3) 008/0، 02/0 4) 02/0-04/0 عوامل مؤثر بر سرعت واکنش: عوامل مؤثر بر سرعت متعدد می باشند ولی 5 عامل آن که در کتاب درسی بررسی شده است، عبارتند از: طبیعت واکنش دهنده ها 2- حالت فیزیکی 3- غلظت 4- دما 5- کاتالیزور.

از بین این 5 عامل شماره یک از دیگر عوامل مهمتر است.

1- طبیعت واکنش دهنده ها: جرقه در مخلوطی از H2 و O2 سبب می شود که واکنش انفجاری شدید تولید آب رخ دهد ولی همین جرقه در مخلوط N2 و H2 جهت تولید آمونیاک بی اثر است.

بنابراین طبیعت واکنش اول بسیار متفاوت تر از طبیعت واکنش دوم است.

به عبارتی طبیعت با متفاوت است.

بنابراین نوع مواد شرکت کننده در واکنش بسیار مهم است.

سه سطر سرعت کدام واکنش زیر بیشتر است و چرا؟

پرسش: واکنش کدام عنصر زیر با آب شدیدتر است؟

1) Na 2) K 3) Rb 4) Cs حالت فیزیکی مواد: همچنان که می دانید ماده می تواند به 3 حالت فیزیکی جامد – مایع و گاز باشد – از آنجا که برای انجام واکنش باید واکنش دهنده ها مخلوط شوند تا در مجاورت یکدیگر قرار گیرند.

بنابراین واکنش میان مواد گوناگون در فازهایی که چنین شرایطی را فراهم می آورند، سریع تر خواهد بود – مثلا تمام مواد واکنش دهنده گاز یا محلول در آب باشند، واکنش با سرعت بیش‌تری رخ می‌دهد.

اما اگر واکنش میان یک گاز و یک جامد رخ دهد فقط سطح تماس ماده جامد (مرز میان دو فاز) در این واکنش مؤثر است و بنابراین خرد کردن ماده جامد باعث ایجاد افزایش سطح تماس می‌شود.

کدام واکنش زیر سریع تر است؟

نکته: هر چه ذره‌های واکنش دهنده تحرک بیشتری داشته باشند برخوردها با انرژی بیشتر و سرعت واکنش نیز بیشتر می گردد.

فاز جامد >فاز مایع > فاز گازی : سرعت واکنش 3- غلظت: غلظت یک واکنشگر در سرعت آن ماده اثر بسیار مهمی دارد.

این عبارت که چگونگی وابستگی سرعت را با غلظت بیان می دارد قانون سرعت نامیده می شود.

مثلاً واکنش زیر را در نظر بگیرید.

با فرض این که واکنش برگشت رخ نمی دهد.

قانون سرعت یا معادله سرعت که وابستگی سرعت به غلظت را می رساند چنین نگارش می گردد.

معادله سرعت = K ثابت سرعت است و m و n مرتبه واکنش بترتیب نسبت به NO2 و H2 نامیده می‌شوند و بایستی از راه تجربه یا به عبارتی انجام آزمایش تعیین گردند.

K نیز کمیتی است تجربی، مقدار n یا m می تواند یک عدد صحیح (و یا صفر) و حتی اعشاری باشد اگر مقدار m و n صفر باشند، چنین واکنشی را مرتبه صفر گویند.

به جمع توانهای m و n مرتبه نسبت به کل واکنش گویند.

نکته 13: نکته 14: نکته 15: مثال: با توجه به واکنش و آزمایش زیر که بصورت جدول در چند آزمایش آمده است معادله سرعت را نوشته و مرتبه واکنش را تعیین کنید؟

تمرین : با توجه به جدول زیر در واکنش معادله سرعت را نوشته و مرتبه کل واکنش را بدست آورید.

4- اثر دما: دما یکی از مهمترین عوامل مؤثر بر سرعت واکنش های شیمیائی است، عموماً افزایش دما با افزایش سرعت واکنش همراه است.

البته بعد از آنکه طریقه انجام واکنش و ارتباط دادن با سرعت شرح داده شد نکاتی راجع به دما برای شما می‌آوریم.

مثلاً در واکنش فلز منزیم با آب 6 هر چه دما بیشتر باشد سرعت واکنش نیز بیشتر خواهد شد.

تذکر: در حقیقت با افزایش فشار در واکنش های گازی شکل، حجم مواد واکنش دهنده کم شده و یا به عبارتی غلظت ذرات در واحد حجم افزایش می یابد بنابراین سرعت واکنش نیز زیاد می گردد.

5- اثر کاتالیزگر.

کاتالیزگرها: موادی هستند که سرعت واکنش را افزایش می دهند.

و اگر در واکنش مصرف شوند مجدداً تولید می‌گردنند، گوئی که دست نخورده اند.

نکاتی راجع به کاتالیزور در مبحث بعدی که ساز و کار واکنش شیمیایی است خواهید خواند.

ساز و کار واکنش شیمیائی : یکی از اهداف بنیادین سرعت واکنش‌های شیمیایی بررسی مراحل انجام واکنش است، این سری از واکنش ها، ساز و کار واکنش نامیده می شوند.

برای این منظور از دو نظریه مهم و اساسی که واکنش های شیمیائی را در سطح مولکولی بررسی می نمایند استفاده می شود.

1- نظریه برخورد 2- نظریه حالت گذار هر دو نظریه با این که برخورد بین ذره های واکنش دهنده را بررسی می نمایند ولی تفاوت های بنیادی با یکدیگر دارند.

(هر دو نظریه امروزه معتبرند) نظریه برخورد: مطابق این نظریه باید جهت انجام یک واکنش بین ذره های واکنش دهنده برخوردی صورت گیرد.

این برخوردها باید 3 ویژگی داشته باشد.

1- تعداد برخورد 2- جهت برخورد 3- انرژی ذرات هنگام برخورد تعداد برخورد: بر طبق نظریه برخورد باید بین ذره ها واکنش دهنده که بصورت کره‌های سخت در نظر گرفته می شوند، برخورد صورت گیرد و هر چه تعداد برخورد بیشتر باشد سرعت واکنش نیز بیشتر است.

تعداد برخورد به تعداد ذرات واکنش دهنده در واحد حجم یعنی (غلظت ) بستگی دارد.

نکته16: اگر غلظت دو ماده واکنش دهنده به ترتیب m و n برابر شود، تعداد برخورد آن‌ها در حجم و زمان معین m n برابر خواهد شد.

2- جهت گیری مناسب مولکولهای برخورد کننده : هر برخوردی منجر به انجام واکنش نمی‌شود مگر آنکه آن برخورد جهت مناسب داشته باشد.

مثلا در واکنش برخورد بین اتم Cl با اتم