Skip to main content
Global

12.6: Nadharia ya mgongano

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    188718

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Malengo ya kujifunza

    Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

    • Tumia postulates ya nadharia ya mgongano kuelezea madhara ya hali ya kimwili, joto, na ukolezi juu ya viwango vya majibu
    • Eleza dhana za nishati ya uanzishaji na hali ya mpito
    • Tumia equation ya Arrhenius katika mahesabu yanayohusiana na kiwango cha constants na joto

    Hatupaswi kushangaa kwamba atomi, molekuli, au ions lazima zigongane kabla ya kuitikia. Atomi lazima iwe karibu pamoja ili kuunda vifungo vya kemikali. Nguzo hii rahisi ni msingi wa nadharia yenye nguvu sana inayoelezea uchunguzi wengi kuhusu kinetiki za kemikali, ikiwa ni pamoja na sababu zinazoathiri viwango vya mmenyuko.

    Nadharia ya mgongano inategemea postulates zifuatazo:

    1. Kiwango cha mmenyuko ni sawa na kiwango cha migongano ya reactant:

      kiwango cha mmenyuko∝#migonganowakatikiwango cha mmenyuko∝#migonganowakati

    2. Spishi zinazoitikia zinapaswa kugongana katika mwelekeo unaoruhusu kuwasiliana kati ya atomi ambazo zitaunganishwa pamoja katika bidhaa.

    3. Mgongano lazima kutokea kwa nishati ya kutosha ili kuruhusu kupenya kwa pamoja ya maganda ya valence ya aina ya majibu ili elektroni ziweze kupanga upya na kuunda vifungo vipya (na aina mpya za kemikali).

    Tunaweza kuona umuhimu wa mambo mawili ya kimwili yaliyotajwa katika postulates 2 na 3, mwelekeo na nishati ya migongano, wakati tunazingatia mmenyuko wa monoxide kaboni na oksijeni:

    2USHIRIKIANO (g)+O2(g)⟶2USHIRIKIANO2(g)2USHIRIKIANO (g)+O2(g)⟶2USHIRIKIANO2(g)

    Monoxide ya kaboni ni uchafuzi unaozalishwa na mwako wa nishati ya hydrocarbon. Ili kupunguza uchafuzi huu, magari yana waongofu wa kichocheo wanaotumia kichocheo kutekeleza majibu haya. Pia ni mmenyuko wa upande wa mwako wa baruti unaosababisha muzzle flash kwa bunduki nyingi. Ikiwa monoxide ya kaboni na oksijeni zipo kwa kiasi cha kutosha, majibu yatatokea kwa joto la juu na shinikizo.

    Hatua ya kwanza katika mmenyuko wa awamu ya gesi kati ya monoxide kaboni na oksijeni ni mgongano kati ya molekuli mbili:

    USHIRIKIANO (g)+O2(g)⟶USHIRIKIANO2(g)+O (g)USHIRIKIANO (g)+O2(g)⟶USHIRIKIANO2(g)+O (g)

    Ingawa kuna mwelekeo tofauti iwezekanavyo molekuli mbili zinaweza kuwa na jamaa kwa kila mmoja, fikiria mbili zilizowasilishwa kwenye Mchoro 12.13. Katika kesi ya kwanza, upande wa oksijeni wa molekuli ya monoxide ya kaboni hugongana na molekuli ya oksijeni. Katika kesi ya pili, upande wa kaboni wa molekuli ya monoxide ya kaboni hugongana na molekuli ya oksijeni. Kesi ya pili ni wazi zaidi uwezekano wa kusababisha malezi ya dioksidi kaboni, ambayo ina atomi kuu ya kaboni iliyounganishwa na atomi mbili za oksijeni(O=C=O).(O=C=O).Huu ni mfano rahisi sana wa umuhimu wa mwelekeo wa mgongano ni katika suala la kuunda bidhaa inayotaka ya majibu.

