dr.elhelece chemistry kinetics 330chem
Post on 07-May-2015
384 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Chemical Kinetics
الحركية الكيمياء
330 Chem
1Dr. Wael A. El-Helece
Chemical Kinetics الحركية الكيمياءRate of chemical reactions التفاعل معدل
الكيميائي
factors affecting the rate of reaction التفاعل سرعة على المؤثرة العوامل
الكيميائي
order of reaction and half life time عمر وفترة التفاعل رتبة
النصف
determination of rate سرعة تعين
التفاعل
order and rate constant of chemical reaction التفاعل وثابت رتبة
الكيميائي
Arrhenius equation ارهينوس معادلة
determination of activation energy التنشيط طاقة تعين
collision theory transition state والحالة التصادم نظرية
البينية
chain reaction and reaction mechanism وميكانيكية السلسلة تفاعالت
.التفاعل
2Dr. Wael A. El-Helece
Chemical Reactions الكيميائية التفاعالت
Making new substances out of old substances
قديمة أخرى مواد من جديدة مواد إنتاج
How fast do reactions go?
ما؟ تفاعل مدىسرعة ما
This is the subject of موضوع هو هذا
Chemical Kinetics الكيميائية 3Dr. Wael A. El-Helece الحركية
examples. أمثلة
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l).
C(diamond) → C(graphite).
2 NO(g) + O2(g) → 2 NO2(g). 4Dr. Wael A. El-Helece
Factors Influence Reaction Rates التفاعل سرعة على المؤثرة العوامل الكيميائى Nature of Reactants المتفاعلة المواد طبيعةAcid-base reactions, formation of salts, and exchange of ions are fast reactions. Reactions in which large molecules are formed or break apart are usually slow. Reactions breaking strong covalent bonds are also slow.
Temperature الحرارة درجةUsually, the higher the temperature, the faster the reaction. The temperature effect is discussed in terms of activation energy.
Concentration Effect التركيز تأثيرThe dependences of reaction rates on concentrations are called rate laws. Rate laws are expressions of rates in terms of concentrations of reactants.
•rate laws: differential and integrated rate laws. •Integrated rate laws: First Order Reactions & Second Order Reactions
Rate laws apply to homogeneous reactions in which all reactants and products are in one phase (solution). •Heterogeneous reactions: reactants are present in more than one phaseFor heterogeneous reactions, the rates are affected by surface areas.
Catalysts: substances used to facilitate reactions By the nature of the term, catalysts play important roles in chemical reactions. 5Dr. Wael A. El-Helece
Rate Equation التفاعل معادلة
[A ] and CA mean concentration of A in mol/L.
Reaction Velocity υ التفاعل سرعة
aA + bB → cC + dD
6Dr. Wael A. El-Helece
Rate Laws السرعة قوانين
The reaction velocity is related to a time-
derivative of one of the concentrations.
المتفاعالت أحد تركيز في دالة التفاعل سرعة
. للزمن بالنسبة
7Dr. Wael A. El-Helece
where x, y, z,… are small whole numbers or
simple fractions.
k is the rate constant. التفاعل k ثابت
The sum of x + y + z + . . . is called the
"order" of the reaction. برتبة يعرف النسب مجموع
التفاعل8Dr. Wael A. El-Helece
Common types of rate laws
قوانين من المشهورة األنواع
السرعة
First Order Reactions الرتبة من تفاعل
األولى
Second Order Reactions الرتبة من تفاعل
الثانية
Third Order Reactions الرتبة من تفاعل
الثالثة
9Dr. Wael A. El-Helece
First Order Reactions الرتبة تفاعالت
األولى
B + other reactants → productsυ =
υ = rate = k[B]
10Dr. Wael A. El-Helece
Background on Rates & Mechanismsوالميكانيكيات السرعات على مراجعة
Chemists study reactions. Some of what we study:
: ندرسه , مما بعضا التفاعالت يدرسون الكيميائيين
- Major & Minor Products األساسية النواتج والفرعية
- Reactants المتفاعالت
- % Completion االكتمال نسبة
- Effects of Catalysts المساعدة العوامل تأثير
- Separation and Purification of Products فصلالنواتج وتنقية
- Effects of Variables on Rxn Speed (rate) & on Products وكذا التفاعل سرعة على المتغيرات تأثير
النواتج على
- Rates of the Reaction التفاعل سرعات
- Mechanism of the Reaction حدوث طريقة التفاعل
11Dr. Wael A. El-Helece
These chapters deal with rates & mechanisms of reactions.
حدوث التفاعالتوطريقة سرعة مع تتعامل األجزاء هذه
التفاعل
Mechanism: Step-by-step progress of the chemical reaction.
الميكانيكية. الكيميائى: التفاعل تقدم بخطوة خطوة
Rate: How fast the reaction proceeds (usually Δ M / Time)
الزمنى: ) المعدل المعدل عادةا التفاعل حدوث مدىسرعة
) التركيز فى للتغير 12Dr. Wael A. El-Helece
Background on Rates & Mechanismsوالميكانيكيات المعدالت على مراجعة
Study of rates is useful since the results will:
: فى نتائجه نافع علم المعدالت دراسة
1) Indicate how to manipulate factors to control the reaction
فى( 1 والتحكم المختلفة العوامل من االستفادة يمكن كيف تبين
التفاعل.
