دانلود جزوه آموزشی سینتیک شیمیایی - شیمی پیش 1

بخشی از مقاله

تمام فرآيندهايي كه در جهان هستي در حال انجام شدن مي‌باشند با آهنگ يا سرعت خاصي رخ مي دهند. گستره اي از علم شيمي كه مربوط به سرعت واكنش هاي شيميائي مي باشد، سينتيك شيميائي نام دارد. سينتيك شيميائي با سرعت انجام يك فرآيند شيميائي و عوامل مؤثر بر سرعت سر و كار دارد.

اگر در محيط اطراف زندگي خود نگاه كنيم در اثر گذشت زمان، واكنش هاي شيميائي در حال رخ دادن مي باشند. برخي كند مانند زنگ زدن ، آهن و برخي تند مانند سوختن و ياخنثي شدن اسيد و باز مي باشند.

نكته: دقت شود در مورد سرعت خودبخودي بخودن معنا ندارد، به عبارتي خودبخودي بودن مفهوم سريع بودن را نمي رساند. بسياري از واكنش هاي خودبخودي آنچنان كند مي باشند كه شايد هفته ها و سالها در دماي معمولي رخ ندهند. مانند:

نكته1: خودبخودي بودن واكنش بحثي است ترموديناميكي و ترموديناميك با تعيين سطح انرژي واكنش دهنده ها و فرآورده ها و تغيير آنتروپي امكان وقوع واكنش را بررسي مي‌كند، در حالي كه سينتيك درباره چگونگي تبديل آن‌ها به يك ديگر و شرايط بهينه براي انجام شدن، واكنش را بررسي مي كند.

نكته2: سينتيك تابع مسير است.

سرعت يا شتاب يك فرآيند عبارت است از تغيير يك كميت معين در يك زمان معين. حال اين كميت معين مي‌تواند غلظت – بو – زنگ و … باشد.

همچنان كه در علم فيزيك، سرعت يك متحرك را با تغييرات جابه‌جائي متحرك در تغييرات واحد زمان، بيان مي كنيم در علم شيمي نيز به دنبال يك كميت هستيم تا در واحد زمان تغيير كند. از آنجائي كه در حين يك واكنش شيميائي تعداد مولها دستخوش تغيير مي شوند بنابراين سرعت يك واكنش شيميائي عبارت است از تغيير غلظت يك واكنش دهنده و يا يك فرآورده در واحد زمان.

مثلاً در واكنش اگر بخواهيم سرعت را برحسب جزء A حساب كنيم. (در علم شيمي سرعت را با R نمايش مي‌دهيم و از آنجائي كه سرعت يك واكنش ثابت نيست و با گذشت زمان تغيير مي كند. همچون علم فيزيك به بيان سرعت متوسط واكنش مي پردازيم يعني ) حرف R از كلمه Rate به معناي سرعت گرفته شده است.

توجه: [A] يعني غلظت A بر پايه مول بر ليتر

حرف يوناني (دلتا)‌به معناي تغيير يك كميت اندازه گيري شده است.

نكته3 : سرعت در لحظه هاي مختلف واكنش با يكديگر تفاوت دارد. به عبارتي سرعت يك واكنش در ابتدا زياد و با گذشت زمان از آنجائي كه غلظت واكنشگرها رو به كاهش مي‌گذارد، كم مي گردد.

سرعت يك واكنش كميتي است تجربي و با اندازه گيري سرعت مصرف واكنش دهنده (ها) يا سرعت توليد فرآورده (ها) معين مي گردد.

توجه گردد كه عبارت همواره يك عبارت منفي است. زيرا غلظت دوم A به دليل مصرف شدن همواره از غلظت اول A كوچكتر است و از آنجائي كه در علم شيمي سرعت بصورت مثبت بيان مي‌شود، بنابراين سرعت متوسط مصرف A را با عبارت:

به عبارتي همواره سرعت را با بيان يك علامت منفي براي واكنش دهنده (ها) بيان مي كنيم.

بنابراين مي توان سرعت را برحسب جزء (B) نيز تعريف نمود:

پرسش: تغييرهاي سرعت واكنش با پيشرفت زمان به چه ترتيب است؟

1) سرعت واكنش در ابتدا كم است و در نزديك پايان زياد مي شود.

2) در تمام مدت سرعت واكنش ثابت است.

3) سرعت واكنش در ابتدا زياد و در نزديك پايان كم مي گردد.