    Mchoro umeonyeshwa kwamba unaeleza migongano miwili iwezekanavyo kati ya C O na O subscript 2. Katika mchoro, atomi za oksijeni zinawakilishwa kama nyanja nyekundu na atomi za kaboni zinawakilishwa kama nyanja nyeusi. Mchoro umegawanywa katika nusu ya juu na ya chini kwa mstari ulio na usawa. Kwenye upande wa juu kushoto, molekuli ya C O inavyoonekana ikicheza molekuli ya O subscript 2 kama vile atomi ya O kutoka molekuli ya C O iko katika hatua ya mgongano. Kuzunguka mgongano huu ni mchanganyiko wa molekuli ya C O, na O subscript 2 ya ukubwa tofauti. Katika eneo la juu la kati la takwimu, atomi mbili za O zilizotengwa zinaonyeshwa kama nyanja nyekundu na lebo, “Oksijeni kwa oksijeni,” chini yao. Kwa upande wa juu wa kulia, “Hakuna majibu” yameandikwa. Vile vile katika upande wa kushoto wa mchoro, molekuli ya C O inavyoonekana ikicheza molekuli ya O subscript 2 kama vile atomi ya C kutoka molekuli ya C O iko katika hatua ya mgongano. Kuzunguka mgongano huu ni mchanganyiko wa molekuli ya C O, na O subscript 2 ya ukubwa tofauti. Katika kanda ya chini ya katikati ya takwimu, nyanja nyeusi na nyanja nyekundu zinaonyeshwa kwa lebo, “Carbon kwa oksijeni,” chini yao. Kwa upande wa chini, “Zaidi C O subscript 2 malezi” imeandikwa na mifano mitatu ya C O subscript 2 linajumuisha kila moja ya nyanja moja ya kati nyeusi na nyanja mbili nyekundu katika mpangilio linear ni umeonyesha.
    Kielelezo 12.13 Illustrated ni migongano miwili ambayo inaweza kufanyika kati ya monoxide kaboni na molekuli oksijeni. Mwelekeo wa molekuli za kugongana sehemu huamua kama mmenyuko kati ya molekuli mbili zitatokea.

    Ikiwa mgongano unafanyika kwa mwelekeo sahihi, bado hakuna uhakika kwamba mmenyuko utaendelea kuunda dioksidi kaboni. Mbali na mwelekeo sahihi, mgongano lazima pia kutokea kwa nishati ya kutosha ili kusababisha malezi ya bidhaa. Wakati aina zinazojitokeza zinapogongana na mwelekeo wote sahihi na nishati ya kutosha, huchanganya kuunda aina isiyo imara inayoitwa tata iliyoamilishwa au hali ya mpito. Spishi hizi ni mfupi sana aliishi na kwa kawaida undetectable na vyombo zaidi uchambuzi. Katika hali nyingine, vipimo vya kisasa vya spectral vimetumiwa kuchunguza majimbo ya mpito.

    Nadharia ya mgongano inaeleza kwa nini viwango vingi vya mmenyuko huongezeka kadiri viwango Kwa ongezeko la mkusanyiko wa dutu lolote la kuitikia, nafasi za migongano kati ya molekuli zinaongezeka kwa sababu kuna molekuli zaidi kwa kila kitengo cha kiasi. Migongano zaidi inamaanisha kiwango cha majibu ya haraka, kuchukua nishati ya migongano ni ya kutosha.

    Utekelezaji Nishati na Equation Arrhenius

    Nishati ya chini inayohitajika kuunda bidhaa wakati wa mgongano kati ya reactants inaitwa nishati ya uanzishaji (E a). Jinsi nishati hii inalinganishwa na nishati ya kinetic zinazotolewa na molekuli za kugongana ni sababu ya msingi inayoathiri kiwango cha mmenyuko wa kemikali. Ikiwa nishati ya uanzishaji ni kubwa zaidi kuliko nishati ya wastani ya kinetic ya molekuli, majibu yatatokea polepole kwa kuwa molekuli chache tu zinazohamia haraka zitakuwa na nishati ya kutosha ya kuguswa. Ikiwa nishati ya uanzishaji ni ndogo sana kuliko nishati ya wastani ya kinetic ya molekuli, sehemu kubwa ya molekuli itakuwa ya kutosha nguvu na majibu yataendelea haraka.

    Kielelezo 12.14 inaonyesha jinsi nishati ya mfumo wa kemikali inabadilika kama inakabiliwa na mmenyuko, kuwabadili reactants kwa bidhaa kulingana na equation.