2) Lead to the mechanism of the reaction
2. التفاعل( حدوث طريقة تقود
3) Indicate time needed to get a given amount of product
3. النواتج( من محددة كمية على للحصول الالزم الزمن تحدد
4) Indicate amount of product in a given amount of time
4. محددة( زمنية فترة عند الناتج كمية 13Dr. Wael A. El-Heleceتحدد
Background on Rates & Mechanismsالسرعات على مراجعة
والميكانيكياتStudy of mechanisms important. With the mechanism we can: , طريق عن في مهمة التفاعل حدوث طريقة دراسة
نستطي عالميكانيكية
1) Predict products of similar reactions نواتج تحددالمماثلة التفاعالت
2) Better understand the reaction للتفاعل جيد فهم
3) Accurately manipulate the reaction for a desired result
محددة نواتج على للحصول التفاعل توجيه تحديدا
4) Organize and simplify the study of organic chemistry
العضوية الكيمياء دراسة وتبسيط تنظيم
Example: مثال OH I
CH3-CH-CH3 + H+ + I- -------) CH3-CH-CH3 + H2O
14Dr. Wael A. El-Helece
Background on Rates & Mechanisms
والميكانيكيات السرعات على مراجعة Main Factors which influence reaction rate:
: التفاعل معدل في تؤثر التي األساسية العوامل Concentrations of Reactants المتفاعلة المواد تراكيزRates usually increase as reactant concentrations increase.
. المتفاعلة المواد تركيزات بزيادة تزداد عادةا المعدالت Reaction Temperature التفاعل حرارة درجةAn increase in temperature increases the rate of a reaction.
. التفاعل معدل تزيد الحرارة درجة في الزيادة Presence of a Catalyst حفاز عامل وجود (not all rxns have catalysts) مواد توجد التفاعالت ليسكل
مساعدة
15Dr. Wael A. El-Helece
Background on Rates & Mechanismsوالميكانيكيات السرعات على مراجعة
A catalyst is a substance which increases the rate of a reaction without being
consumed in the overall reaction.
. تتغير أن دون التفاعل معدل تزيد مادة هو المساعد العامل
The concentration of the catalyst or its surface area (if insoluble) are variables
which influence the rate.
. التفاعل تحث متغيرات سطحه مساحة أو الحفاز العامل تركيز
Some catalysts are incredibly complex - like enzymes; and others are quite simple:
, يكون وبعضها اإلنزيمات مثل كبير بشكل معقدة تكون الحفازة العوامل بعض
بسيط.
H+ + H2O + CH2 = CH2 ------) CH3-CH2-OH + H+
Type of Reactants المتفاعالت أنواعSurface Area of an Insoluble Reactant متفاعل سطح مساحة
اليذوب 16Dr. Wael A. El-Helece
Rates التفاعل معدالت Reaction Rate = either the increase in M of product per unit time or
the decrease in M of reactant per unit time; ΔM / ΔTNote: [X] = moles X / Liter
, : تركيز فى النقصان أو الزمن لوحدة النواتج تركيز فى الزيادة اما التفاعل معدل. للزمن بالنسبة المتفاعالت
Example: H+ Catalyst
Sucrose + H2O ــــــــــــــــــــــ Glucose + Fructoseفركتوز + + جلكوز ــــــــــــــــــــــــــــ الماء السكروز
Rate = rate of formation of either product.
Rate = Δ M of glucose / Δsec = + Δ[glucose] / Δsec or
Rate = rate of disappearance of either reactant.
Rate = - Δ[sucrose] / Δsec In order to obtain rate, we need a way to measure ΔM of any
reactant or product with respect to time. لقياس الىطريقة نحتاج التفاعل سرعة تعين نستطيع لكى
. للزمن بالنسبة التركيز 17Dr. Wael A. El-Helece
Rates التفاعل معدالت Example: 2 N2O5 -----) 4 NO2 + 1 O2
If we want to equalize the rates then:
Rate = Δ[O2] = 1/4 Δ[NO2] = - 1/2 Δ[N2O5]
Δt Δt Δt
*divide by balancing coefficients when we equalize rates.
. السرعات معادلة نستطيع الوزن معامالت على القسمة
Various Rates can be determined: تعينها يمكن المختلفة المعدالت
1) instantaneous rate at a given time; محدد زمن عند الوقتية السرعة
2) average rate over a long period of time; فترات خالل فى المتوسطة السرعة
كبيرة زمنية
3) the initial rate – rate at the beginning of the rxn (this is used the most).
.( استخداما : ( أكثر التفاعل بدء عند السرعة االولى السرعة
18Dr. Wael A. El-Helece
Dr. Wael A. El-Helece 19
Rates التفاعل معدالت
On next slide the Δ[O2] versus time is plotted for a reaction.
: مع االكسجين غاز تركيز فى التغير التالية الشريحة فى
للتفاعل رسم الزمن
2N2O5 4NO2 + O2
Note: الحظ
1) how the rate changes with time.
