12.7: Mfumo wa Majibu

Last updated
Save as PDF

Page ID: 188706

$ \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:

Tofautisha athari za wavu kutoka kwa athari za msingi (hatua)
Kutambua molekuli ya athari za msingi
Andika uwiano kemikali equation kwa ajili ya mchakato, kutokana na majibu yake utaratibu.
Hupata sheria ya kiwango sambamba na utaratibu kupewa majibu

Athari za kemikali mara nyingi hutokea kwa mtindo wa hatua kwa hatua, unahusisha athari mbili au zaidi tofauti zinazofanyika kwa mlolongo. equation uwiano inaonyesha nini ni majibu na nini ni zinazozalishwa, lakini inaonyesha hakuna maelezo kuhusu jinsi majibu kweli unafanyika. Utaratibu wa majibu (au njia ya majibu) hutoa maelezo kuhusu mchakato sahihi, hatua kwa hatua ambayo majibu hutokea.

Uharibifu wa ozoni, kwa mfano, inaonekana kufuata utaratibu na hatua mbili:

\begin{array}{l} O_{3} (g) ⟶ O_{2} (g) + O \\ O + O_{3} (g) ⟶ 2 O_{2} (g) \end{array}

Kila hatua katika utaratibu wa majibu ni mmenyuko wa msingi. Athari hizi za msingi hutokea kwa usahihi kama ilivyowakilishwa katika equations hatua, na lazima jumla ya mavuno uwiano kemikali equation anayewakilisha majibu ya jumla:

2 O_{3} (g) ⟶ 3 O_{2} (g)

Angalia kwamba atomi ya oksijeni inayozalishwa katika hatua ya kwanza ya utaratibu huu inatumiwa katika hatua ya pili na kwa hiyo haionekani kama bidhaa katika mmenyuko wa jumla. Aina zinazozalishwa kwa hatua moja na zinazotumiwa katika hatua inayofuata zinaitwa intermediates.

Wakati equation ya jumla ya mmenyuko kwa utengano wa ozoni inaonyesha kuwa molekuli mbili za ozoni huguswa kutoa molekuli tatu za oksijeni, utaratibu wa mmenyuko hauhusishi mgongano wa moja kwa moja na mmenyuko wa molekuli mbili za ozoni. Badala yake, O ₃ moja hutengana ili kutoa O ₂ na atomi ya oksijeni, na molekuli ya pili ya O ₃ hatimaye humenyuka na atomu ya oksijeni ili kutoa molekuli mbili za ziada za O ₂.

Tofauti na usawa wa usawa unaowakilisha mmenyuko wa jumla, equations kwa athari za msingi ni uwakilishi wazi wa mabadiliko ya kemikali yanayotokea. Reactant (s) katika equation ya msingi ya mmenyuko hupata tu kuvunja dhamana na/au kufanya matukio yaliyoonyeshwa ili kuzalisha bidhaa (s). Kwa sababu hii, sheria ya kiwango cha mmenyuko wa msingi inaweza kupatikana moja kwa moja kutoka usawa wa kemikali unaoelezea majibu. Hii sio kwa athari za kawaida za kemikali, ambazo sheria za kiwango zinaweza kuamua kwa uaminifu tu kupitia majaribio.

Mitikio ya msingi ya Unimolecular

Masi ya mmenyuko wa msingi ni idadi ya aina za reactant (atomi, molekuli, au ions). Kwa mfano, mmenyuko wa unimolecular unahusisha mmenyuko wa aina moja ya reactant kuzalisha molekuli moja au zaidi ya bidhaa:

A ⟶ bidhaa

Sheria ya kiwango cha majibu ya unimolecular ni amri ya kwanza:

kiwango = k [A]

Menyu ya unimolecular inaweza kuwa moja ya athari kadhaa za msingi katika utaratibu tata. Kwa mfano, majibu:

O_{3} ⟶ O_{2} + O

inaonyesha mmenyuko wa msingi wa unimolecular ambayo hutokea kama sehemu moja ya utaratibu wa majibu ya hatua mbili kama ilivyoelezwa hapo juu. Hata hivyo, baadhi ya athari unimolecular inaweza kuwa hatua pekee ya utaratibu wa mmenyuko wa hatua moja. (Kwa maneno mengine, majibu ya “jumla” yanaweza pia kuwa majibu ya msingi katika baadhi ya matukio.) Kwa mfano, kuharibika kwa awamu ya gesi ya cyclobutane, C ₄ H ₈, kwa ethylene, C ₂ H ₄, inawakilishwa na equation ya kemikali ifuatayo:

