12.2: Viwango vya mmenyuko wa Kemikali

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza kiwango cha mmenyuko wa kemikali
• Hutumia maneno ya kiwango kutoka equation uwiano kwa ajili ya kupewa kemikali mmenyuko
• Tumia viwango vya majibu kutoka kwa data ya majaribio

Kiwango ni kipimo cha jinsi baadhi ya mali inatofautiana na wakati. Kasi ni kiwango cha kawaida kinachoonyesha umbali uliosafiri na kitu kwa kiasi fulani cha muda. Mshahara ni kiwango kinachowakilisha kiasi cha pesa kilichopatikana na mtu anayefanya kazi kwa kiasi fulani cha muda. Vivyo hivyo, kiwango cha mmenyuko wa kemikali ni kipimo cha kiasi gani kinachotumiwa, au ni kiasi gani cha bidhaa kinazalishwa, na mmenyuko kwa kiasi fulani cha muda.

Kiwango cha mmenyuko ni mabadiliko katika kiasi cha reactant au bidhaa kwa wakati wa kitengo. Viwango vya majibu kwa hiyo vinatambuliwa kwa kupima utegemezi wa muda wa mali fulani ambayo inaweza kuhusiana na kiasi cha reactant au bidhaa. Viwango vya athari ambazo hutumia au kuzalisha vitu vya gesi, kwa mfano, vinatambuliwa kwa urahisi na kupima mabadiliko kwa kiasi au shinikizo. Kwa athari zinazohusisha dutu moja au zaidi ya rangi, viwango vinaweza kufuatiliwa kupitia vipimo vya ngozi ya mwanga. Kwa athari zinazohusisha electrolytes yenye maji, viwango vinaweza kupimwa kupitia mabadiliko katika conductivity ya suluhisho.

Kwa reactants na bidhaa katika suluhisho, kiasi chao cha jamaa (viwango) hutumiwa kwa urahisi kwa madhumuni ya kuonyesha viwango vya majibu. Kwa mfano, mkusanyiko wa peroxide ya hidrojeni, H ₂ O ₂, katika suluhisho la maji hubadilika polepole kwa muda kama inapoharibika kulingana na equation:

$${\text{2H}}_2{\text{O}}_2(aq)⟶{\text{2H}}_2\text{O}(l)+{\text{O}}_2(g)$$

Kiwango ambacho peroxide ya hidrojeni hutengana inaweza kuelezwa kwa kiwango cha mabadiliko ya mkusanyiko wake, kama inavyoonekana hapa:

$$\begin{array}{cc}\hfill \text{kiwango cha utengano wa}{\text{H}}_2{\text{O}}_2& =-\frac{\text{mabadiliko katika mkusanyiko wa reactant}}{\text{muda wa muda}}\hfill \\ & =-\frac{{\left[{\text{H}}_2{\text{O}}_2\right]}_{t_2}-{\left[{\text{H}}_2{\text{O}}_2\right]}_{t_1}}{t_2-t_1}\hfill \\ & =-\frac{\text{Δ}\left[{\text{H}}_2{\text{O}}_2\right]}{\text{Δ}t}\hfill \end{array}$$

Hii uwakilishi hisabati ya mabadiliko katika aina mkusanyiko baada ya muda ni kiwango kujieleza kwa majibu. Mabano yanaonyesha viwango vya molar, na delta ya ishara (Δ) inaonyesha “mabadiliko.” Hivyo,${[{\text{H}}_2{\text{O}}_2]}_{t_1}$inawakilisha mkusanyiko wa molar ya peroxide ya hidrojeni wakati fulani t ₁; vivyo hivyo,${[{\text{H}}_2{\text{O}}_2]}_{t_2}$inawakilisha mkusanyiko wa molar wa peroxide ya hidrojeni wakati wa baadaye t ₂; na Δ [H ₂ O ₂] inawakilisha mabadiliko katika mkusanyiko wa molar ya peroxide ya hidrojeni wakati wa muda Δ t (yaani, t ₂ - t ₁). Kwa kuwa mkusanyiko wa mmenyuko unapungua kadiri mmenyuko unavyoendelea, Δ [H _{2 O 2}] ni kiasi hasi. Viwango vya majibu ni, kwa mkataba, kiasi chanya, na hivyo mabadiliko haya hasi katika mkusanyiko huongezeka kwa -1. Kielelezo 12.2 hutoa mfano wa data zilizokusanywa wakati wa kuharibika kwa H ₂ O ₂.