الزمن مع المعدل يتغير .كيف
2) that rate is the tangent at a given point on the curve.
. المنحنى على نقطة اى عند الميل هو المعدل
Rates التفاعل معدالت
20Dr. Wael A. El-Helece
Rates التفاعل معدالت
21Dr. Wael A. El-Helece
Rates التفاعل معدالت
Calculate the Average Rate for: ل المتوسط المعدل احسب
I- + ClO- -----) Cl- + IO-
Given the [I-] and time in seconds, then what is the average rate?
المتوسط؟ المعدل ماهو ثم ومن بالثوانى والزمن اليوديد تركيز علما
Time (s) M I-
2.00 0.00169
8.00 0.00101
- Rate = - ΔM / ΔT
- Rate = - (0.00101 - 0.00169) M / (8.00 - 2.00) s = 6.8x10-4 M / 6.00s
- Rate = 1.1 x 10-4 M/s 22Dr. Wael A. El-Helece
Rates التفاعل معدالت
Need to obtain the change in M of a given reagent per change in time; could follow any parameter related to concentration.
. للزمن بالنسبة التركيز فى التغير على الحصول الى نحتاج (.) التركيز على يعتمد عامل اى تتبع يمكن
Examples of what one might follow to obtain rates:
. المعدل على للحصول نتتبعه ما على أمثلة- A change in pressure (if gas produced or consumed in the rxn)
-.) غاز ) على التفاعل احتوى اذا الضغط فى التغير- A change in pH (if acidity changes in the rxn)
- ( فى الحموضة تغير اذا الوسط حموضة فى التتغيرالتفاعل(.
- A change in absorbance of electromagnetic radiation (EMR)-. كهرومغناطيسى امتصاصالشعاع فى التغير
23Dr. Wael A. El-Helece
Usually measure absorbance of Visible or UV EMR at a given λ - caused by a
change in reactant or product concentration.
موجى طول عند البنفسجية فوق االشعة المرئى الضوء امتصاص عادةا
. النواتج او المتفاعالت احد تركيز فى لتغير نتيجة يكون محدد
A = Εbc at given λ (wavelength) This is Beer’s Law. قانون محدد موجى طول عند
المبرت)بيير)
Rates التفاعل معدالت
24Dr. Wael A. El-Helece
Rates التفاعل معدالت
A = absorbance; use spectrophotometer to measure; has no units.
A ( : وحدة ليسلها االمتصاص قياسطيف جهاز نستخدم االمتصاصية
قياس(.
Ε = molar absorptivity = a constant @ given λ; has units of M-1cm-1
Ε ( : وحدة المحدد الموجى الطول عند يعطى ثابت النوعية النفاذية
(.1-سم 1-القياسموالر
b = pathlength of EMR through sample; usually 1.00 cm cuvette used.
b .) جهاز ) لكل ثابت المسار طول
c = concentration in M
c . بالموالر التركيز
A plot of A versus M @ given λ will yield a straight line and the equation:
خط يعطى محدد موجى طول عند التركيز مع االمتصاصية رسم: تكون والمعادلة مستقيم
A = Ebc + intercept If follow ΔA then can convert to ΔM & get rate.
التركيز فى التغير الى يتحول ان يمكن االمتصاصية فى التغير تتبع. المعدل وبالتالى
25Dr. Wael A. El-Helece
III. Rate Law السرعة قانونrate = k x [A]m x [B]n for A + B Products
Rate Law relates the rate to temperature & concentration.
. : والتركيز الحرارة بدرجة المعدل يربط السرعة قانون Rate law is given in terms of REACTANTS only (convention).
.) اتفاق ) فقط المتفاعالت بداللة السرعة قانون k = rate constant & handles the temperature variable.
. الحرارة متغير ممسك التفاعل ثابت The exponents are the order & handle the concentration variables.
. التركيز متغيرات فى وتتحكم الرتبة هى االدلة General form of the rate law for: التفاعل لمعادلة العام الشكل
a A + b B c C + d D
rate = k x [A]m x [B]n
26Dr. Wael A. El-Helece
Dr. Wael A. El-Helece 27
Order for A is m هى رتبة
order for B is n; هى رتبة
Overall order is: m + n الكلية هىالرتبة
- m & n are determined experimentally.
- k, also determined experimentally & units depend upon overall order.
III. Rate Law السرعة قانونrate = k x [A]m x [B]n for A + B Products
III. Rate Law السرعة قانون
Rate Constant & Units والوحدات السرعة ثابت
Note: Assume time is in seconds (s). Rate = k [A]x
Solve for k & plug in units; k = Rate / [A]x
Overall Rxn Order, x Units for k
zero Ms-1
first s-1
second M-1s-1
third M-2s-1
28Dr. Wael A. El-Helece
III. Rate Law السرعة قانون Example: 2 NO2 + 1 F2 ----) 2 NO2F Rate= k [NO2]n x
[F2]m
In the laboratory, the overall rate was found to be second order. n + m = 2 Possibilities: n=2 & m=0; n=0 & m=2; n=1 & m=1
Experiments demonstrated that n=1 and m=1; How? By running the reaction at least three times: #1 – getting rate at certain initial concentrations of NO2 & F2 ; #2 – getting rate when keeping [NO2] the same & doubling [F2]; #3 – getting rate when keeping [F2] the same & doubling [NO2].