Katika takwimu hii, formula za kimuundo hutumiwa kuonyesha majibu ya kemikali. Kwenye kushoto, formula ya miundo ya cyclobutane inavyoonyeshwa. Muundo huu unajumuisha atomi 4 C zilizounganishwa na vifungo moja katika umbo la mraba. Kila atomu C inaunganishwa na atomi nyingine mbili za C katika muundo, na kuacha vifungo viwili kwa atomi H vinavyoelekeza nje, chini, kushoto, na kulia. Mshale unaelekeza haki ya molekuli mbili zinazofanana za ethane zilizo na alama ya pamoja kati yao. Kila moja ya molekuli hizi ina atomi mbili za C zilizounganishwa na dhamana mbili iliyoelekezwa kwa wima kati yao. Atomu C iliyo juu ya molekuli hizi ina atomi H zilizounganishwa hapo juu upande wa kulia na kushoto. Vilevile, atomu ya chini ya C ina atomi mbili za H zilizounganishwa chini kwenda kulia na kushoto.

Equation hii inawakilisha mmenyuko wa jumla aliona, na inaweza pia kuwakilisha halali unimolecular msingi majibu. Sheria ya kiwango kilichotabiriwa kutoka kwa equation hii, kwa kuzingatia kuwa ni mmenyuko wa msingi, hugeuka kuwa sawa na sheria ya kiwango inayotokana na majaribio kwa majibu ya jumla, yaani, moja inayoonyesha tabia ya kwanza:

kiwango = - \frac{Δ [C_{4} H_{8}]}{Δ t} = k [C_{4} H_{8}]

Mkataba huu kati ya sheria aliona na alitabiri kiwango ni kufasiriwa kwa maana kwamba mapendekezo unimolecular, single-hatua mchakato ni utaratibu busara kwa ajili ya majibu butadiene.

Mitikio ya msingi ya Bimolecular

Mmenyuko wa bimolecular unahusisha aina mbili za reactant, kwa mfano:

\begin{matrix} A + B ⟶ bidhaa \\ na \\ 2 A ⟶ bidhaa \end{matrix}

Kwa aina ya kwanza, ambayo molekuli mbili za reactant ni tofauti, sheria ya kiwango ni ya kwanza katika A na utaratibu wa kwanza katika B (wa pili kwa ujumla):

kiwango = k [A] [B]

Kwa aina ya pili, ambayo molekuli mbili zinazofanana zinapigana na kuguswa, sheria ya kiwango ni amri ya pili katika A:

kiwango = k [A] [A] = k [A]^{2}

Baadhi ya athari za kemikali hutokea kwa njia ambazo zinajumuisha mmenyuko mmoja wa msingi wa bimolecular. Mfano mmoja ni mmenyuko wa dioksidi ya nitrojeni na monoxide kaboni:

{HAPANA}_{2} (g) + USHIRIKIANO (g) ⟶ HAPANA (g) + {USHIRIKIANO}_{2} (g)

(angalia Mchoro 12.17)

Takwimu hii inatoa mfano wa mmenyuko kati ya molekuli mbili H I kutumia mifano ya kujaza nafasi. H atomi huonyeshwa kama nyanja nyeupe, na mimi atomi zinaonyeshwa kama nyanja za zambarau. Kwenye upande wa kushoto, molekuli mbili za H I zinaonyeshwa na nyanja ndogo nyeupe iliyounganishwa na nyanja kubwa ya zambarau. Lebo, “Mbili H I molekuli,” inaonekana hapa chini. Mshale unaonyesha haki ya muundo sawa ambapo molekuli mbili zinaonekana zimeunganishwa pamoja, ili nyanja za zambarau za molekuli mbili zimegusa. Chini inaonekana studio, “Transition hali.” Kufuatia mshale mwingine, nyanja mbili nyeupe zinaonyeshwa kwa wima na zimeunganishwa pamoja na lebo, “H subscript 2" hapo juu. H subscript 2 molekuli ni kufuatiwa na ishara pamoja na mbili zambarau nyanja bonded pamoja na studio, “Mimi subscript 2” hapo juu. Chini ya miundo hii ni studio, “Molekuli ya iodidi ya hidrojeni hutengana ili kuzalisha hidrojeni H subscript 2 na iodini mimi subscript 2.”

Kielelezo 12.17 Utaratibu unaowezekana wa mmenyuko kati ya NO ₂ na CO ili kutoa NO na CO ₂.