    A+B⟶C+DA+B⟶C+D

    Mipango hii ya majibu hutumiwa sana katika kinetics ya kemikali ili kuonyesha mali mbalimbali za mmenyuko wa maslahi. Kuangalia mchoro kutoka kushoto kwenda kulia, mfumo awali inajumuisha reactants tu, A + B. Molekuli zinazojitokeza na nishati ya kutosha zinaweza kugongana ili kuunda hali ya juu ya nishati iliyoamilishwa au ya mpito. Hali isiyo na msimamo wa mpito inaweza kisha kuoza ili kuzalisha bidhaa imara, C + D. Mchoro unaonyesha nishati ya uanzishaji wa majibu, E a, kama tofauti ya nishati kati ya majibu na hali ya mpito. Kutumia nishati maalum, enthalpy (tazama sura juu ya thermochemistry), mabadiliko ya enthalpy ya mmenyuko, Δ H, inakadiriwa kuwa tofauti ya nishati kati ya reactants na bidhaa. Katika kesi hii, mmenyuko ni exothermic (Δ H <0) kwani hutoa kupungua kwa enthalpy ya mfumo.

    Grafu inavyoonyeshwa kwa lebo, “Kiwango cha mmenyuko,” bon x-axis na lebo, “Nishati,” kwenye mhimili wa y. Juu ya mhimili wa x, sehemu ya curve inaitwa “A plus B.” Kutoka mwisho wa mkoa huu, pembe ya chini ya concave inaendelea hadi kufikia kiwango cha juu karibu na urefu wa mhimili wa y. Kilele cha curve hii kinachoitwa, “Hali ya mpito.” Mshale wa upande mmoja unaendelea kutoka kwenye mstari wa usawa wa rangi nyekundu unaoanzia kwenye mhimili wa y kwenye mwisho wa kawaida na pembe hadi kilele cha curve. Mshale huu ni kinachoitwa “E subscript a.” pili usawa nyekundu dashed line sehemu inayotolewa kutoka mwisho wa kulia wa Curve nyeusi kushoto kwa mhimili wima katika ngazi ya chini sana kuliko awali “A plus B” kinachoitwa mwisho wa Curve. Mwisho wa Curve kwamba ni pamoja na sehemu hii ni lebo, “C plus D.” Curve, ambayo ilikuwa ya awali iliyopigwa, inaendelea kama safu imara kutoka kiwango cha juu hadi mwisho wake upande wa kulia wa mchoro. Mshale wa pili wa upande mmoja unaonyeshwa. Mshale huu inaenea kati ya mbili dashed mistari usawa na ni kinachoitwa, “mji mkuu delta H.”
    Kielelezo 12.14 Mchoro wa majibu kwa mmenyuko wa exothermic A + B ⟶ C + D . A + B ⟶ C + D .

    Equation ya Arrhenius inahusiana na nishati ya uanzishaji na kiwango cha mara kwa mara, k, kwa athari nyingi za kemikali:

    k=Ae-Ea/RTk=Ae-Ea/RT

    Katika equation hii, R ni bora gesi mara kwa mara, ambayo ina thamani 8.314 J/mol/K, T ni joto kwa kiwango cha Kelvin, E ni nishati ya uanzishaji katika joules kwa mole, e ni mara kwa mara 2.7183, na A ni mara kwa mara inayoitwa mzunguko sababu, ambayo inahusiana na mzunguko wa migongano na mwelekeo wa molekuli zinazoitikia.

    Postulates ya nadharia mgongano ni vizuri kushughulikiwa na Arrhenius equation. sababu frequency, A, inaonyesha jinsi hali ya majibu neema vizuri oriented migongano kati ya molekuli reactant. Uwezekano ulioongezeka wa migongano yenye ufanisi unaoelekezwa husababisha maadili makubwa kwa A na viwango vya majibu ya haraka.

    Neno la ufafanuzi, e -EA/RT, linaelezea athari za nishati ya uanzishaji kwenye kiwango cha majibu. Kwa mujibu wa nadharia ya molekuli ya kinetic (tazama sura juu ya gesi), joto la suala ni kipimo cha nishati ya wastani ya kinetic ya atomi zake za majimbo au molekuli. Usambazaji wa nguvu kati ya molekuli zinazounda sampuli ya suala kwa joto lolote linaelezewa na njama iliyoonyeshwa kwenye Mchoro 12.15 (a). Sehemu mbili za kivuli chini ya pembe zinawakilisha idadi ya molekuli yenye nishati ya kutosha (RT) kushinda vikwazo vya uanzishaji (E a). Nishati ya chini ya uanzishaji husababisha sehemu kubwa ya molekuli za kutosha na majibu ya haraka.