They found that doubling [NO2] doubled the rate & doubling [F2] doubled the rate; so, both coefficients had to be 1.
Rate = k [NO2]1 [F2]1
29Dr. Wael A. El-Helece
III. Rate Law السرعة قانونRate Constant التفاعل ثابت
Determination of the rate constant, k. You are given:1) aA + bB cC + dD 2) Rate = k[A]0[B]1 (0 & 1 were determined experimentally)3) M of A & B = 2.00 moles/L & Rate = 2.50 x 10-2 M/s
Determine the value for k & give complete rate expression.
Rate = k[A]0[B]1 k = Rate [A]0[B]1
k = Rate = 2.50 x 10-2 M/s = 2.50 x 10-2 M/s [A]0[B]1 [2.00 M]0 x [2.00 M]1 [1] x [2.00 M]1
k = 1.25 x 10-2 s-1
Rate = (1.25 x 10-2 s-1) [A]0 [B]1 (completed rate expression)
30Dr. Wael A. El-Helece
III. Rate Law السرعة قانون
Rate Law for a reaction is found experimentally except for a single step in a mechanism (elementary reaction). Assume rxn is NOT elementary unless told that it is a one step in mechanism.
Given: 1NO2 + 1CO -----) 1NO + 1CO2
By experiment, the rate law was found to be:
rate = k[NO2]2[CO]0 or rate = k[NO2]2 ( Note: [CO]0 = 1 )
The order WRT each reactant & the overall order are:
2nd order WRT NO2 0th order WRT CO 2nd order overall31Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order
The concentration variables are handled by the exponents - the order.
The orders are determined experimentally except for one case: An
elementary reaction. Elementary reactions are one step reactions which are the individual
steps in a mechanism. (For an elementary reaction only: the balancing coefficients determine the order.) - Important
Example 1 for a multistep reaction: 1 CH2Br2 + 2 KI ---) 1 CH2I2 + 2 KBr
If experimentation found that m & n were both first order; then:
rate = k [CH2Br2 ]1 [KI]1
Example 2 for an elementary reaction: 2 O3 ---) 3 O2 (told it is elementary)
No need for experimentation; order comes from balancing coefficients:
rate = k[O3]2
32Dr. Wael A. El-Helece
IV. Determination of Order التفاعل رتبة تعين Order - from units of k: If you are given the units of the
rate constant for a reaction, then you will know the overall order.
: ثابت وحدات علمت اذا الثابت وحدات من الرتبة. الرتبة معرفة يمكن اذا التفاعل
Order by Method 1 - from altering M: Measure initial rates keeping one reactant constant and change the concentration of another; observe the rates.
بالطريقة حفاظا: 1الرتبة االولية المعدالت نقيساالخر وتغير ثابت المتفاعالت احد تركيز على
. المعدل ونالحظ Order by Method 2 - from integrated rate expression:
The rate between the limits of time = 0 & time = t. By plotting out the variables of these integrated rate expressions you can determine the order.
بالطريقة الزمن: 3الرتبة بين المعمل فى .tوالزمن 0المعدل 33Dr. Wael A. El-Helece
IV. Determination of Order by varying Mالتركيز تغيير طريق عن الرتبة تعين
Example #1: Determine the order for & rate expression for:
2N2O5 ---) 4NO2 + 1O2 rate = k [N2O5]m
Exp #1: Rate = 4.8x10-6 Ms-1 at 1.0x10-2 M N2O5
Exp #2: Rate = 9.6x10-6 Ms-1 at 2.0x10-2 M N2O5
Order: Note that when [N2O5] doubles, the rate doubles. Since
rate α [N2O5]m & rate doubles when [N2O5] doubles, the value of
must be 1; the order is 1.
- rate α [N2O5]m & rate doubles when [N2O5] doubles, then: go from [1]m = 1 to [2]m = 2 m has to be 1
Rate law: rate = k x [N2O5]1 34Dr. Wael A. El-Helece
IV. Determination of Order by varying M عنطريق الرتبة تعينالتركيز تغيير
Summary ملخص
EFFECTS of doubling reagent M while keeping others constant:
تراكيز على الحفاظ بينما التركيز مضاعفة تأثيرات
: االخرى المتفاعالت
Rate remains the same نفسه المعدل 0يظل th order:[M]0
Rate doubles المعدل 1 يتضاعف st order:[M]1
Rate quadruples اضعاف اربعة 2 المعدل nd order:[M]2
Rate increases eightfold اضعاف ثمانية 3المعدل rd order:[M]3
35Dr. Wael A. El-Helece
IV. Determination of Order by varying Mالتركيز تغيير طريق عن الرتبة تعين
Example #2: 2 NO + Cl2 -----) 2 NOCl - Calculate order of Rxn
Exp Initial [NO] Initial [Cl2] Initial Rate, Ms-1
1 0.0125 0.0255 2.27x10-5
2 0.0125 0.0510 4.57x10-5
3 0.0250 0.0255 9.08x10-5
Rate = k[NO]m[Cl2]n
a) calculate n: From 1 & 2 - double [Cl2] & keep [NO] constant
& rate increases by factor of 2.01; n = 1
b) calculate m: From 1 & 3 - double [NO] & keep [Cl2] constant
& rate increases by factor of 4.00; m = 2
Rate = k[NO]2[Cl2]1
2nd order wrt [NO]; 1st order wrt [Cl2]; 3rd order overall 36Dr. Wael A. El-Helece
Order by Method #2
بطريقة 2الرتبةfrom integrated rate expression:
التكاملى المعدل من Integrate the rate expression between the limits of time = 0 and time = t. By plotting out the variables of these integrated rate expressions you can determine the order. You will be doing this in the kinetics lab.
