קינטיקה

1. קינטיקה רותי שטנגר 2010

2. קינטיקה (Kinetics) - ענף בכימיה פיזיקלית שעוסק בחקר קצב התרחשותן של תגובות כימיות 2

3. מהו קצב תגובה? את קצב התגובה מודדים בצורה אמפירית (ע"י ניסויים במעבדה). 3

4. השינוי בריכוז C הזמן שעבר נתונה התגובה A  C כיצד מחשבים את קצב יצירת התוצרC? ניתן לחשב זאת בעזרת הנוסחה: 4

5. השינוי בריכוז A הזמן שעבר נתונה שוב התגובה A  C כיצד מחשבים את קצב היעלמות המגיבA? ניתן לחשב זאת בעזרת הנוסחה: 5

6. תוצר ריכוז מגיב זמן עבור מגיב בתגובה השינוי בריכוז הוא שלילי, שכן ריכוז המגיב יורד עם הזמן (המגיב נעלם). לכן קצב היעלמות המגיב הוא מספר שלילי. עבור תוצר בתגובה, השינוי בריכוז הוא חיובי, שכן ריכוז התוצר עולה עם הזמן (התוצר נוצר). לכן קצב היווצרות התוצר הוא מספר חיובי. 6

7. חישוב קצב תגובה קצב היווצרות תוצר או קצב היעלמות מגיב מתייחסים לחומר אחד בלבד. קצב התגובה מחושב עבור תגובה מסוימת ולא עבור חומר מסוים. בדרך כלל מודדים את קצב התגובה בהתחלת הניסוי. קצב התגובה נמדד ביחידות של ריכוז מולרי ליחידת זמן- בד"כ לשנייה: M/sec( או ( M/s. את קצב התגובה ניתן לחשב ע"י השינוי בריכוז של אחד החומרים המשתתפים בתגובה ביחידת זמן. דוגמה: נתונה התגובה A  C ניתן לחשב את קצב התגובה ע"פ קצב ההיווצרות של התוצר C, או ע"פ קצב ההיעלמות של המגיב A. 7

8. קצב תגובה = כדי שלא נקבל עבור אותה תגובה גם קצב תגובה חיובי וגם קצב תגובה שלילי (תלוי אחר ריכוז איזה חומר עוקבים), כאשר מחשבים את קצב התגובה ע"פ שינוי בריכוז מגיב מוסיפים סימן שלילי לפני הביטוי. מכאן, שקצב התגובה יהיה תמיד מספר חיובי. 8

9. במקרה זה, עבור התגובה CA, ניתן לחשב את קצב התגובה ע"פ: או ע"פ: קצב תגובה = קצב תגובה = 9

10. בדיוק כמו שבמפעל ארטיקים ניתן למדוד את קצב הייצור ע"פ מספר הארטיקים שמיוצרים ביום, או ע"פ כמות החלב שנצרכת ביום. 10

11. לפניכם נתונים על שינוי בריכוז החומר C6H5N2Cl בתגובה מסוימת עם הזמן: א. האם C6H5N2Clהוא מגיב או תוצר בתגובה? ב. חשבו את קצב השינוי בריכוז C6H5N2Cl בראשית התגובה. 11

12. קצב התגובה = = = בתגובות שבהן המקדמים הסטויכיומטריים שונים מ-1 יש להתחשב במקדמים כשמחשבים קצב תגובה. דוגמה: נתונה התגובה כיצד נחשב את קצב התגובה ע"פ כל אחד מהמגיבים או התוצרים? 12

13. קצב התגובה = = = = ובצורה כללית, עבור התגובה: aA + bB → pP + qQ קצב התגובה יחושב כך: •                                                      , 13

14. שימו : קצב התגובה יכול להימדד גם ביחידות אחרות, תלוי אחר איזו תכונה אנו עוקבים: בד"כ נעסוק בשאלות שבהן עוקבים אחרי שינוי בריכוז. 14

15. תרגול: נתונה התגובה: מהו ההיגד הנכון? א. ריכוזי כל החומרים משתנים באותו קצב ב. קצב ההיווצרות של HClשווה לקצב ההיווצרות של I2 ג. קצב ההיעלמות של ICl שווה לקצב ההיעלמות של H2 ד. קצב ההיווצרות של HCl גדול פי שניים מקצב ההיווצרות של I2 H2(g) + 2 ICl(g) --> I2(g) + 2 HCl(g) 15

16. תרגול: רשמו את הנוסחה לחישוב קצב התגובה ע"פ כל אחד מהמגיבים והתוצרים בתגובה הבאה: 16