    Neno la ufafanuzi pia linaelezea athari za joto kwenye kiwango cha mmenyuko. Joto la juu linawakilisha sehemu kubwa zaidi ya molekuli iliyo na nishati ya kutosha (RT) ili kuondokana na kizuizi cha uanzishaji (E a), kama inavyoonekana kwenye Mchoro 12.15 (b). Hii inazalisha thamani kubwa kwa kiwango cha mara kwa mara na kiwango cha majibu ya kasi zaidi.

    Grafu mbili zinaonyeshwa kila mmoja na lebo ya x-axis ya “nishati ya Kinetic” na lebo ya y-axis ya “Fraction ya molekuli.” Kila moja ina safu nzuri iliyopigwa iliyoonyeshwa kwa nyekundu ambayo huanza kwa asili na inakaribia x-axis upande wa kulia wa grafu. Katika, eneo ndogo chini ya mwisho wa kulia wa Curve ni kivuli machungwa. Mshale unaonyesha chini kutoka juu ya pembe hadi mwisho wa kushoto wa eneo hili ambapo shading huanza. Mshale huu ni kinachoitwa, “Juu uanzishaji nishati, E subscript a.” Katika b, sawa nyekundu Curve inaonekana, na Curve pili ni inayotolewa katika nyeusi. Pia ni vyema skewed, lakini kufikia thamani ya chini ya kiwango cha juu na inachukua kuonekana kupanuliwa ikilinganishwa na Curve katika nyekundu. Katika grafu hii, Curve nyekundu imeandikwa, “T subscript 1” na Curve nyeusi imeandikwa, “T subscript 2.” Katika nafasi ya wazi juu ya kulia juu ya grafu ni studio, “T subscript 1 chini ya T subscript 2.” Kama ilivyo kwa grafu ya kwanza, kanda chini ya curves upande wa kulia wa mbali ni kivuli machungwa na mshale wa kushuka unaoitwa “E subscript a” unaonyesha mwisho wa kushoto wa eneo hili la kivuli.
    Kielelezo 12.15 Masi nishati mgawanyo kuonyesha idadi ya molekuli na nguvu mno (a) mbili tofauti uanzishaji nguvu katika joto fulani, na (b) kutokana uanzishaji nishati katika joto mbili tofauti.

    Njia rahisi ya kuamua E a kwa mmenyuko inahusisha kipimo cha k kwa joto mbili au zaidi tofauti na kutumia toleo mbadala la equation ya Arrhenius ambayo inachukua fomu ya equation linear

    juu yak=(-EaR)(1T)+juu yaAy=mx+bjuu yak=(-EaR)(1T)+juu yaAy=mx+b

    njama ya ln n dhidi1T1Tni linear na mteremko sawa na-EaR-EaRna y -intercept sawa na ln A.

    Mfano 12.13

    Uamuzi wa E a

    Tofauti ya kiwango cha mara kwa mara na joto kwa kuharibika kwa HI (g) hadi H 2 (g) na mimi 2 (g) hutolewa hapa. Nishati ya uanzishaji kwa majibu ni nini?
    2HI (g)⟶H2(g)+I2(g)2HI (g)⟶H2(g)+I2(g)
    T (K) k (L/mol/s)
    555 3.52××10 -7
    575 1.22××10 -6
    645 8.59××10 -5
    700 1.16××10-3
    781 3.95××10-2

    Suluhisho

    Tumia data zinazotolewa ili kupata maadili ya1T1Tna juu ya m:
    1T(K-1)1T(K-1) ln m
    1.80××10-3 -14.860
    1.74××10-3 -13.617
    1.55××10-3 -9.362
    1.43××10-3 -6.759
    1.28××10-3 -3.231

    Kielelezo 12.16 ni grafu ya ln k dhidi1T.1T.Katika mazoezi, equation ya mstari (mteremko na y -intercept) ambayo inafaa zaidi pointi hizi data njama itakuwa inayotokana na kutumia mchakato wa takwimu iitwayo regression. Hii ni muhimu kwa data zaidi ya majaribio kwa sababu fit kamili ya kila hatua data na mstari ni mara chache wamekutana. Kwa data hapa, inafaa ni karibu kabisa na mteremko unaweza kukadiriwa kutumia jozi mbili za data zinazotolewa. Kutumia pointi ya kwanza na ya mwisho data vibali makadirio ya mteremko.