والزمن صفر الزمن الحدود بين السرعة معادلة برسم tكاملفى يمكن وهذا المعدل ايجاد نستطيع النتغيرات بين العالقة
المعمل.
37Dr. Wael A. El-Helece
IV. Determination of Order by Integrated Rate Expression
Summary on use of logarithms Log: involves #’s to the base 10; Log 10x = x Ln: Natural log uses #’s to the base e; Ln ex = x Ln [A/B] = Ln A - Ln B (or Log) Ln [A x B] = Ln A + Ln B (or Log) Ln Ab = b Ln A (or Log)
To obtain either log or ln use the appropriate calculator function. Log 2.1x10-4 = - 3.68 (note significant figure change - see below)
(-4.0000000…. + 0.32 = -3.68 ; cut off at first doubtful digit)
To remove Ln & Log use the inverse; ex & 10x functions on cal. Inverse [log 3.00] or 103.00 = 1.0 x 103
Inverse [ln 3.00] or e3.00 = 20.
38Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order Integrated Rate Law - First Order Rxnsاالولى الرتبة من تفاعل المتكامل التفاعل معدل الرتبة
[A]
Time
39Dr. Wael A. El-Helece
1) 1st Order Reactions: aA → Products If 1st order, then
-Δ[A]/Δt = k[A]1 (rate expression)
- This plot for first order data only gives minimal informationالرتبة - من للتفاعل الرسم الحد 1هذا تعطي البيانات
. المعلوماتفقط من األدنى
IV. Order Integrated Rate Law - First Order Rxnsاالولى الرتبة من تفاعل المتكامل التفاعل معدل الرتبة
1) 1st Order Reactions: aA -----) bB -Δ[A]/Δt = k[A]1
- if we integrate from time t to 0, we get the following: Y = mX + b
ln[A]t = - kt + ln[A]o or ln{[A]t/[A]o} = -kt
where [A]t = M of A at time = t & [A]o = M of A at t = 0- A plot of ln[A]t versus t gives a straight line (Y = mX +b):
b Slope (m) = - k
Note: Only linear for 1st order
ln[A]t
Time, t 40Dr. Wael A. El-Helece
Must be 1st order since plot of ln[N2O5] vs t is linear. Can get k from the slope.
Example of an integrated rate plot for a 1st order reaction
Slope = -k = rise/run
41Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order Example using 1st order integrated equation
Example: 2N2O5 ---) 4NO2 + O2 rate = k [N2O5]1 (1st order)
Given: k = 4.80x10-4s-1 & [N2O5]t=o = 1.65x10-2 M; what is [N2O5] at 825 s?
ln [A]t = - k x t + ln [Ao]
ln [N2O5] = - 4.80x10-4s-1 x 825 s + ln [1.65x10-2]
ln [N2O5] = - 0.396 + - 4.104
ln [N2O5] = - 4.500
Take inverse ln or anti ln of both sides & get:
inverse {ln [-4.500]} or e -4.500 = 0.0111
[N2O5] = 0.0111 M 42Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order Integrated Rate Law - First Order Rxns
Half-Life (t1/2) of 1st Order Reaction:
t1/2 = time it takes for [A]o to decrease to 1/2 initial M = ½[A]o
ln [A]t / [A]o = -kt ln 1/2[A]o / [A]o = -kt1/2
ln 1/2 = -kt1/2 -0.693 = -kt1/2 t1/2 = 0.693 / k
Note: 1) Time for 1/2 to disappear is independent of [A] for 1st order reaction. 2) This is an easy way to calculate 1st order rate constant, k.
Example: If t1/2 = 189 sec for 1st order decomposition of 1.0 mole of H2O2, then how much H2O2 will be left after 378 sec?
Note: 378/189 = 2 Goes through two half lives
1.0 mol → 0.50 mol → 0.25 mol 43Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order Integrated Rate Law - First Order Rxns
Example: Given a) k = 3.66x10-3s-1 for decomposition of H2O2
and b) [H2O2]o = 0.882 M. Calculate:
1) t1/2
2) How much will be left after one half-life?
(Note: Reaction must be 1st order – examine units for k)
1) t1/2 = 0.693/k
t1/2 = 0.693 / 3.66x10-3s-1 = 189 s
2) M of [H2O2] cut in half in one half-life (t1/2) ; will go from 0.882 to 0.441 M in 189 s.
44Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order Integrated Rate Law - Second Order Rxns2) Second Order Reactions:
- Assume that aA -----) Products is 2nd order
Rate = - Δ[A] / Δ t = k [A]2
Integrate rate expression from time t to 0 & get following:
1/[A]t = k t + 1/[A]o So, a plot of 1/[A]t vs t should give a straight line with slope = k and y intercept = 1/[A]o
t1/2 = 1 Note: Now t1/2 depends on initial M
k x [A]0
Note: can tell if reaction is 2nd order from 1/[A] vs t plot. 45Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order Integrated Rate Law - Second Order Rxns Example
Plot of ln[NO2] vs t is not linear – not 1st order.
46Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order Integrated Rate Law - 0th Order
3) 0th Order Reactions Assume A → B is 0th order:
Rate = -k[A]0
Rate = -k
- “Integrated” Rate Equation for a 0th order reaction:
[A]t = -k x t + [A]0
- a plot of [A]t versus t will give a straight line
- Again, if you let [A]t = 1/2 [A]o then t = t1/2
- t1/2 = [A]0 / 2k47Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order Integrated Rate Law - Summary
Δ Rate when double [M]
None
Double
Quadruple
48Dr. Wael A. El-Helece
IV. Order Integrated Rate Law - Summary
[A]t
Time, t
ln[A]t
Time, t
1/[A]t
Time, t
0th Order n=0[A]t = - kt + [A]o
1st Order n=1ln[A]t = - kt + ln[A]o
2th Order n=21/[A]t = kt + 1/[A]o
A B Δ[A]/Δt = k[A]nNote: slope = -k or k in each case
49Dr. Wael A. El-Helece
A collision needs to occur before a reaction can take place, & the rate constant (& rate) of the reaction depends upon the:وكذا السرعة وثابت التفاعل يحدث كى تصادم يحدث ان يجب
: على يعتمد والتفاعل السرعة1) collision frequency التصادم تردد (temperature) درجةالحرارة2) number of collisions having enough energy for rxn (Ea)
. التفاعل لحدوث كافية طاقة تملك التى التصادمات عدد3) orientation of particles upon collision
. التصادم اثناء الجزيئات اتجاهات Ea = energy of activation = minimum energy of collision in order
for the reaction to take place. : لحدوث التصادم اثناء الطاقة من قدر اقل التنشيط طاقة
التفاعل. Ea & ΔH can be represented by Potential Energy Diagram; can
draw for one step or for several steps in a mechanism.
50Dr. Wael A. El-Helece
V. Temperature & Reaction Rate التفاعل وسرعة الحرارة درجة
V. Temperature & Reaction Rate التفاعل وسرعة الحرارة درجة
ΔH(Exothermic)
طارد للحرارة
What is Ea for reverse reaction?
للتفاعل التنشيط طاقة مقدار ماالعكلسي؟
51Dr. Wael A. El-Helece
A) Potential Energy Diagram for an Elementary Reaction
واحدة خطوة من لتفاعل الوضع مخطططاقة
V. Temperature & Reaction Rate التفاعل ومعدل الحرارة درجة Arrhenius Equation اررهينوس معادلة
Arrhenius Equation relates: rate constant (k), temperature (T), energy of activation (Ea in J/mole), & orientation factor.
وكذا التنشيط وطاقة الحرارة ودرجة المعدل ثابت تربط اررهينوس معادلة. التوجيه عامل
k = A e-Ea/RT R = gas constant; use R = 8.31 J/(Kmole)
Take ln of both sides: ln k = -(Ea/R) 1/T + ln AY = m X + b خطمستقيم معادلة
Measure k at several temperatures and make plot of ln k
versus 1/T. Slope of the curve = - Ea/R (will give Ea).بين kنقيسقيم العالقة ونرسم مختلفة حرارة درجات الميل T/1و ln kعندقيمة Ea/R- يعطي ثم .Eaومن
Note: A is a constant & includes orientation factor.
. Aالحظ: التوجيه عامل يعطي ثابت52Dr. Wael A. El-Helece
V. Temperature & Reaction Rate Arrhenius EquationData below from 4 experiments - detn of rate constant, k, at 4 temperatures for a rxn
ln k
1/T (in K-1)
ln k = -(Ea/R) 1/T + ln A From: k = Ae-Ea/RT
Y = m X + b Use: R = 8.31J/(K.mol)
Slope = -Ea/R Can now determine Ea
ln A
o
o
o
o
53Dr. Wael A. El-Helece
Integrated Rate Equation Half-Life t1/2
[A]t = - kt + [A]o [Ao]/2k 0th order صفر الرتبة تفاعل
ln[A]t = - kt + ln[A]o 0.693/k 1st order االولى الرتبة تفاعل
1/[A]t = kt + 1/[A]o 1/k[Ao] 2nd order الثانية الرتبة تفاعل
R = 8.31 J/K. mol. للغازات العام الثابت k = A e-Ea/RT
Water الماء ثوابت
∆Hvap = 40.7 kJ/m ∆Hfus = 6.01 kJ/m
Sice = 2.11 J/goC Swater = 4.18 J/goC Ssteam = 2.00 J/goC 54Dr. Wael A. El-Helece
Collision Theory
التصادمات نظرية
The Collision Theory التصادم نظرية
Link to Simulation of Molecular Motion
1. Matter is moving particles. حركة حالة فى جزيئات هى المادة
2. Temperature increases- particles move faster حركة تزداد تزداد الحرارة درجةالجزيئات
-more collisions اكثر تصادمات
-more collision energy. اكبر تصادم طاقة
3. Chemical reactions الكيميائية التفاعالت
-bonds break للروابط كسر
-new bonds form جديدة روابط تكوين
4. Collisions provide the energy. بالطاقة تمد التصادمات
Collision Theory التصادم نظرية
Most collisions are not successful ناجحة غير التصادمات معظم
Collisions provide the energy required to break bonds.
