تحقیق مقاله سینتیک - آزمایشگاه شیمی

سینتیک

(اندازه گیری سرعت واکنش های شیمیایی و تعیین اثر غلظت بر آنها)

نام آزمایش :

اندازه گیری سرعت واکنش های شیمیایی و تعیین اثر غلظت بر آنها .

وسایل و مواد مورد نیاز :

6 عدد بشر ، سه عدد پی پت مدرج 10 میلی لیتری ، کرنومتر ، محلول پتاسیم یدات 0.2 مولار (1.70 گرم در 250میلی لیتر) ، سدیم پیرو سولفیت () ، اسید سولفوریک 3 مولار ، چسب نشاسته (برای تشخیص راحت تر) و آب مقطر .

مفاهیم وابسته :

مقدمه :

مطالعه ی عواملی که بر سرعت واکنش های شیمیایی مؤثرند ، علاوه بر دیدگاه تئوری از نظر صنعتی نیز حائز اهمیت است . چرا که می توان شرایط عمل را برای مناسب ترین حالت پیش بینی کرد .

کلیه ی برخورد های بین مولکول ها منجر به واکنش نمی شود ، بلکه با مقایسه ی کل برخورد های محاسبه شده در واحد زمان با سرعت مشاهده شده یک واکنش ، ملاحظه می شود که تنها کسر کوچکی از آنها مؤثر می باشند . وقتی در مورد یک واکنش معین در اثر تغییر یکی از شرایط آزمایش ، عده ی کل برخورد ها در واحد زمان ، یا تعداد برخورد های مؤثر و یا ترکیبی از این دو عامل بیشتر می شود ، سرعت واکنش افزایش می یابد . سرعت اکثر واکنش های شیمیایی با ازدیاد دما افزایش می یابد . همچنین غلظت موادی که بر هم اثر می کنند نیز در آن مؤثر است ، زیرا با ازدیاد غلظت یکی از اجزا ، تجمع مولکول ها در یک حجم معیین بیشتر شده ، عده ی کل برخورد ها در واحد زمان افزایش می یابد ، لذا سرعت واکنش بیشتر می شود . کاتالیزور نیز از دیگر  ترمودینامیک عوامل مؤثر بر سرعت واکنش می باشد .

سینتیک :

مبحث سینتیک مکمل مبحث ترمودینامیک است . ترمودینامیک می تواند انجام پذیر بودن یا نبودن واکنش را  پیش بینی کند . واکنش هایی که از لحاظ ترمودینامیک مجاز می باشند را از لحاظ سینتیکی بررسی می کنیم ، زیرا ممکن است سرعت واکنش به قدری کُند باشند که عملاً آنها را بی اثر بدانیم .

اختلاف ترمودینامیک و سینتیک در بررسی پدیده های مختلف در چند مورد است :

ترمودینامیک بر یک منطق ریاضی استوار است و نتیجه ی بررسی به صورت یک جواب قطعی ارائه می شود ، ولی روش های سینتیکی تنها بر مبنای یک منطق ریاضی شکل نمی گیرند و معمولاً بر اساس سعی و خطا است .

ترمودینامیک به مسیر فرآیند بستگی ندارد و فقط به حالت ابتدایی و نهایی بستگی دارد ، در حالی که روشهای سینتیکی به مکانیزم فرآیند بستگی دارند .

سرعت واکنش :

اگر واکنش  را در نظر بگیریم سرعت واکنش را می توان چنین تعریف کرد :

می توان سرعت یک واکنش را با سرعت مصرف مواد اولیه یا تولید محصولات نشان داد ، واکنش زیر را در نظر بگیرید :

اگر مواد اولیه به میزان ضرایب استوکیومتری واکنش مورد استفاده قرار گیرند و در صورتی که واکنش به میزان  پیشرفت کند (1<0<) داریم :

 را پارامتر پیشرفت واکنش می گویند ، پارامتر پیشرفت واکنش برای یک ماده ی اولیه به صورت نسبت ماده ی اولیه واکنش داده به کل ماده ی اولیه تعریف می شود . از طرفی پارامتر پیشرفت برای یک محصول به صورت نسبت ماده ی تولید شده به میزان نهایی تعریف می شود . با توجه به این تعاریف برای  در واکنش فوق داریم :

بنابراین زمانی که واکنش به میزان  پیشرفت کرده است ، مقدار A ، B ، C و D موجود به ترتیب عبارت اند از  ،  ،  و  . با جایگذاری این مقادیر در رابطه ی سرعت ها داریم :

رابطه ی اخیر را می توان به صورت زیر مرتب نمود :

با استفاده از رابطه ی بالا می توان سرعت به سرعت مصرف یا تولید هر یک از مواد اولیه یا محصولات تبدیل نمود . لازم به توضیح است که سرعت مصرف مواد اولیه منفی است در صورتی که سرعت تولید محصولات و سرعت واکنش منفی می باشد .

درجه ی واکنش :

معمولاً سرعت هر واکنش با حاصلضرب غلظت مواد اولیه آن متناسب است . یعنی برای واکنش قسمت قبل داریم :

نماهای  و  به مکانیزم واکنش بستگی دارند و باید به طور تجربی تعیین گردد . ضریب K را ثابت سرعت می نامند و تابع دما می باشد . اگر  و  باشد ، یعنی نما ها با ضرایب استوکیومتری برابر باشند ، واکنش را بنیادی گویند و در صورتی که  و  باشد ، واکنش را غیر بنیادی می نامند . از لحاظ مولکولی واکنش بنیادی واکنشی است که طی یک مرحله (یک یا چند برخورد همزمان بین دو یا چند ذره) انجام شود ولی واکنش غیر بنیادی واکنشی است که در چند مرحله انجام شود .

مجموع توان های جملات غلظتی را درجه ی واکنش گویند . درجه ی واکنش در واکنش های بنیادی تعداد برخورد های همزمانی است که منجر به واکنش می شوند .

در صورتی که از روابط دیفرانسیلی معادله ی سرعت واکنش های درجه صفر و یک و ... انتگرال گیری کنیم می توان روابطی بین غلظت و زمان بدست آورد که برای هر درجه شکل خاصی دارند .در این محاسبات فرض می شود دما و حجم ظرف در طول واکنش ثابت بماند و واکنش ها برگشت ناپذیر باشند .

تعیین درجه ی واکنش به صورت تجربی :

برای بررسی مکانیزم واکنش دانستن معادله ی سرعت آن ضروری است . محاسبه ی معادله ی سرعت و درجه ی آن به وسیله ی روش های تجربی مختلف تعیین می گردد که پنج روش می باشند :

الف) روش سرعت اولیه

ب) روش نیمه عمر

ج) روش رسم منحنی پاول

د) روش ترسیمی

ه) روش کاهش مرتبه ی واکنش

شرح آزمایش :

برای بررسی اثر غلظت مواد اولیه بر سرعت واکنش پتاسیم یدات و سدیم پیرو سولفیت در محیط اسیدی به صورت زیر عمل می کنیم (معادله ی موازنه شده در قسمت معادله ی واکنش ، آورده شده است .):

در این آزمایش در صورتی که غلظت یون یدات در محیط کافی باشد ، تمام یون های سولفیت موجود در محلول ، با اکسایش تبدیل به یون های سولفات شده ، ید نیز در محلول تولید می شود . با توجه به این که چسب نشاسته حتی در حضور غلظت های کم ید ، آبی رنگ می شود ، بر اساس شدت و مدت زمان تغییر رنگ محلول می توان به سرعت واکنش پی برد .