Athari za msingi za bimolecular zinaweza pia kuhusishwa kama hatua katika utaratibu wa mmenyuko wa multistep. Mitikio ya oksijeni ya atomiki na ozoni ni hatua ya pili ya utaratibu wa utengano wa ozoni wa hatua mbili uliojadiliwa mapema katika sehemu hii:

O (g) + O_{3} (g) ⟶ {2O}_{2} (g)

Termolecular Msingi athari

Mmenyuko wa msingi wa termolecular unahusisha mgongano wa wakati mmoja wa atomi tatu, molekuli, au ions. Athari za msingi za termolecular ni kawaida kwa sababu uwezekano wa chembe tatu zinazogongana wakati huo huo ni chini ya elfu moja ya uwezekano wa chembe mbili zinazogongana. Kuna, hata hivyo, wachache imara termolecular athari ya msingi. Mmenyuko wa oksidi ya nitriki na oksijeni inaonekana kuhusisha hatua za termolecular:

\begin{array}{l} 2HAKUNA + O_{2} ⟶ 2 {HAPANA}_{2} \\ kiwango = k {[HAPANA]}^{2} [O_{2}] \end{array}

Vivyo hivyo, mmenyuko wa oksidi ya nitriki na klorini inaonekana kuhusisha hatua za termolecular:

\begin{array}{l} 2HAKUNA + {Cl}_{2} ⟶ 2 NoCl \\ kiwango = k {[HAPANA]}^{2} [{Cl}_{2}] \end{array}

Kuhusiana na utaratibu wa majibu ya Kiwango cha Sheria

Mara nyingi ni kesi kwamba hatua moja katika utaratibu wa mmenyuko wa multistep ni polepole sana kuliko wengine. Kwa sababu mmenyuko hauwezi kuendelea kwa kasi zaidi kuliko hatua yake ya polepole, hatua hii itapunguza kiwango ambacho majibu ya jumla hutokea. Hatua ya polepole zaidi inaitwa hatua ya upeo wa kiwango (au hatua ya kuamua kiwango) ya mmenyuko Mchoro 12.18.

Picha inaonyeshwa ya ng'ombe wanaopitia chute nyembamba kwenye kalamu ya kushikilia. Mtu anawaongoza kupitia lango na pole ndefu nyeupe na nyekundu.

Kielelezo 12.18 Chute ya ng'ombe ni mfano usio na kemikali wa hatua ya kuamua kiwango. Ng'ombe zinaweza tu kuhamishwa kutoka kalamu moja ya kushikilia hadi nyingine kwa haraka kama mnyama mmoja anaweza kufanya njia yake kupitia chute. (mikopo: Loren Kerns)

Kama ilivyoelezwa hapo awali, sheria ya kiwango inaweza kuwa inayotokana moja kwa moja kutoka equations kemikali kwa athari ya msingi. Hii sio kesi, hata hivyo, kwa athari za kawaida za kemikali. Equations ya usawa mara nyingi hukutana inawakilisha mabadiliko ya jumla kwa mfumo fulani wa kemikali, na mara nyingi hii ni matokeo ya utaratibu wa mmenyuko wa multistep. Katika kila kesi, sheria ya kiwango lazima kuamua kutoka data ya majaribio na utaratibu wa majibu hatimaye inayotokana na sheria ya kiwango (na wakati mwingine kutoka data nyingine). Majibu ya NO ₂ na CO hutoa mfano wa mfano:

{HAPANA}_{2} (g) + USHIRIKIANO (g) ⟶ {USHIRIKIANO}_{2} (g) + HAPANA (g)

Kwa joto la juu ya 225 °C, sheria ya kiwango imepatikana kuwa:

kiwango = k [{HAPANA}_{2}] [USHIRIKIANO]

Majibu ni amri ya kwanza kwa heshima na NO ₂ na utaratibu wa kwanza kwa heshima na CO. Hii ni sawa na utaratibu wa bimolecular moja na inawezekana kwamba hii ndiyo utaratibu wa mmenyuko huu kwa joto la juu.

Katika joto chini ya 225 °C, mmenyuko unaelezewa na sheria ya kiwango ambacho ni utaratibu wa pili kwa heshima ya NO ₂:

kiwango = k {[{HAPANA}_{2}]}^{2}

Sheria hii ya kiwango haiendani na utaratibu wa hatua moja, lakini inafanana na utaratibu wa hatua mbili zifuatazo:

\begin{array}{l} {HAPANA}_{2} (g) + {HAPANA}_{2} (g) ⟶ {HAPANA}_{3} (g) + HAPANA (g) (polepole) \\ {HAPANA}_{3} (g) + USHIRIKIANO (g) ⟶ {HAPANA}_{2} (g) + {USHIRIKIANO}_{2} (g) (haraka) \end{array}

Hatua ya kuamua kiwango (polepole) inatoa sheria ya kiwango cha kuonyesha utegemezi wa pili kwenye mkusanyiko wa NO ₂, na jumla ya milinganyo miwili inatoa majibu ya jumla ya wavu.