الروابط لكسر الالزمة الطاقة يوفر التصادم
You need a collision to have a reaction.
تفاعل على للحصول تصادم الى نحتاج
Collision Theory التصادمات مبدأ
products no products
1. Favourable Geometry
الفراغ فى معين ترتيب
A successful collision requires: يحتاج الناجح التصادم
Poor Geometry
2. Sufficient Energy to break the chemical bonds الروابط لكسر محددة طاقة
الكيميائية
Activation energy is the minimum amount of energy required for a successful collision. ناجح تصادم على للحصول الطاقة من قدر اقل هى التنشيط طاقة
The Collision Theory can be used to explain how the rate of a reaction can be changed.
التفاعل معدل يتأثر كيف تفسير التصادمات نظرية تسطيع
And that’s it!
3. Lower activation energy or Ea- low energy collisions are more effective.
اقل تصادم طاقة يعنى اقل تنشيط طاقة
2. Harder collisions- greater collision energy اكبر تصادم بالرأسطاقة تصادم
1. More collisions اكثر تصادم
Reaction rates can increase due to
: ل نتيجة تزداد التفاعل سرعة
The Collision Theory can be used to explain how the rate of a reaction can be changed.
Harder collisions بالراس تصادمات
More collisions اكثر تصادمات
1. Increasing the temperature increases the rate because there are:
.2: بسبب المعدل يزداد الحرارة درجة بزيادة
2. Increasing the reactant concentration increases the rate because there are:
More frequent collisions
The Collision Theory can be used to explain how the rate of a reaction can be changed.
The catalyst KI is added to H2O2, food colouring, and dishwashing detergent. The O2 produced makes foam.
Lowers the activation energy or Ea- allowing low energy collisions to be successful
3. Adding a catalyst
Movie
The Collision Theory can be used to explain how the rate of a reaction can be changed.
Lower activation energy or Ea- allowing low energy collisions to be successful
4. Changing the nature of the reactant for a more reactive chemical increasesthe rate
The Collision Theory can be used to explain how the rate of a reaction can be changed.
More frequent collisions
5. Increasing the surface area of a solid reactant increases the rate because:
Explain each Scenario Using the Collision Theory
The spark provides the Ea and it explodes because it is exothermic
A small spark ignites causes an explosion.
Ea is too high for the room temperature collisions
1. A balloon full of H2 and O2 do not react at room temperature.
Explain each Scenario Using the Collision Theory
It burns because it is exothermic
The candle continues to burn
The match provides the Ea
A match causes the candle to burn
Ea is too high for the room temperature collisions
2. A candle does not burn at room temperature
Explain each Scenario Using the Collision Theory
3. H2O2 decomposes very slowly at room temperature.
2H2O2(aq) → O2(g) + 2H2O(l)
KI increases the reaction rate dramatically.
Lowers the Ea- allows low energy collisions to be successful
KI is a catalyst as it is not a reactant and it speeds up the rate.
Describe and Graph the Relationship between the Following
Ea and the rate
Ea
Rate
Decreasing the Ea increases the rate- inverse.
Describe and Graph the Relationship between the Following
Temperature and the rate
Temp
Rate
Increasing the temperature increases the rate- direct.
Describe and Graph the Relationship between the Following
Concentration and the rate
Conc
Rate
Increasing the concentration increases the rate- direct.
Describe and Graph the Relationship between the Following
Ea and the temperature
Ea
Temp
No relationship!
The only way to change the Ea is by adding a catalyst!
Which factors increase the percentage of successful collisions?
I.Increasing temperature
II.Increasing concentration
III.Increasing surface area
IV. Adding a catalyst
VI. Mechanisms التفاعل حدوث A) Introduction طريقةمقدمة
Mechanism = step by step progress of chemical reaction.. الكيميائي: التفاعل تقدم بخطوة خطوة الميكانيكية
Most likely mechanism is determined experimentally from a study of rate data.
. المعدل بيانات دراسة من معمليا المعينة هى صحة االكثر الميكانيكية The mechanism consists of one or more elementary reactions which
add up to give you the overall reaction.ويجمع يضاف والذى اولي تفاعل اكثر او واحد من تتكون الميكانيكية
. الكلي التفاعل يعطى Species which is generated & then consumed in the mechanism is called
an intermediate; Species which is added, consumed & then regenerated is a catalyst.