Kielelezo 12.2 Kiwango cha kuharibika kwa H ₂ O ₂ katika suluhisho la maji hupungua kama ukolezi wa H ₂ O ₂ unapungua.

Ili kupata matokeo yaliyoorodheshwa kwa mtengano huu, mkusanyiko wa peroxide ya hidrojeni ulipimwa kila masaa 6 kwa kipindi cha siku kwa joto la mara kwa mara la 40 °C. inavyoonekana hapa kwa kipindi cha kwanza cha saa 6:

$$\frac{-\text{Δ}[{\text{H}}_2{\text{O}}_2]}{\text{Δ}t}=\frac{-\; (\text{0.500 mol/L}-\text{1.000 mol/L})}{(\text{6.00 h}-\text{0.00 h})}=\mathrm{0.0833\; ml}{\text{L}}^{-1}{\text{h}}^{-1}$$

Angalia kwamba viwango vya majibu hutofautiana na wakati, kupungua kama majibu yanavyoendelea. Matokeo ya kipindi cha mwisho cha saa 6 huzaa kiwango cha majibu ya:

$$\frac{-\text{Δ}[{\text{H}}_2{\text{O}}_2]}{\text{Δ}t}=\frac{-(0.0625\text{mol/l}-0.125\text{mol/l})}{(24.00\text{h}-18.00\text{h})}=0.010\text{mol}{\text{L}}^{-1}{\text{h}}^{-1}$$

Tabia hii inaonyesha majibu yanaendelea kupungua kwa wakati. Kutumia viwango mwanzoni na mwisho wa kipindi cha muda ambacho kiwango cha mmenyuko kinabadilisha matokeo katika hesabu ya kiwango cha wastani cha mmenyuko juu ya muda huu. Kwa wakati wowote maalum, kiwango ambacho mmenyuko unaendelea hujulikana kama kiwango chake cha papo hapo. Kiwango cha instantaneous cha mmenyuko katika “wakati sifuri,” wakati majibu huanza, ni kiwango chake cha awali. Fikiria mfano wa gari kupunguza kasi kama inakaribia ishara ya kuacha. Kiwango cha awali cha gari-kinachofanana na mwanzo wa mmenyuko wa kemikali-kitakuwa ni kusoma kwa kasi wakati dereva anaanza kushinikiza mabaki (t ₀). Muda mfupi baadaye, kiwango cha instantaneous kwa wakati maalum-kuiita t ₁ - itakuwa kiasi fulani polepole, kama ilivyoonyeshwa na kusoma speedometer wakati huo kwa wakati. Wakati unapopita, kiwango cha instantaneous kitaendelea kuanguka mpaka kufikia sifuri, wakati gari (au majibu) ataacha. Tofauti na kasi ya papo hapo, kasi ya wastani ya gari haionyeshwa na speedometer; lakini inaweza kuhesabiwa kama uwiano wa umbali uliosafiri hadi wakati unaotakiwa kuleta gari kwa kuacha kamili (Δ t). Kama gari la kupungua, kiwango cha wastani cha mmenyuko wa kemikali kitaanguka mahali fulani kati ya viwango vya awali na vya mwisho.

Kiwango cha mara moja cha mmenyuko kinaweza kuamua moja ya njia mbili. Ikiwa hali ya majaribio inaruhusu kipimo cha mabadiliko ya mkusanyiko juu ya vipindi vya muda mfupi sana, basi viwango vya wastani vinahesabiwa kama ilivyoelezwa hapo awali hutoa makadirio mazuri ya viwango vya instantaneous. Vinginevyo, utaratibu wa graphical unaweza kutumika kwamba, kwa kweli, hutoa matokeo ambayo yatapatikana ikiwa vipimo vya muda mfupi vinawezekana. Katika njama ya mkusanyiko wa peroxide ya hidrojeni dhidi ya wakati, kiwango cha instantaneous cha kuharibika kwa H _{2 O 2} wakati wowote t hutolewa na mteremko wa mstari wa moja kwa moja ambao ni tangent kwa curve wakati huo (Mchoro 12.3). Miteremko hii ya mstari wa tangent inaweza kupimwa kwa kutumia calculus, lakini utaratibu wa kufanya hivyo ni zaidi ya upeo wa sura hii.

