Kemiallinen kinetiikka on tutkimus siitä, kuinka nopeasti kemialliset reaktiot tapahtuvat ja mitkä tekijät vaikuttavat niiden nopeuteen. Yksi tärkeimmistä kemiallisen kinetiikan käsitteistä on tuotteiden muodostumisnopeuden ja reagoivien aineiden katoamisnopeuden välinen suhde tasapainoisessa kemiallisessa yhtälössä.
Tässä artikkelissa tutkimme, kuinka tämä suhde ilmaistaan. yksinkertaiselle reaktiolle, jossa on mukana vettä ja happea, ja kuinka sen avulla lasketaan eri lajien nopeus.
Vedyn ja hapen reaktio
Vedyn ja hapen reaktio muodostuu vesi on yksi yleisimmistä ja tärkeimmistä kemian reaktioista. Se voidaan kirjoittaa seuraavasti:
$$2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g)$$
Tämä reaktio on eksoterminen, mikä tarkoittaa, että se vapauttaa lämpöä, ja sitä voidaan käyttää energialähteenä polttokennoissa tai raketteissa.
Muodostumis-ja katoamisnopeus
Kemiallisen reaktion nopeus määritellään aineen pitoisuuden muutokseksi. reagenssi tai tuote aikayksikköä kohti. Esimerkiksi veden muodostumisnopeus tässä reaktiossa on:
$$\text{Veden muodostumisnopeus}=\frac{\Delta[H_2O]}{\Delta t}$$
jossa $\Delta[H_2O]$ on muutos veden pitoisuudessa ja $\Delta t$ on muutos ajassa.
Samalla tavalla hapen katoamisnopeus tässä reaktio on:
$$\text{Hapen katoamisnopeus}=-\frac{\Delta[O_2]}{\Delta t}$$
missä $\Delta [O_2]$ on muutos happipitoisuudessa ja $\Delta t$ on muutos ajassa. Negatiivinen merkki osoittaa, että happipitoisuus pienenee reaktion edetessä.
Stökiometrinen suhde
Tasapainotettu kemiallinen yhtälö kertoo, kuinka monta moolia kutakin lähtöainetta tai tuotetta on mukana reaktion edetessä. reaktio. Esimerkiksi jokaista 2 moolia vetyä kohden, joka reagoi, 1 mooli happea reagoi ja 2 moolia vettä muodostuu. Tämä tarkoittaa, että muodostumis-ja katoamisnopeudet liittyvät stoikiometriseen tekijään, joka riippuu yhtälön kertoimista. Tälle reaktiolle voimme kirjoittaa:
$$-\frac{\Delta[O_2]}{\Delta t}=\frac{1}{2}\frac{\Delta[H_2O]} {\Delta t}$$
tai
$$\frac{\Delta[H_2O]}{\Delta t}=2 \kertaa (-\frac{\Delta[ O_2]}{\Delta t})$$
Tämä yhtälö kertoo, että hapen katoamisnopeus on puolet veden muodostumisnopeudesta tai vastaavasti, että veden muodostumisnopeus on kaksinkertainen hapen katoamisnopeus.
Kuinka tätä suhdetta käytetään
Tämä suhde voi olla hyödyllinen laskettaessa eri lajien nopeuksia, jos tiedämme yhden lajin nopeuden. Jos esimerkiksi mitataan, että veden muodostumisnopeus tietyllä hetkellä on $4,0 \kertaa 10^{-5}$ M/s, voimme käyttää tätä yhtälöä hapen katoamisnopeuden selvittämiseen tällä hetkellä:
$$-\frac{\Delta[O_2]}{\Delta t}=\frac{1}{2}\frac{\Delta[H_2O]}{\Delta t}=\frac{ 1}{2} \kertaa (4,0 \kertaa 10^{-5})=2,0 \kertaa 10^{-5} M/s$$
Tämä tarkoittaa, että tällä hetkellä happi vähenee $2.0 \kertaa 10^{-5}$ M/s.
Vaihtoehtoisesti, jos mitataan, että hapen katoamisnopeus tietyllä hetkellä on $-6.0 \kertaa 10^{-5}$ M/s, voimme käyttää tätä yhtälöä veden muodostumisnopeuden selvittämiseen sillä hetkellä:
$$\frac{\Delta[H_2O]}{\Delta t}=2 \ kertaa (-\frac{\Delta[O_2]}{\Delta t})=2 \kertaa (-6,0 \kertaa 10^{-5})=1,2 \kertaa 10^{-4} M/s$$
Tämä tarkoittaa, että tällä hetkellä veden pitoisuus kasvaa $1,2 \kertaa 10^{-4}$ M/s.
Johtopäätös
Tässä artikkelissa olemme oppineet ilmaisemaan veden muodostumisnopeuden ja hapen katoamisnopeuden välisen suhteen yksinkertaisessa reaktiossa, jossa on mukana vety ja happi. Olemme myös nähneet, kuinka tätä suhdetta voidaan käyttää laskemaan eri lajien määrät, jos tiedämme yhden lajin nopeuden. Tämä on kemiallisen kinetiikan perustaito, joka voi auttaa meitä ymmärtämään ja hallitsemaan kemiallisten reaktioiden nopeutta.