, والمواد بالمتوسطة تعرف الميكانيكية فى وتعتبر تخلق التى المواد. بالمساعدات تعرف تعاد ثم ومن التفاعل فى وتعتبر تخلق التى
Step with largest Ea (slowest step) is called the rate determining step & governs overall reaction rate.
) ( هى البطيئة الخطوة االعلى التنشيط طاقة ذات الخطوة. للتفاعل المحددة الخطوة
74Dr. Wael A. El-Helece
VI. Mechanisms الميكانيكيات
Example 1 – Information المعلومات - 1مثالOverall Rxn: O3 + 2NO2 -----) O2 + N2O5
Suggested two-step mechanism (from experimentation):. خطوتين التفاعل نفرض العملية النتائج من
Step 1) O3 + NO2 -----) NO3 + O2 (slow)
Step 2) NO3 + NO2 -----) N2O5
rate = k [O3]1[NO2]1 - from slow first step
. االبطأ الخطوة من يحدد المعدل Notes: a) Two elementary reactions (NOTE: balancing
coefficients = orders in an elementary rxn). = ( :المعادلة فى الوزن ارقام ابتدائيين تفاعلين مالحظات
) االبتدائي التفاعلى فى الرتبة
75Dr. Wael A. El-Helece
Dr. Wael A. El-Helece 76
b) Steps add up to give overall rxn.
. الكلي التفاعل لتعطى الخطوات تجمع
c) NO3 is an intermediate (produced & used up).
.) ويستهلك ) يعطى بينية حالة يعتبر النترات ايون
d) There is no catalyst.
. التفاعل هذا فى مساعد عامل اليوجد
e) Slowest step governs the overall rate.
. الكلية للسرعة المحددة األبطأهى الخطوة
mechanism is useful & will give us:
: وتساعدنا مفيدة الميكانيكية
a) practical data, b) rate law, c) theoretical data, d) understanding of reaction.
. التفاعل – – – فهم النظرية المعلومات المعدل قانون المعملية المعلومات
VI. Mechanisms الميكانيكيات
Example 2 - Calculate Rate Expression تعبيرات- 2مثال حسابالمعدل
Determine a) general rate expression & b) complete rate law from the following mechanism
: – التالية : الميكانيكية من الكلي المعدل قانون العام المعدل مصطلح عينNote: can directly get the order for an elementary rxn from the
balancing coefficients. المعامالت من الرتبة على الحصول تستطيعاالبتدائي للتفاعل المعادلة فى .الوزنية
1) 1I2 2Io (fast equilibrium)
2) 2Io + 1H2 2HI (slow)
77Dr. Wael A. El-Helece
Dr. Wael A. El-Helece 78
a) Overall Rxn from addn of steps: الخطوات اضافة من الكلي المعدل
1I2 + 1H2 2HI
General rate law: rate = k[I2]x[H2]y العام المعدل : قانون
b) Complete rate expression from mechanism:
الميكانيكية من الكامل المعدل
From step #2: (rxn rate = slow step rate) rate = k2 [Io]2 x [H2]1
خطوة الشكل – 2من على يكون المعدل
From step #1: Keq = [Io]2/[I2]1 [Io]2 = Keq[I2]1 Substitute into above:
الخطوة يكون- 1من المعدل
rate = k2 Keq [I2]1 [H2]1
rate = k [I2]1 [H2]1
IV. Mechanisms الميكانيكيات C) Catalysts الحفازة العوامل
Catalyst = A chemical which speeds up a reaction without being consumed in the reaction.
: تكون ان دون التفاعل تسرع كيميائية مادة المساعد العامل. فيه طرفا
- They operate by lowering the Ea for the rate determining step.
. للتفاعل المعينة الخطوة التنشيطفى طاقة بتقليل تعمل- One example is Pt which speeds up the following rxn:
: التالي التفاعل يسرع وهو البالتين ذلك على مثالCO + 1/2 O2 -----) CO2
- Pt can be used in catalytic converter for your car exhaust.
. السيارات عادم جهاز فى مساعد محول يستخدم البالتين
79Dr. Wael A. El-Helece
Dr. Wael A. El-Helece 80
Most famous catalysts are proteins called enzymes.
.) ( االنزيمات الحفازة العوامل انواع اشهر
- Enzymes = extremely specific biochemical catalysts that allow complex reactions to take place in living systems under mild conditions.
على: تساعد والتى حيوية عضوية حفازة عوامل االنزيمات. الحية الكائنات فى التفاعالت معظم حدوث
- Enzymes are very complex, well designed, and usually have molecular weights in the tens of thousands.
. باالالف نوعي وزن لها تكون وعادة معقدة االنزيمات
- Their mode of operation uncovered only ~ 60 years ago.
حوالي بسيطة مدة من اال محددة غير تاثيرها .60طريقة سنة
VI. Mechanisms C) Catalysts
A catalyst speeds up the rxn by lowering the Ea – provides a different mechanism with a lower Ea
NewEa
81Dr. Wael A. El-Helece
VI. Mechanisms C) Catalysts
82Dr. Wael A. El-Helece
top related