17. תרגול: • נתונה התגובה N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) . • קצב ההיווצרות של האמוניה הוא M/s9.0 x 10–4 . • חשבו את קצב ההיעלמות של החנקן. • חשבו את קצב ההיעלמות של המימן. • חשבו את קצב התגובה. • תרגול: • ב- 30oC, 25 מ"ל של מלבין התפרקו ויצרו 50 מ"ל גז חמצן במשך 80 שניות. • קצב ההיווצרות של החמצן ניתן ע"י: a. 50.0 mL/80s b. 50.0 mL/30oC c. 25.0 mL/80s d. 25.0 mL/30oC 17

18. תרגול: נתונה התגובה הבאה (כל החומרים הם גזים): עקבו אחר ריכוז החמצן שנוצר במשך זמן מסויים. לפניכם הנתונים שנאספו: חשבו את קצב התגובה לאחר כל מדידה. האם קצב התגובה נשאר קבוע במהלך התגובה? מדוע? נמקו תוך התבססות על הרמה המיקרוסקופית. 18

19. ריכוז O2 סופי (M ) ריכוז O2 התחלתי ( M) זמן סופי (s) זמן התח-לתי ממוצע החישובים: , http://www.tutorvista.com/content/chemistry/chemistry-iv/chemical-kinetics/average-rate-reaction.php 19

20. תרגול: עבור התגובה A + 3B  2C, קצב התגובה נתון ע"י הביטוי Δ[A] / Δt-, וכן ע" הביטוי: a. Δ[B] / Δt b. -(1/3) Δ[B] /Δt c. -(1/2) Δ[C] / Δt d. Δ[C] /Δt 20

21. תרגול: נתונה התגובה 2CaCrO4(s) + 2H3O+(aq) 2Ca2+(aq) + 3H2O(l) + Cr2O72-(aq) (כתום) ניתן לקבוע את קצב התגובה, ע"י מעקב אחרי: א. שינוי במסת כלי התגובה נכון/ לא נכון ב. שינוי בצבע התמיסה נכון/ לא נכון ג. שינוי ב- pH התמיסה נכון/ לא נכון ד. שינוי בלחץ בכלי התגובה נכון/ לא נכון פתרו את אותה השאלה לגבי התגובה הבאה, המתרחשת בכלי פתוח: MgCO3(s) + 2H3O+(aq) Mg+2 (aq)+ 3H2O(l) + CO2(g) 21

22. קצב התגובה חוק הקצב או משוואת הקצב or rate equationRate law חוק הקצב או משוואת הקצב היא משוואה המקשרת בין קצב התגובה לריכוזי המגיבים. עבור התגובה: aA + bB → C חוק הקצב הוא: k הוא קבוע הקצב התלוי בטמפרטורה, נוכחות זרז וגורמים נוספים. את חוק הקצב ניתן לקבוע רק על סמך נתונים ניסיוניים. 22

23. ריכוז התחלתי, M קצב תגובה, M/sec ניסוי 1 ניסוי 2 ניסוי 3 דוגמה לנתונים ניסיוניים של ריכוז המגיבים וקצב התגובה ההתחלתי בשלושה ניסויים שונים: נתונה התגובה: בניסויים נמדדו הריכוזים של המגיבים וקצב התגובה בראשית התגובה. 23

24. ריכוז התחלתי, M קצב תגובה, M/sec ניסוי 1 ניסוי 2 ניסוי 3 כדי לחפש נתונים למציאת חוק הקצב (לרישום משוואת הקצב) יש להשוות שני ניסויים שבהם רק ריכוז אחד המגיבים משתנה. לדוגמה: ניתן להשוות את ניסוי 1 לניסוי 2. בשניהם ריכוז NO זהה, ורק ריכוז O2משתנה. אילו עוד שני ניסויים ניתן להשוות? 24

25. אז איך נמצא את חוק הקצב עבור התגובה ? ריכוז התחלתי, M קצב תגובה, M/sec ניסוי 1 ניסוי 2 ניסוי 3 אנו רואים כי בהשוואת ניסויים 1 ו- 2, כאשר ריכוז O2 מוכפל, גם קצב התגובה מוכפל. בהשוואת ניסויים 1 ו-3 אנו רואים כי כאשר ריכוז NO הוא פי שלושה, קצב התגובה מוכפל פי תשעה. 25

26. הנוסחה לחוק הקצבבמקרה זה תהיה: k [NO]n [O2]m = קצב התגובה ננסה לקבוע את ערכי n ו- m. קביעת m ריכוז NO נשמר קבוע. כאשר ריכוז O2 מוכפל, גם קצב התגובה מוכפל. כלומר: 2= 2m m=1 26

