Viteza de reactie si Ordin de reactie

CINETICA CHIMIC . VITEZA DE REACIEBibliografie

1. C.D. Nenitescu, Chimie general, EDP Bucureti2. Olga Petrescu, Adrian-Mihail Stadler, Chimie anorganic i Chimie fizic teste i probleme, Editura Ramis

3. F. Urseanu, C.Tbranu-Mihaela, G.Bogza, Probleme de chimie i de tehnologie chimic, Editura tehnic, 19784. https://fsagrupa1312.wordpress.com/chimie-2/5. http://usm.md/chimie/wp-content/uploads/2014/05/Probleme-de-Chimie-Fizic%C4%83.pdfI want to help in solving problems about reaction speed.Mi-am propus s ajut prin rezolvarea unor probleme de nivel mediu cu viteza de reacie, ordinul de reacie, constanta de vitez pentru reacii de ordinul I i II. Reprezint punctul meu de vedere i nu anuleaz alte variante de rezolvare. Cinetica chimic se studiaz la: chimie, nivel liceu; modulul de Termodinamic i Cinetic chimic, nivel liceu tehnologic, domeniul de pregtire n Chimie Industrial; Chimie fizic i Chimie, nivel facultate.Eu predau modulul de mai sus. Aceast parte a chimiei este important pentru analiza substanelor i n tehnologia chimic.Citez din bibliografie:

Cinetica chimic are obiect de studiu viteza de reacie i dependena ei de diferii factori (concentraia reactanilor, temperatur, influena catalizatorilor, etc.)-ntr-un sens restrns al cuvntului. Viteza de reacieViteza unei reacii chimice omogene reprezint variaia cantitii de substan a reactantului sau produsului de reacie ntr-o unitate de timp pe o unitate de volum al amestecului reactant. Cantitatea de reactant se exprim n moli/L-adic concentraia molar.Expresia vitezei de reacie la o temperatur constant i la cazuri simple, este direct proporional cu produsul concentraiilor reactanilor ridicate la puteri egale cu ordinele pariale de reacie n raport cu componenii (uneori sunt egale cu coeficienii stoechiometrici).

Avem o reacie simpl:

aA + bB = Produi

a,b = coeficieni stoechiometrici

Ecuaia vitezei de reacie:

v = k. [A]nA. [B]nB (1)k= constanta de vitez, care nglobeaz: temperatura, presiunea, catalizatorii i ali factori ce influeneaz viteza de reacienA, nB= ordine pariale de reacie n raport cu componenii A, B

n ecuaiile de vitez se pot utiliza n locul concentraiilor i alte mrimi proporionale cu acestea, cum ar fi presiunile pariale ale reactanilor pentru reaciile n faz gazoas.

Din punct de vedere dimensional, viteza de reacie se exprim:

Unitate de mas reacionat/ unitate de timp.unitate de volum (2)Uzual: [mol.s-1.L-1]Ordin de reacieOrdinul parial de reacie este exponentul unei anume concentraii n legea general de vitez.nA, nB= ordine pariale de reacie n raport cu componenii A, B pentru reacia:aA + bB = Produi

Ordinul total de reacie n, al unei reacii este dat de suma exponenilor concentraiilor din expresia vitezei de reactie, deci este suma ordinelor parialen = nA + nB

Molecularitatea

a+ b= molecularitatea reacieiOrdinul de reacie i molecularitatea coincid numai n cazul reaciilor elementare foarte simple, care au loc ntr-o singur treapt. n realitate reaciile au loc dup mecanisme complexe, iar ordinul de reacie nu mai coincide cu molecularitatea; el poate fi i fracionar.Exemple de reacii chimice i expresia matematic a vitezei de reacie1.Br2 = 2 Br

Ordin de reacie=1 ( avem 1 mol de reactant Br2)v = k[Br2]

2. HCl + NaOH = NaCl + H2O

Ordin de reacie=2 (avem 1 mol de HCl reactant i 1 mol de NaOH reactant)

v = k[HCl] . [NaOH]

3. 2NO + O2 = 2NO2Ordin de reacie=3 (avem 2 moli de NO reactant i 1 mol de O2 reactant)v = k[NO]2. [O2]

4. Cl2 + HCOOH = 2HCl + CO2Ordin de reacie=2 (avem 1 mol de Cl2 reactant i 1 mol de HCOOH reactant)v = k[Cl2] . [HCOOH]

5. Cl2C=CCl2 + Cl2 = Cl3C-CCl3 ( reacie de adiie n prezena luminii)

Ordin de reacie=3/2 ( mecanism complex, n care ordinul de reacie nu mai este egal cu coeficienii stoechiometrici din reacie)

v = k[Cl2]3/2Constanta de vitez (k)

Constanta de vitez, k, din expresia matematic a vitezei de reacie se numete i viteza specific, cnd concentraiile reactanilor= 1mol/L; v = k.

