Kinetyka zajmuje się zmiennością w czasie reagujących układów chemicznych. Badania kinetyczne dostarczają informacji o przebiegu reakcji chemicznych oraz stanowią podstawę technologicznego projektowania reaktorów.

Wyniki pomiarów kinetycznych opisujemy równaniami, które w większości przypadków wyrażają zależność szybkości reakcji r od stężeń reagentów i od temperatury. Jeśli chcemy znać nie tylko postać równań kinetycznych, lecz rozumieć również ich powiązanie z molekularnym przebiegiem reakcji, musimy poznać mechanizm reakcji. Przez pojęcie „mechanizm reakcji”

Według Boudarta celem podstawowych badań kinetycznych jest:

• ustalenie schematu aktów elementarnych,

• zaproponowanie sekwencji aktów elementarnych,

• wyjaśnienie przebiegu aktu elementarnego.

Szybkość homogenicznej reakcji chemicznej r definiujemy jako zmianę stężenia -c w czasie -t
i jest ona wielkością intensywną. W przypadku, gdy stężenie -c odnosi się do substratów w równaniu dopisujemy znak (-).

Centralnym problemem kinetyki chemicznej jest znalezienie równania kinetycznego r=f(c_i,T) gdzie T jest temperaturą bezwzględną. Po rozdzieleniu zmiennych szybkość nieodwracalnej reakcji chemicznej r wyraża równanie r=k(T)*f(c_i), gdzie współczynnik k (T), zwany stałą szybkości reakcji, jest niezależny od stężeń reagentów, zależy natomiast od temperatury. W pewnych przypadkach funkcja f(c_i) może też zależeć od temperatury. Funkcja f(c_i) ma postać:

gdzie iloczyn rozciąga się na wszystkie składniki układu. λ_i jest rzędem reakcji względem składnika i. Rząd reakcji zawarty jest zwykle w granicach -2<λ_i<2. W szczególnym przypadku może on być równy 0. Szybkość reakcji nie zależy wówczas od stężenia składnika i. Sumę wykładników potęgowych λ_i, zwaną całkowitym rzędem reakcji, oznaczamy symbolem n. Rząd reakcji jest parametrem równania empirycznego. Rzędów reakcji (λ_i) nie wolno utożsamiać ze współczynnikami stechiometrycznymi reakcji chemicznych (υ_i). Doświadczenia wykazały, że w niektórych przypadkach λ_i jest różne od υ_i podczas gdy w innych λ_i=υ_i. Im mniej skomplikowany jest przebieg reakcji tym bardziej jest prawdopodobne, że rzędy reakcji i współczynniki stechiometryczne będą miały identyczne wartości.

WYKONANIE:

Celem ćwiczenia było wyznaczenie stałej szybkości reakcji hydrolizy estru, która przebiega zgodnie z równaniem:

CH₃COOC₂H₅ + NaOH = CH₃COONa + C₂H₅OH

Jeśliby przeanalizować przypadek nieodwracalnej reakcji II-rzędu:

A + B → produkty

to równanie na szybkość takiej reakcji można zapisać:

gdzie:
- ubytek stężenia każdego stężenia po czasie

i
- początkowe stężenia substratów.

Przekształcając i całkując powyższe równanie otrzymuje się:

wartość stałej wyznaczyć można przez obliczenie wartości wyrażenia dla warunków początkowych
i
:

podstawiając wartość tak otrzymanej stałej do równania otrzymuje się:

Otrzymane w ten sposób równanie kinetyczne reakcji II-rzędowej pozwala, znając wartość stałej szybkości reakcji
, wyznaczyć aktualny ubytek stężenia substratów w dowolnym czasie
.

Jeżeli początkowe stężenia substratów są jednakowe lub reakcja przebiega zgodnie z równaniem:

2A → produkty

wówczas równanie kinetyczne ma postać:

gdzie:
- aktualne stężenie substratów.

Po rozdzieleniu zmiennych i scałkowaniu w granicach od
do
i od
do
:

lub po przekształceniu:

.

Zasada wyznaczania stałej szybkości reakcji hydrolizy estru
, polegała na pomiarze aktualnego stężenia reagentów poprzez śledzenia przewodnictwa roztworu reakcyjnego. Przekształcając ostatni wzór tak, aby zamiast stężeń reagentów możliwe było podstawianie wartości przewodnictwa roztworu otrzymuje się:

.

Jest to równanie kinetyczne reakcji hydrolizy octanu etylu, w którym stężenia reagentów zostały zastąpione wartościami przewodnictw.

Tabela wyników:

Lo=3,58 mS Ln=1,34 mS

Lp	h pomiaru	t [ min ]	t*t	L [ mS ]	Lo -L [mS]	L - Ln [mS]	(Lo-L)/(L-Ln)	y=(Lo-L)/ Co(L-Ln) [mol/l]	t*y
1	09:42	5	25	3,3	0,28	1,96	0,14285714	14,28571429	71,42857
2	09:47	10	100	3	0,58	1,66	0,34939759	34,93975904	349,3976
3	09:52	15	225	2,79	0,79	1,45	0,54482759	54,48275862	817,2414
4	09:57	20	400	2,63	0,95	1,29	0,73643411	73,64341085	1472,868
5	10:02	25	625	2,49	1,09	1,15	0,94782609	94,7826087	2369,565
6	10:07	30	900	2,39	1,19	1,05	1,13333333	113,3333333	3400
7	10:17	40	1600	2,18	1,4	0,84	1,66666667	166,6666667	6666,667
8	10:27	50	2500	2,05	1,53	0,71	2,15492958	215,4929577	10774,65
9	10:37	60	3600	1,97	1,61	0,63	2,55555556	255,5555556	15333,33
10	10:47	70	4900	1,89	1,69	0,55	3,07272727	307,2727273	21509,09
11	10:57	80	6400	1,83	1,75	0,49	3,57142857	357,1428571	28571,43
12	11:07	90	8100	1,79	1,79	0,45	3,97777778	397,7777778	35800
			29375						127135,7

Następnie wykreślono graficznie zalezność:

(Lo-L)/Co(L-Ln)=f(t).

Wykres załączono w załączniku 1.

Na tej podstawie określono stałą szybkości reakcji hydrolizy estru k wyznaczając współczynnik kierunkowy tak powstałej prostej:

a) graficznie (jako współczynnik odczytany z wykresu):

Na wykresie funkcji obieramy sobie dwa punkty o współrzędnych: A=(25,100),B=(45,190).Następnie obliczamy ΔX=X2-X1,oraz ΔY=Y2-Y1.Otrzymaliśmy następujące wartości:ΔX=45-25=20; ΔY=190-100=90.Nasze szukane k(stała szybkości reakcji) wyznaczymy ze wzoru k=ΔY/ΔX,czyli k=90/20, k=4,5.

b) analitycznie:metodą najmniejszych kwadratów:

=4,3280[1/min]

Wartość stałej szybkości reakcji k wyznaczona obiema metodami jest podobna.