Kwa ujumla, wakati kiwango cha kuamua (polepole) hatua ni hatua ya kwanza katika utaratibu, sheria ya kiwango cha majibu ya jumla ni sawa na sheria ya kiwango cha hatua hii. Hata hivyo, wakati hatua ya kuamua kiwango inatanguliwa na hatua inayohusisha mmenyuko wa kurekebishwa haraka, sheria ya kiwango cha majibu ya jumla inaweza kuwa vigumu zaidi kupata.

Kama ilivyojadiliwa katika sura kadhaa za maandishi haya, mmenyuko wa kubadilishwa ni katika usawa wakati viwango vya michakato ya mbele na ya nyuma ni sawa. Fikiria majibu ya msingi ya kubadilishwa ambayo NO hupunguza kuzalisha aina ya kati N ₂ O ₂. Wakati mmenyuko huu ni katika usawa:

\begin{array}{l} HAPANA + HAPANA ⇌ N_{2} O_{2} \\ {kiwango}_{mbele} = {kiwango}_{rejea} \\ k_{1} [HAPANA]^{2} = k_{-1} [N_{2} O_{2}] \end{array}

Maneno haya yanaweza kurekebishwa ili kuelezea mkusanyiko wa kati kwa suala la NO reactant:

(\frac{k_{1} [HAPANA]^{2}}{k_{-1}}) = [N_{2} O_{2}]

Kwa kuwa viwango vya aina za kati hazitumiwi katika kuandaa sheria za kiwango cha athari kwa ujumla, mbinu hii wakati mwingine ni muhimu, kama inavyoonekana katika zoezi zifuatazo mfano.

Mfano 12.14

Kupata Sheria ya Kiwango kutoka kwa Mfumo wa Majibu

Utaratibu wa hatua mbili hapa chini umependekezwa kwa mmenyuko kati ya monoxide ya nitrojeni na klorini ya Masi:

\begin{matrix} Hatua ya 1: HAPANA (g) + {Cl}_{2} (g) ⇌ {NoCl}_{2} (g) & haraka \\ Hatua ya 2: {NoCl}_{2} (g) + HAPANA (g) ⟶ 2noCl (g) & polepole \end{matrix}

Kutumia utaratibu huu hupata equation na alitabiri kiwango cha sheria kwa majibu ya jumla.

Suluhisho

Equation kwa mmenyuko wa jumla hupatikana kwa kuongeza athari mbili za msingi:

2HAKUNA (g) + {Cl}_{2} (g) ⟶ 2noCl (g)

Kupata sheria ya kiwango kutoka kwa utaratibu huu, kwanza kuandika viwango sheria kwa kila moja ya hatua mbili.

\begin{matrix} {kiwango}_{1} & = & k_{1} [HAPANA] [{Cl}_{2}] kwa majibu ya mbele ya hatua ya 1 \\ {kiwango}_{-1} & = & k_{-1} [{NoCl}_{2}] kwa mmenyuko wa nyuma wa hatua ya 1 \\ {kiwango}_{2} & = & k_{2} [{NoCl}_{2}] [HAPANA] kwa hatua ya 2 \end{matrix}

Hatua ya 2 ni hatua ya kuamua kiwango, na hivyo sheria ya kiwango cha majibu ya jumla inapaswa kuwa sawa na kwa hatua hii. Hata hivyo, hatua 2 kiwango cha sheria, kama ilivyoandikwa, ina mkusanyiko wa aina ya kati, [NoCl ₂]. Ili kurekebisha hili, tumia sheria za kiwango cha hatua ya kwanza ili kupata usemi kwa ukolezi wa kati kwa suala la viwango vya reactant.

Kutokana hatua ya 1 ni katika usawa:

\begin{matrix} {kiwango}_{1} & = & {kiwango}_{-1} \\ k_{1} [HAPANA] [{Cl}_{2}] & = & k_{-1} [{NoCl}_{2}] \\ [{NoCl}_{2}] & = & (\frac{k_{1}}{k_{-1}}) [HAPANA] [{Cl}_{2}] \end{matrix}

Kubadilisha maneno haya katika sheria ya kiwango cha mazao ya hatua ya 2:

{kiwango}_{2} = {kiwango}_{jumla} = (\frac{k_{2} k_{1}}{k_{-1}}) [HAPANA]^{2} [{Cl}_{2}]

Angalia Kujifunza Yako

Hatua ya kwanza ya utaratibu uliopendekezwa wa multistep ni:

F_{2} (g) ⇌ 2F (g) haraka

Hupata equation zinazohusiana atomiki fluorine mkusanyiko kwa mkusanyiko Masi florini.

Jibu:

$[F] = (\frac{k_{1} [F_{2}]}{k_{-1}})^{1/2}$