Constanta de vitez exprim dependena de temperatur a vitezei de reacie. Dac temperatura crete cu 100C, viteza de reacie crete de 2-3 ori.Se numete coeficient de temperatur al vitezei de reacie i pentru cazul cn temperatura crete cu 100C , raportul: (3)Cu aceast relaie se calculeaz valoarea constantei de vitez la o alt temperatur ( care a crescut nu mai mult cu 100C).Expresia constantei de vitez a reaciei chimice n funcie de energia de activare E i factorul de frecven k0: (4)k 0 = factor de frecven (o msur a ciocnirilor moleculelor ntre ele);E=energia de activare;

R=constanta gazelor ideale;

T=temperatura absolut;

e = baza logaritmilor naturali;Reacii de ordinul I ( particip un singur reactant)Pot fi reaciile de izomerizare, de descompunere termic, reaciile descompunerii radioactive a nucleelor atomice, etc. A B

Viteza unei reacii de ordinul I este caracterizat prin constanta vitezei de reacie i prin perioada de njumtire.

Expresia vitezei de reacie va fi:

(5)n care:

dc / dt = derivata concentraiei reactantului fa de timp

k= constanta vitezei de reacie

c=concentraia reactantantului

Separnd variabilele i integrnd ntre C A0 i CA, respectiv ntre timpul 0 i t, se obine:

C A = C A0 . e-k t (6) Sau: (7)

Sau: k= (2,303 /t ) log CA0 / CA (8)Dac se utilizeaz conversia reactantului, X,relaia 5 devine:X = fraciunea din acel reactant, transformat n cursul reaciei chimice i se exprim prin relaia: (9) (10)

Timpul de njumtire

Este timpul necesar pentru a reaciona jumtate din substana iniial (reactant).

Avem expresia matematic a relaiei (7), dup nlocuirea C=C0/ 2

k.t1/2 = ln2 = 0,6932 (11)Reacii de ordinul II (are loc ntre dou molecule de reactant)Se consider reacia de ordinul II:

A+B = P+R

Viteza de reacie este dat de relaia matematic:

v = k CA CB

Avem cazurile1. Concentraiile iniiale ale lui A i B sunt egale: C0 = CA0=CB 0 (mol/L); ele reacioneaz n raport molar 1:1. n timp concentraiile acestora vor fi egale:CA = CB = C (mol/L)v = k.C2

Integrnd ntre 0 i t, respectiv C0 i C, rezult: (12)

2. Concentraiile iniiale ale lui A i B nu sunt egale; cantitatea reacionat din compusul A este egal cu cea reacionat din compusul B:v = k CA CB

CA0 CA = C B 0 - CB (13)ProblemeProblema 1 Reacia ionului iodur cu ionul hipoclorit, n anumite condiii de pH, are loc dup ecuaia:

ClO- + I- = IO- + Cl-Iar dependena vitezei n funcie de concentraia reactanilor este redat mai jos

v (mol/L.s)[ClO-] mol/L[I-] mol/L

6,3.1031,02.10-31,02.10-2

1,26. 1042,04.10-31,02.10-2

1,26.1041,02.10-32,04.10-2

S se determine ordinul total de reacie, valoarea constantei de vitez, expresia de reacie n funcie de concentraie i de viteza de reacie pentru [ClO-] = 10-2 mol/L i [I-] = 4.10-3 mol/L.

Rezolvare:

1. Calcularea ordinului total de reacie:

a) Este o reacie de ordinul II, particip 2 reactani. Expresia matematic a vitezei de reacie este:aClO- + b I- = IO- + Cl-v = k [ClO-]a . [I-]ba, b = ordine pariale de reacie

k = constanta vitezei de reacie

m=ordinul total de reacie = a+ bb) Se nlocuiesc datele n expresia matematic a vitezei de reacie:v 1 = 6,3.103 = k.[1,02.10-3] a .[ 1,02.10-2]bv 2 = 1,26.104 = k.[ 2,04.10-3]a . [1,02.10-2]bv3 = 1,26.104 = k.[1,02.10-3] a . [2,04. 10-3]bc) Se afl a prin mprirea v1 la v2 , fiindc au comun [ 1,02.10-2]b i b prin mprirea v1 la v3, fiindc au comun [1,02.10-3] a :

v1/ v2 = 6,3.103 /1,26.104 = k.[1,02.10-3] a .[ 1,02.10-2]b / k.[ 2,04.10-3]a . [1,02.10-2]b

0,5= 0,5a deci a = 1

v 1 / v2= 6,3.103 /1,26.104 = k.[1,02.10-3] a .[ 1,02.10-2]b/ k.[1,02.10-3] a . [2,04. 10-3]b0,5 = 0,5 b deci b=1

Ordinul total de reacie pentru reacia dat este:

m = a + b = 1+1 = 2

2. Se calculeaz valoarea constantei de reacie k:

Se nlocuiesc datele n una din expresele matematice ale vitezelor 1,2,3 i se calculeaz k:6,3.103 = k. .[1,02.10-3] .[ 1,02.10-2]

6,3.103 = k. 1,040 .10-5

k = 6,3.103 / 1,040 .10-5 = 6,057.108 L/ mol.s

3.Se calculeaz viteza de reacie v4 cu datele din problem:

v4= 6,57 . 108. [10-2] . [4.10-3] = 24,228. 103 mol/L.s = 2,422.104 mol/ L.sR: 1; 6,057.108 L/ mol.s; 2,422.104 mol/ L.sProblema 2 Pentru o reacie de ordinul I, s-a determinat c n primele 25 min concentraia reactantului se reduce de la C0 = 5 moli / l la C= 2 moli/ l . S se determine viteza de reacie dup 30 min.