4) با پيشرفت زمان سرعت واكنش به طور منظم افزايش مي يابد.

نكته4 :

انتخاب واحد زمان در سطح دبيرستان اصولاً ثانيه (s) و دقيقه است (min) ولي براي واكنش كند مانند زنگ زدن آهن و يا خرد شدن صفحات كاغذي يك كتاب از واحدهاي نظير روز – هفته – ماه وسال استفاده مي شود. در اين بحث بيشتر از واحد ثانيه استفاده مي گردد.

بنابراين سرعت واحدهاي مختلفي دارد.

نكته5 : انواع واحدهاي سرعت

1- واحد mol/s يا mol/min

2- واحد mol/lit/s يا mol/lit/min يا M/S

3- واحد lit/s كه بيشتر براي گازها استفاده مي شود.

پرسش: در يك آزمايش 08/0 مول N₂ را در ظرف يك ليتري قرار داده تا با هيدروژن واكنش دهد. و مطابق واكنش زير آمونياك تشكيل گردد.

اگر در دقيقه هاي چهارم و هشتم پس از شروع واكنش مقدار N₂ باقيمانده در ظرف بترتيب 04/0 و 02/0 مول باشد سرعت متوسط مصرف N₂ در فاصله زماني دقيقه هاي چهارم و هشتم برابر است با :

1) ^3-10*5       2) ^2-10*1       3) ^2-10*2       4) ^3-10*5/2

نكته5: زماني كه سرعت واكنش بر حسب mol/s باشد آن را به صورت نمايش مي دهند و زماني كه سرعت واكنش برحسب مول بر ليتر بر ثانيه باشد آن را به صورت نمايش مي دهند.

نكته 6:

پرسش: 23/0 گرم سديم در مدت 100 ثانيه در آب حل مي شود، سرعت متوسط مصرف مولهاي سديم برحسب ثانيه كدام است؟                      23=Na

1) ^2-10*1       2) ^4-10*1       3) ^3-10*5/2     4) ^3-10*3/2

پرسش: اگر غلظت يكي از مواد در واكنش در مدت 25 ثانيه از 05/0 مول در ليتر به 025/0 مول بر ليتر كاهش يابد، سرعت متوسط آن واكنش در مدت زمان گفته شده برحسب، مول بر ثانيه كدام است؟

1) ^4-10*1       2) ^3-10*5/2     3) ^2-10*5       4) ^3-10*1

نكته 7:

پرسش: واكنش روبرو در يك ظرف 2 ليتري در حال انجام شدن است.

اگر در مدت 10 ثانيه مقدار NO₂ به 4/0 مول افزايش يابد، سرعت متوسط تشكيل NO₂ برحسب ^1-mol.S و ^1-M.S متر بترتيب كدامند؟

1) 04/0-02/0 2) 02/0-02/0 3) 04/0-04/0 4) 02/0-04/0

بررسي نمودار غلظت زمان در واكنش ::

با توجه به اين كه غلظت مواد اوليه رو به كاهش و غلظت مواد حاصل رو به افزايش است با گذشت زمان مي توان رسم نمود:

نكته 8: در رسم نمودار دقت كنيد مصرف يا توليد نسبي هر ماده در يك بازه زماني متناسب با ضريب استوكيدمتري آن ماده در معادله موازنه شده است.

پرسش: مطلوب است سرعت واكنش مصرف در فاصله زماني 10 تا 20 ثانيه ــــ؟

1) 01/0                  

2) 02/0

3) 1/0

4) 2/0

نكته 9 : بسيار مهم:

نكته 10:

پرسش :

در واكنش كدام گزينه صحيح است؟

1) 2R_B=3R_D                    2) 3R_B=2R_D

3) R_B=R_D                                                  4) 2R_B=R_D

پرسش: در واكنش اگر سرعت مصرف برابر ^1-mol.s6 باشد. سرعت توليد آمونياك بر حسب ^1-mol.s كدام است؟

1) 6          2) 3           3) 4           4) 1

نكته 11:

پرسش:

در واكنش سرعت تشكيل يا از بين رفتن كدام ماده از بقيه مواد كمتر است؟

1) H₂               2)       3) Fe                           4)

نكته 12:

هر چه ضرايب استوكيومتري يك جزء شركت كننده در واكنش بيشتر باشد به آن معناست كه شيب نمودار غلظت زمان (سرعت) آن واكنش بيشتر است.