27. הנוסחה לחוק הקצבבמקרה זה תהיה: k [NO]n [O2]m = קצב התגובה קביעת n ריכוז O2נשמר קבוע. כאשר ריכוז NO הוא פי שלושה, קצב התגובה מוכפל פי תשעה. כלומר: 9= 3n n=2 27

28. קצב התגובה ריכוז התחלתי, M קצב תגובה, M/sec ניסוי 1 ניסוי 2 ניסוי 3 הנוסחה לחוק הקצב תהיה לכן: k [NO]2 [O2]1 = קצב התגובה נותר רק לחשב את k, ע"פ הנתונים של אחד מהניסויים: 28

29. קצב התגובה והתשובה הסופית: חוק הקצב לתגובה זאת, בתנאים בהם נמדדו הנתונים הוא: שימו : ראשית חישבנו את החזקות ואח"כ את קבוע הקצב. 29

30. שימו : את קצב התגובה ניתן לחשב הן ע"פ מעקב אחר קצב היעלמות אחד המגיבים או קצב היווצרות אחד התוצרים (תוך התחשבות במקדמים הסטויכיומטריים), והן ע"פ חוק הקצב, בעזרת קבוע הקצב וריכוזי המגיבים. זאת מכיון שקיים קשר הדוק בין ריכוז המגיבים וקצב היעלמות מגיב (או היווצרות תוצר). הסבירו קשר זה ברמה המיקרוסקופית בעזרת תורת ההתנגשויות ((Collision Theory. 30

31. קצב תגובה עד עכשו זה די פשוט- לא? מיד נתרגל את חוק הקצב. מתי חנוכה? 31

32. קצב התגובה M / s 1_ _ = K= M2 * s M3 מהן היחידות של קבוע הקצב? היחידות משתנות בהתאם לחזקות של המגיבים בחוק הקצב. לדוגמה: בתרגיל שזה עתה פתרנו, חוק הקצב הוא: היחידות של קצב התגובה הן M / s. נבדוק מהן היחידות של k: שימו - בחישוביכם לא תצטרכו לרשום יחידות לקבוע הקצב. 32

33. תרגיל: לפניכם נתונים עבור תגובה המתרחשת בין X ל- Y. מהו חוק הקצב עבור תגובה זו? שימו לשלבי הפתרון: רשמו את המשוואה לחוק הקצב חשבו את החזקות חשבו את קבוע הקצב רשמו את חוק הקצב. 33

34. בצעו ניסוי נוסף, בדומה לניסוי האחרון שבטבלה, אך שינו את ריכוז X ל- M 0.20. ריכוז Y נותר M 0.20. האם קצב התגובה ההתחלתי יהיה גדול, קטן או שווה ל- 8.0 x 103? נמקו ללא חישוב, תוך התבססות על הרמה המיקרוסקופית. 34

35. קצב התגובה סדר תגובה סדר התגובה עבור מגיב מסויים מוגדר כחזקה של ריכוז אותו מגיב בחוק הקצב של התגובה. דוגמה: מצאנו קודם את חוק הקצב עבור התגובה ע"פ חוק הקצב, סדר התגובה הוא 2 עבור המגיב NO, וסדר התגובה הוא 1 עבור המגיב O2. 35

36. קצב התגובה סדר התגובה הכולל עבור התגובה מוגדר כסכום כל החזקות של ריכוזי המגיבים בחוק הקצב. דוגמה: במקרה זה, סדר התגובה הכולל הוא: 2+1=3 שימו : סדר תגובה יכול להיות גם 0. במקרה זה קצב התגובה אינו תלוי בריכוז של לפחות אחד המגיבים (שהחזקה של ריכוזו היא 0). 36

37. נתבונן בתגובה BA. נתון כי סדר התגובה עבור A הוא 0. חוק הקצב עבור התגובה יהיה: מכאן שקצב התגובה אינו תלוי כלל בריכוז המגיב. באילו תגובות זה מתקיים? בתגובות המתרחשות על פני זרז הטרוגני. קצב התגובה תלוי בשטח פני הזרז ולא בריכוז המגיב. קצב התגובה= k [A]0 = k האנימציה נלקחה מהאתר: http://www.physics.usyd.edu.au/cmt/co_reaction2.gif 37

38. תרגול: מי מחוקי הקצב הבאים מתאים לתגובה מסדר 3 ? 1. קצב תגובה = 3 2. קצב תגובה = k[A] 3. קצב תגובה = k[A]2 4. קצב תגובה = k[A][B][C] 38