RezolvareReacia de ordinul I este:

A = P (produi)

Viteza acestei reacii este dat de relaia:

v = k.CAv (mol/ l.min).........................t (min)....................................C (mol/l.min)

moment iniial.....................................0 ...........................................C0 = 5

v 25min 25 Cla 25min= 2

v 30min 30 Cla 30min= Cx

Varianta propus pentru rezolvare, se bazeaz pe faptul c, atunci cnd temperatura nu variaz, constanta de reacie se poate considera aceeai la 25 min i 30 min.Etape de rezolvare 1.calcularea constantei de vitez dup 25 min de la nceperea reaciei, fiindc cunoatem concentraia reactantului la acest timp (relaia 7); 2.se calculeaz Cx din expresia matematic a constantei cu relaia (7), pentru intervalul de timp 0-30 min; 3. se calculeaz viteza de reacie dup 30 min.

k = (1/25). ln 5/2 = 0,0366

0,0366 = (1/30) ln 5/ Cx = 0,033 ln5- 0,033 ln Cx

0,0366-0,053 = -0,033 ln Cx

ln Cx = 0,0164/0,033= 0,4969Cx = 1,6436

v = 0,0366. 1,6436= 0,06015 mol/ L.min

R: 0,602

Problema 3 ntr-o reacie de ordinul I, A=produi, concentraia reactantului se reduce la un sfert din cea iniial n 40 min. S se calculeze de cte ori se reduce viteza de reacie fat de momentul iniial, dup 15 min.RezolvareAvem datele:

t (min)C (mol/L) v (mol/min.L)

0 (momentul iniial)C0v 0

15Cxv 1

40 C0=0,25 C0v 2

v = k.C

C A = C A0 . e-k t k =( 1/t). ln C0/C

Temperatura nu variaz Nu cunoatem: k; Cx; v 0; v 1.Varianta propus pentru rezolvare:

-se calculeaz prima dat k pe baza datelor: 40 min i concentraia C0;

-se calculeaz apoi Cx, cnd timpul=15 min;

-se calculeaz v0 , v1 i raportul v0 / v1Calcule:

k =1/40 ln C0/ 0,25C0 = 0,03456

Cx la 15 min = C0 .e-0,03456.15 = C0. (e-0,52) = C0 (e1/ e1,52) =C0(2,72/4,57)=0,594 C0v 0 = k.C0;

v 1 = k.0,594 C0v 0 / v 1 = k.C0 / k.0,594 C0 = 1,68 1,7 oriR = 1,7 ori

Problema 4 ntr-o reacie de ordinul II, de tipul A+B= produi, s-a pornit cu concentraiile iniiale ale reactanilor egale fiecare cu 0,4 moli/L. Cunoscnd c dup 10 min concentraia reactantului A s-a micorat la 0,1 moli/L, s se determine valoarea iniial a vitezei de reacie i cea a timpului de njumtire.Rezolvare

Avem datele:

t (min)C A (mol/L)CB (mol/L)v (mol/ min.L)

0 momentul iniial0,40,4v 0

10 0,10,1

C A0 =CB0 =0,4 mol/L concentraiile iniiale sunt egale( raport molar 1:1)

CA la 10 min= 0,1 mol/L i este egal cu concentraia lui B, fiindc se respect egalitatea de mai sus, i raportul molar 1:1 Nu cunoatem:

v 0; t Varianta propus pentru rezolvare, cnd concentraiile iniiale ale reactanilor sunt egale:-se calculeaz k din expresia matematic, cu datele de la timp=10 mink = (C0 C)/ C0.C.t-se calculeaz viteza la momentul iniial cu expresia matematic

v 0 = k.CA0 .CB0 = k.C02 -se calculeaz timpul de njumtire, pentru cazul cnd concentraiile iniiale sunt egale:

t1/2 = 1/k.C0

Calcule:

-k cnd timpul este 10 min, concentraia reactanilor este 0,1 mol/L:

k = (0,4-0,1) / 0,4.0,1.10 = 0,3/ 0,4 = 0,75

-v 0 este:

v 0 = 0,75.0,42 = 0,75.0,16 =0,12 mol/min.L

- t1/2 = 1/ 0,75.0,4 = 1/0,3 =3,33 min

R: 0,12; 3,33. PAGE 8