مثلا نمودار واكنش (شيب خط منفي نشان مصرف است و شيب خط مثبت نشانه توليد است.)

نكته : بلورها توانايي زيادي براي جذب سطحي مواد گازي شكل دارند مانند جذب بخار آب موجود در هوا. بعنوان مثال واكنش زير را در نظر بگيريد.

دقت نمائيد با كوبيدن اين دو جامد در هاون سطح تماس مناسب و بسيار بيشتر برقرار شده همراه با جذب سطحي بخار آب موجود در هوا.

پرسش : در يك ارلن 100 ميلي ليتر محلول 2 مولار دي نيتروژن پنتا اكسيد درتترا كلريد كربن قرار داده شده است تا مطابق واكنش زير تجزيه گردد.

پراز 5 دقيقه ديده شد كه غلظت به 98/1 مولار كاهش يافته است، سرعت متوسط تجزيه و سرعت تشكيل NO₂ برحسب كدام مي 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 واكنش:

عوامل مؤثر بر سرعت متعدد مي باشند ولي 5 عامل آن كه در كتاب درسي بررسي شده است، عبارتند از:

• طبيعت واكنش دهنده ها 2- حالت فيزيكي 3- غلظت 4- دما 5- كاتاليزور. از بين اين 5 عامل شماره يك از ديگر عوامل مهمتر است.

1- طبيعت واكنش دهنده ها: جرقه در مخلوطي از H₂ و O₂ سبب مي شود كه واكنش انفجاري شديد توليد آب رخ دهد ولي همين جرقه در مخلوط N₂ و H₂ جهت توليد آمونياك بي اثر است. بنابراين طبيعت واكنش اول بسيار متفاوت تر از طبيعت واكنش دوم است. به عبارتي طبيعت با متفاوت است. بنابراين نوع مواد شركت كننده در واكنش بسيار مهم است. سه سطر سرعت كدام واكنش زير بيشتر است و چرا؟

پرسش: واكنش كدام عنصر زير با آب شديدتر است؟

1)   Na            2) K                   3) Rb                 4) Cs

• حالت فيزيكي مواد: همچنان كه مي دانيد ماده مي تواند به 3 حالت فيزيكي جامد – مايع و گاز باشد – از آنجا كه براي انجام واكنش بايد واكنش دهنده ها مخلوط شوند تا در مجاورت يكديگر قرار گيرند. بنابراين واكنش ميان مواد گوناگون در فازهايي كه چنين شرايطي را فراهم مي آورند، سريع تر خواهد بود – مثلا تمام مواد واكنش دهنده گاز يا محلول در آب باشند، واكنش با سرعت بيش‌تري رخ مي‌دهد. اما اگر واكنش ميان يك گاز و يك جامد رخ دهد فقط سطح تماس ماده جامد (مرز ميان دو فاز) در اين واكنش مؤثر است و بنابراين خرد كردن ماده جامد باعث ايجاد افزايش سطح تماس مي‌شود.

كدام واكنش زير سريع تر است؟                    

نكته: هر چه ذره‌هاي واكنش دهنده تحرك بيشتري داشته باشند برخوردها با انرژي بيشتر و سرعت واكنش نيز بيشتر مي گردد.

فاز جامد >فاز مايع > فاز گازي             : سرعت واكنش

3- غلظت: غلظت يك واكنشگر در سرعت آن ماده اثر بسيار مهمي دارد.

اين عبارت كه چگونگي وابستگي سرعت را با غلظت بيان مي دارد قانون سرعت ناميده مي شود. مثلاً واكنش زير را در نظر بگيريد.

با فرض اين كه واكنش برگشت رخ نمي دهد. قانون سرعت يا معادله سرعت كه وابستگي سرعت به غلظت را مي رساند چنين نگارش مي گردد.

معادله سرعت =

K ثابت سرعت است و m و n مرتبه واكنش بترتيب نسبت به NO₂ و H₂ ناميده مي‌شوند و بايستي از راه تجربه يا به عبارتي انجام آزمايش تعيين گردند.

K نيز كميتي است تجربي، مقدار n يا m مي تواند يك عدد صحيح (و يا صفر) و حتي اعشاري باشد اگر مقدار m و n صفر باشند، چنين واكنشي را مرتبه صفر گويند. به جمع توانهاي m و n مرتبه نسبت به كل واكنش گويند.