Kielelezo 12.3 Grafu hii inaonyesha njama ya mkusanyiko dhidi ya wakati wa ufumbuzi wa 1.000 M wa H ₂ O ₂. Kiwango wakati wowote ni sawa na hasi ya mteremko wa mstari wa tangent kwa curve wakati huo. Tangents huonyeshwa saa t = 0 h (“kiwango cha awali”) na saa t = 12 h (“kiwango cha papo hapo” saa 12).

Kemia katika Maisha ya Kila siku

Viwango vya majibu katika Uchambuzi: Vipande vya Mtihani kwa Urinalysis

Waganga mara nyingi hutumia vipande vya mtihani vinavyoweza kupima kiasi cha vitu mbalimbali katika mkojo wa mgonjwa (Mchoro 12.4). Vipande hivi vya mtihani vina vitendanishi mbalimbali vya kemikali, vilivyoingia kwenye usafi mdogo katika maeneo mbalimbali kando ya mstari, ambayo hupitia mabadiliko ya rangi juu ya yatokanayo na viwango vya kutosha vya vitu maalum. Maelekezo ya matumizi kwa bidragen mtihani mara nyingi kusisitiza kwamba sahihi kusoma wakati ni muhimu kwa ajili ya matokeo mojawapo. Mkazo huu juu ya muda wa kusoma unaonyesha kuwa mambo ya kinetic ya athari za kemikali zinazotokea kwenye mstari wa mtihani ni masuala muhimu.

Mtihani wa glucose ya mkojo hutegemea mchakato wa hatua mbili unaowakilishwa na milinganyo ya kemikali iliyoonyeshwa hapa:

$${\text{C}}_6{\text{H}}_{12}{\text{O}}_6+{\text{O}}_2\stackrel{\text{kichocheo}}{\to }{\text{C}}_6{\text{H}}_{10}{\text{O}}_6+{\text{H}}_2{\text{O}}_2$$

$${\text{2H}}_2{\text{O}}_2+2{\text{I}}^{\text{-}}\stackrel{\text{kichocheo}}{\to }{\text{I}}_{\text{2}}+{\text{2H}}_2\text{O}+{\text{O}}_2$$

Equation ya kwanza inaonyesha oxidation ya glucose katika mkojo ili kuzalisha glucoactone na peroxide ya hidrojeni. Peroxide ya hidrojeni zinazozalishwa hatimaye inakabiliana na ioni isiyo na rangi ya iodidi ili kuzalisha iodini ya kahawia, ambayo inaweza kuonekana kuonekana. Vipande vingine vinajumuisha dutu la ziada ambalo humenyuka na iodini ili kuzalisha mabadiliko ya rangi tofauti zaidi.

Athari mbili za mtihani zilizoonyeshwa hapo juu ni za polepole sana, lakini viwango vyao vinaongezeka na enzymes maalum zilizoingia kwenye pedi ya mtihani wa mtihani. Huu ni mfano wa kichocheo, mada iliyojadiliwa baadaye katika sura hii. Mchoro wa kawaida wa mtihani wa glucose kwa matumizi na mkojo unahitaji takriban sekunde 30 kwa kukamilika kwa athari za kutengeneza rangi. Kusoma matokeo hivi karibuni inaweza kusababisha mtu kuhitimisha kwamba mkusanyiko wa glucose wa sampuli ya mkojo ni ya chini kuliko ilivyo kweli (matokeo ya uongo). Kusubiri kwa muda mrefu sana kutathmini mabadiliko ya rangi kunaweza kusababisha chanya cha uongo kutokana na oxidation ya polepole (sio kichocheo) ya iodidi ion na vitu vingine vinavyopatikana kwenye mkojo.