39. תרגול: בניסוי הגדילו את ריכוזו של המגיב A פי שלושה (כאשר ריכוז שאר המגיבים נותר קבוע), וקצב התגובה גדל פי 1.74. מהו סדר התגובה עבור המגיב A? • 0.5 • 1 • 2 • 3 39

40. תרגול: בתגובה מסוימת הכפילו את ריכוז המגיב A ואת ריכוז המגיב B. כתוצאה מכך קצב התגובה גדל פי שמונה. ידוע שסדר התגובה עבור A הוא 2. קבעו את סדר התגובה עבור B. • 2 • 1 • 3 • 0 40

41. נתון כי חוק הקצב עבור תגובה מסוימת הוא: פי כמה יגדל קצב התגובה אם נגדיל את ריכוז המגיב פי שלושה? קצב תגובה = k[A]2 תרגול: • 0.5 • 1 • 2 • 3 • 3 • 9 • 2 • 6 41

42. תרגול: נתון כי עבור התגובה קבוע הקצב הוא 14.5 1/M.s . הריכוז ההתחלתי של תמיסת החומצה החנקתית הוא M0.05 וריכוז תמיסת האמוניה הוא M0.1. ידוע כי התגובה היא מסדר ראשון הן עבור החומצה והן עבור האמוניה. א. רשמו את חוק הקצב עבור התגובה. ב. חשבו את קצב התגובה (לא לשכוח יחידות). ג. מהו סדר התגובה הכולל? HNO3 + NH3 NH4NO3 42

43. תרגול: כשמערבבים את החומרים A ו- B, מתקבל חומר C. לפניכם נתונים שהתקבלו בשלושה ניסויים: א. רשמו את חוק הקצב עבור התגובה. ב. חשבו את קבוע הקצב. ג. מהו סדר התגובה הכולל? 43

44. ריכוז זמן תרגול: רשמו את חוק הקצב עבור התגובה  BA, כאשר נתון כי התגובה היא מסדר 0 עבור A. כיצד יראה גרף ריכוז המגיב A עם הזמן עבור תגובה זו? 44

45. תגובה מסדר אפס קצב תגובה זמן כיצד יראה גרף קצב התגובה (ציר Y) מול הזמן? זכרו: קצב התגובה הוא שיפוע הגרף של ריכוז המגיב עם הזמן. עבור תגובה מסדר 0קצב התגובה הוא קבוע. האם הדבר נכון גם עבור תגובות מסדר גבוה יותר? 45

46. http://www.chm.davidson.edu/vce/kinetics/RateOfReaction.html 46

47. מנגנון התגובה הוא פירוט כל השלבים המתרחשים בעת ביצוע תגובה כימית. בתגובות כימיות נשברים קשרים כימיים ונוצרים קשרים חדשים. במקרים רבים שינויים אלה אינם מתרחשים בשלב אחד, אלא בסדרת שלבים, שבכל אחד מהם מתרחש שינוי קטן. כשישנן מולקולות רבות במגיבים, הסיכוי שכולן תתנגשנה יחד, בו זמנית, ליצירת התצמיד המשופעל הוא נמוך, ויש לשער שהתגובה מתרחשת בסדרת שלבים. דוגמה: התגובה אינה מתרחשת בשלב אחד, אלא בשני שלבים: CO + NO2 → CO2 + NO • 2 NO2 → NO3 + NO שלב איטי • NO3 + CO → NO2 + CO2שלב מהיר מנגנון תגובה 47

48. לכל שלב יש חוק קצב משלו. כל שלב במנגנון נקרא תגובה אֶלֶמֶנְטָרִית. קצב התגובה הכוללת נשלט ע"י השלב האיטי שנקרא שלב קובע מהירות ((Rate determining step. שלב זה הוא "צואר הבקבוק" לקצב התגובה כולה. אם יש הבדל ניכר בקצב התגובה של השלבים השונים, מדידות קצב התגובה נותנות, למעשה, את קצב התרחשות השלב קובע המהירות. 48

49. 49

50. דוגמה: נתונה התגובה: ע"פ ניסוח התגובה אנו מצפים כי חוק הקצב יכיל את שלושת המגיבים: אולם ע"פ תוצאות הניסויים מתברר כי חוק הקצב לתגובה זאת הוא: כלומר, קצב התגובה אינו תלוי כלל בריכוז יוני ההידרוניום! H2O2(aq) + 2H3O+(aq) + 2I-(aq) I2(aq) + 2H2O(l) = k[H2O2]n[H3O+]m[I]pקצב התגובה = k[H2O2][I]קצב התגובה 50