    Grafu inavyoonyeshwa na lebo “1 iliyogawanywa na T (K superscript hasi 1)” kwenye mhimili wa x na “l n k” kwenye mhimili wa y. Mhimili usio na usawa una alama katika mara 1.4 10 superscript hasi 3, mara 1.6 10 superscript hasi 3, na mara 1.8 10 superscript hasi 3. Mhimili wa y unaonyesha alama kwa vipindi vya 2 kutoka hasi 14 kupitia hasi 2. Kupungua mstari linear mwenendo ni inayotolewa kwa njia ya pointi tano katika kuratibu: (1.28 mara 10 superscript hasi 3, hasi 3.231), (1.43 mara 10 superscript hasi 3, hasi 6.759), (1.55 mara 10 superscript hasi 3, hasi 9.362), (1.74 mara 10 superscript hasi 3, hasi 13.617), na (1.80 mara 10 superscript hasi 3, hasi 14.860). Mstari wa dashed wima hutolewa kutoka kwenye hatua ya kushoto ya hatua ya data karibu na mhimili wa y. Vile vile, mstari ulio na usawa umewekwa kutoka kwenye hatua tu juu ya hatua ya data iliyo karibu na mhimili wa x-axis. Mistari hii iliyopigwa huingiliana ili kuunda pembetatu ya kulia na lebo ya mguu ya wima ya “mji mkuu delta l n k” na lebo ya mguu ya usawa ya “mji mkuu delta 1 iliyogawanywa na T.”
    Kielelezo 12.16 Grafu hii inaonyesha uhusiano wa mstari kati ya ln k na 1 T 1 T kwa majibu 2HI ⟶ H 2 + I 2 2HI ⟶ H 2 + I 2 kulingana na equation ya Arrhenius.
    Slope=Δ(juu yak)Δ(1T)=(-14.860)-(-3.231)(1.80×101-3K-1)-(1.28×101-3K-1)=-11.6290.52×101-3K-1=—2.2×104K=-EaR Ea=-mteremko×R=-(-2.2×104K×8.314 J mol-1K-1)1.8×105Jmol-1au180KJmol-1Slope=Δ(kwenyek)Δ(1T)=(-14.860)-(-3.231)(1.80×101-3K-1)-(1.28×101-3K-1)=-11.6290.52×101-3K-1=—2.2×104K=-EaR Ea=-mteremko×R=-(-2.2×104K×8.314 J mol-1K-1)1.8×105Jmol-1au180KJmol-1

    Njia mbadala: Njia inayofaa zaidi inahusisha kupata nishati ya uanzishaji kutoka kwa vipimo vya kiwango cha mara kwa mara kwa joto mbili tu. Kwa njia hii, equation ya Arrhenius inarekebishwa kwa fomu rahisi ya hatua mbili:

    kwenyek1k2=EaR(1T2-1T1)kwenyek1k2=EaR(1T2-1T1)

    Kurekebisha equation hii ili kutenganisha mavuno ya nishati ya uanzishaji:

    Ea=-R(kwenyek2-kwenyek1(1T2)-(1T1))Ea=-R(kwenyek2-kwenyek1(1T2)-(1T1))

    Jozi mbili za data zinaweza kubadilishwa katika equation hii-kwa mfano, entries ya kwanza na ya mwisho kutoka kwenye meza ya data hapo juu:

    Ea=-8.314Jmol-1K-1(-3.231-(-14.860)1.28×101-3K-1-1.80×101-3K-1)Ea=-8.314Jmol-1K-1(-3.231-(-14.860)1.28×101-3K-1-1.80×101-3K-1)

    na matokeo ni E = 1.8××10 5 J mol -1 au 180 KJ mol -1

    Njia hii inazalisha matokeo sawa na mbinu kali zaidi ya graphical iliyotumiwa hapo juu, kama inavyotarajiwa. Katika mazoezi, mbinu ya graphical hutoa matokeo ya kuaminika zaidi wakati wa kufanya kazi na data halisi ya majaribio.

    Angalia Kujifunza Yako

    Kiwango cha mara kwa mara kwa kiwango cha kuharibika kwa N 2 O 5 hadi NO na O 2 katika awamu ya gesi ni 1.66 L/mol/s saa 650 K na 7.39 L/mol/s saa 700 K:
    2N2O5(g)⟶4HAPANA(g)+3O2(g)2N2O5(g)⟶4HAPANA(g)+3O2(g)

    Kutokana na kinetics ya mmenyuko huu ni sawa na equation Arrhenius, mahesabu ya nishati ya uanzishaji kwa uharibifu huu.

    Jibu:

    1.1××10 5 J mol -1 au 110 kJ mol -1