Kielelezo 12.4 Vipande vya mtihani hutumiwa kuchunguza uwepo wa vitu maalum katika mkojo wa mtu. Vipande vingi vya mtihani vina pedi kadhaa zenye vitendanishi mbalimbali ili kuruhusu kugundua vitu vingi kwenye mstari mmoja. (mikopo: Iqbal Osman)

Viwango vya Jamaa vya Majibu

Kiwango cha mmenyuko kinaweza kuelezwa kama mabadiliko katika mkusanyiko wa reactant yoyote au bidhaa. Kwa mmenyuko wowote, maneno haya ya kiwango yanahusiana tu kwa kila mmoja kulingana na stoichiometry ya majibu. Kiwango cha majibu ya jumla

$$\text{aA}⟶\text{bB}$$

inaweza kuelezwa katika suala la kupungua kwa mkusanyiko wa A au ongezeko la ukolezi wa B. maneno haya mawili ya kiwango yanahusiana na stoichiometry ya mmenyuko:

$$\text{kiwango}=-\left(\frac{1}{\text{a}}\right)\left(\frac{\text{ΔA}}{\text{Δ}t}\right)=\left(\frac{1}{\text{b}}\right)\left(\frac{\text{ΔB}}{\text{Δ}t}\right)$$

Fikiria majibu yaliyowakilishwa na equation ifuatayo:

$${\text{2NH}}_3(g)⟶{\text{N}}_2(g)+{\text{3H}}_2(g)$$

Uhusiano kati ya viwango vya majibu yaliyotolewa kwa suala la uzalishaji wa nitrojeni na matumizi ya amonia, kwa mfano, ni:

$$-\frac{{\text{Δmol NH}}_3}{\text{Δ}t}\times \frac{\text{1 mol}{\text{N}}_2}{\text{2 mol}{\text{NH}}_3}=\frac{\text{Δmol}{\text{N}}_2}{\text{Δ}t}$$

Hii inaweza kuwakilishwa katika muundo uliofupishwa kwa kuacha vitengo vya sababu ya stoichiometric:

$$-\frac{1}{2}\frac{\text{Δmol}{\text{NH}}_3}{\text{Δ}t}=\frac{\text{Δmol}{\text{N}}_2}{\text{Δ}t}$$

Kumbuka kuwa ishara hasi imejumuishwa kama sababu ya akaunti kwa ishara tofauti za mabadiliko mawili ya kiasi (kiasi cha reactant kinapungua wakati kiasi cha bidhaa kinaongezeka). Kwa athari sawa, majibu na bidhaa zipo katika suluhisho moja na hivyo huchukua kiasi sawa, hivyo kiasi cha molar kinaweza kubadilishwa na viwango vya molar:

$$-\frac{1}{2}\frac{\text{Δ}[{\text{NH}}_3]}{\text{Δ}t}=\frac{\text{Δ}[{\text{N}}_{\text{2}}]}{\text{Δ}t}$$

Vile vile, kiwango cha malezi ya H ₂ ni mara tatu kiwango cha malezi ya N ₂ kwa sababu moles tatu za H ₂ zinazalishwa kwa kila mole ya N ₂ zinazozalishwa.

$$\frac{1}{3}\frac{\text{Δ}[{\text{H}}_2]}{\text{Δ}t}=\frac{\text{Δ}[{\text{N}}_{\text{2}}]}{\text{Δ}t}$$

Kielelezo 12.5 unaeleza mabadiliko katika viwango baada ya muda kwa ajili ya kuoza ya amonia katika nitrojeni na hidrojeni katika 1100 °C. mteremko wa mistari tangent katika t = 500 s kuonyesha kwamba viwango instantaneous inayotokana na aina zote tatu kushiriki katika majibu ni kuhusiana na wao mambo ya stoichiometric. Kiwango cha uzalishaji wa hidrojeni, kwa mfano, kinazingatiwa kuwa mara tatu zaidi kuliko ile ya uzalishaji wa nitrojeni:

$$\frac{2.91\times {10}^{-6}M\text{/s}}{9.70\times {10}^{-7}M\text{/s}}\approx 3$$

Kielelezo 12.5 Mabadiliko katika viwango vya reactant na bidhaa kwa mmenyuko$2{\text{NH}}_3⟶{\text{N}}_2+{\text{3H}}_2.$Viwango vya mabadiliko ya viwango vitatu vinahusiana na stoichiometry ya mmenyuko, kama inavyoonekana na mteremko tofauti wa tangents saa t = 500 s.

Mfano 12.1

Maneno ya Viwango vya Majibu ya Jamaa

Hatua ya kwanza katika uzalishaji wa asidi ya nitriki ni mwako wa amonia:

$$4{\text{NH}}_3(g)+5{\text{O}}_2(g)⟶4\text{HAPANA}(g)+6{\text{H}}_2\text{O}(g)$$

Andika equations zinazohusiana na viwango vya matumizi ya reactants na viwango vya malezi ya bidhaa.

