Ταχύτητα αντίδρασης - Ορισμός

Ας πάρουμε για παράδειγμα την αντίδραση: 2ΗI(g) [pic] H2(g) + I2(g) Η ταχύτητα διάσπασης του HΙ (ή καλύτερα ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του ΗI) δίνεται από τη σχέση: [pic] Το αρνητικό πρόσημο εισάγεται, ώστε η ταχύτητα διάσπασης, δηλαδή ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του ΗΙ, να πάρει θετικές τιμές. [pic] Στην ίδια αντίδραση η ταχύτητα σχηματισμού του Η2 και του Ι2 (ή καλύτερα ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης των Η2 και Ι2) είναι: [pic]

Διαγραμματική απεικόνιση της πορείας μιας υποθετικής αντίδρασης της μορφής: Α(g) [pic] Β(g) και υπολογισμός της ταχύτητας αυτής. Vδοχ = 1 L

1. Ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του Β την περίοδο 0 - 20 s υ Β = Δ[B] /Δt =(46-0) /20 = 2,3 mmol L-1 s-1 2. Ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του Β την περίοδο 20 - 40 s υΒ = Δ[B] /Δt =(70-46) /20 = 1,2 mmol L-1 s-1 3. Ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του Β την περίοδο 0 - 40 s υ Β = Δ[B] /Δt =(70-0) /40 = 1,75 mmol L-1 s-1

Σύμφωνα με τη στοιχειομετρία της παραπάνω χημικής εξίσωσης, αν σε χρονικό διάστημα Δt αντιδράσουν χ mol HI σχηματίζονται χ/2 mol H2 και χ/2 mol I2. Έτσι, εύκολα μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι: υHI = 2 υH2 = 2 υI2 Δηλαδή ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης του ΗΙ είναι διπλάσιος του αντίστοιχου του Η2 και Ι2. Γενικά ορίζεται ταχύτητα υ μιας χημικής αντίδρασης της μορφής αΑ + βΒ [pic] γΓ + δΔ: [pic]

Έτσι, η ταχύτητα της αντίδρασης 2ΗΙ(g) > H2(g) + I2(g) είναι: [pic] Να σημειωθεί ότι η ταχύτητα της αντίδρασης δεν είναι σταθερή καθ’ όλη τη διάρκεια της. Στην αρχή (εκτός ελαχίστων εξαιρέσεων) η ταχύτητα είναι η μέγιστη. Ελαττώνεται, όμως, με την πάροδο του χρόνου, καθώς μειώνεται η συγκέντρωσης των αντιδρώντων, ώσπου στο τέλος να μηδενιστεί. Είναι λοιπόν αυτονόητο, ότι οι μετρήσεις μεταβολών συγκεντρώσεων αντιδρώντων ή προϊόντων σε κάποιο χρονικό διάστημα, Δt, αφορούν τον προσδιορισμό της μέσης ταχύτητας της αντίδρασης για το χρονικό αυτό διάστημα. Στιγμιαία ταχύτητα χημικής αντίδρασης, που έχει τη γενική μορφή αΑ + βΒ α γΓ + δΔ , ορίζεται ως: [pic] όπου dc είναι μια απειροελάχιστη μεταβολή της συγκέντρωσης c, κατά την απειροελάχιστη μεταβολή dt του χρόνου στη χρονική στιγμή t. Η καμπύλη αντίδρασης μας δείχνει πως μεταβάλλεται η συγκέντρωση ενός από τα αντιδρώντα ή τα προϊόντα με το χρόνο. Με βάση την καμπύλη αντίδρασης, που προκύπτει πειραματικά, μπορούμε να υπολογίσουμε τη στιγμιαία ταχύτητα της αντίδρασης κάποια χρονική στιγμή t1, ακολουθώντας τη διαδικασία που περιγράφεται στο παρακάτω σχήμα:

ΣΧΗΜΑ 3.3 Για να υπολογίσουμε τη στιγμιαία ταχύτητα τη χρονική στιγμή t1, φέρνουμε την εφαπτομένη της καμπύλης που αντιστοιχεί στο σημείο t1 και υπολογίζουμε τη κλίση της. Η κλίση της ευθείας αυτής βρίσκεται αν πάρουμε δύο σημεία της Α και Β και υπολογίσουμε το Δc και Δ t. Η στιγμιαία ταχύτητα υ t1 τη χρονική στιγμή t1 δίνεται από τη σχέση: υ t1 = Δc/Δt

Πειραματικός προσδιορισμός της ταχύτητας της αντίδρασης: 2H2O2(l) [pic] 2H2O(l) + O2(g) Αυτό γίνεται με μέτρηση της μάζας του ελευθερωμένου O2 σε συνάρτηση με το χρόνο. Ο προσδιορισμός αυτός γίνεται έμμεσα με μέτρηση της μάζας του αντιδρώντος συστήματος, η οποία μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, λόγω έκλυσης του Ο2(g). α. t = 0 s, m = 1246,050 g β. t = 60 s, m = 1243,090 g

Παράδειγμα 3.1 Η ταχύτητα σχηματισμού της ΝΗ3 Ν2(g) + 3H2(g) [pic] 2NH3(g) είναι 2,5 mol L-1 h-1. α) Ποιος είναι ο ρυθμός κατανάλωσης του Η2 στο ίδιο χρονικό διάστημα; β) Ποια είναι η ταχύτητα της αντίδρασης; ΛΥΣΗ α) Από της αντίδραση εύκολα υπολογίζουμε ότι: Ν2 + 3Η2 > 2ΝΗ3 [pic] άρα ο ρυθμός κατανάλωση του Η2 είναι 3,75 mol L-1 h-1. β) Η ταχύτητα της αντίδρασης είναι: [pic]

Εφαρμογή Ο ρυθμός σχηματισμού του HJ, Η2 + J2 [pic] 2HJ είναι 0,04 mol L-1s-1. α) Ποιος είναι ο ρυθμός κατανάλωσης του Η2 στο ίδιο χρονικό διάστημα; β) Ποια είναι η ταχύτητα της αντίδρασης; (α. 0,02 mol L-1 s-1 β. 0,02 mol L-1 s-1)