Suluhisho

Kuzingatia stoichiometry ya mmenyuko huu wa homogeneous, viwango vya matumizi ya reactants na malezi ya bidhaa ni:

$$-\frac{1}{4}\frac{\text{Δ}[{\text{NH}}_3]}{\text{Δ}t}=-\frac{1}{5}\frac{\text{Δ}\left[{\text{O}}_2\right]}{\text{Δ}t}=\frac{1}{4}\frac{\text{Δ}\left[\text{HAPANA}\right]}{\text{Δ}t}=\frac{1}{6}\frac{\text{Δ}\left[{\text{H}}_2\text{O}\right]}{\text{Δ}t}$$

Angalia Kujifunza Yako

Kiwango cha malezi ya Br ₂ ni 6.0$\times$10 ^-6 mol/l/s katika mmenyuko ulioelezwa na equation ionic wavu ifuatayo:

$${\text{5Br}}^{\text{-}}+{\text{Bro}}_3{}^{\text{-}}+{\text{SAA 6}}^{\text{+}}⟶{\text{3Br}}_2+{\text{3H}}_2\text{O}$$

Andika equations zinazohusiana na viwango vya matumizi ya reactants na viwango vya malezi ya bidhaa.

Jibu:

$-\frac{1}{5}\frac{\text{Δ}[{\text{Br}}^{\text{-}}]}{\text{Δ}t}=-\frac{\text{Δ}[{\text{Bro}}_3{}^{\text{-}}]}{\text{Δ}t}=-\frac{1}{6}\frac{\text{Δ}[{\text{H}}^{\text{+}}]}{\text{Δ}t}=\frac{1}{3}\frac{\text{Δ}[{\text{Br}}_2]}{\text{Δ}t}=\frac{1}{3}\frac{\text{Δ}[{\text{H}}_{\text{2}}\text{O}]}{\text{Δ}t}$

Mfano 12.2

Kiwango cha Majibu ya Kiwango cha Kuharibika kwa H ₂ O ₂

Grafu katika Mchoro 12.3 inaonyesha kiwango cha kuharibika kwa H ₂ O ₂ kwa muda:

$${\text{2H}}_2{\text{O}}_2⟶{\text{2H}}_2\text{O}+{\text{O}}_2$$

Kulingana na data hizi, kiwango cha instantaneous cha kuharibika kwa H _{2 O 2} saa t = 11.1 h imeamua kuwa
3.20$\times$10 ^—2 mol/l/h, yaani:

$$-\frac{\text{Δ}[{\text{H}}_2{\text{O}}_2]}{\text{Δ}t}=3.20\times {10}^{-2}{\text{mol L}}^{-1}{\text{h}}^{-1}$$

Ni kiwango gani cha instantaneous cha uzalishaji wa H ₂ O na O ₂?

Suluhisho

Stoichiometry ya majibu inaonyesha kwamba

$$-\frac{1}{2}\frac{\text{Δ}[{\text{H}}_2{\text{O}}_2]}{\text{Δ}t}=\frac{1}{2}\frac{\text{Δ}[{\text{H}}_2\text{O}]}{\text{Δ}t}=\frac{\text{Δ}[{\text{O}}_2]}{\text{Δ}t}$$

Kwa hiyo:

$$\frac{1}{2}\times 3.20\times {10}^{-2}\text{mol}{\text{L}}^{-1}{\text{h}}^{-1}=\frac{\text{Δ}[{\text{O}}_2]}{\text{Δ}t}$$

na

$$\frac{\text{Δ}[{\text{O}}_2]}{\text{Δ}t}=1.60\times {10}^{-2}\text{mol}{\text{L}}^{-1}{\text{h}}^{-1}$$

Angalia Kujifunza Yako

Ikiwa kiwango cha kuharibika kwa amonia, NH ₃, saa 1150 K ni 2.10$\times$10 ^-6 mol/l/s, ni kiwango gani cha uzalishaji wa nitrojeni na hidrojeni?

Jibu:

1.05$\times$10 ^-6 mol/l/s, N ₂ na 3.15$\times$10 ^-6 mol/l/s, H ₂.