13B: Chemical Kinetics
Table of Contents
The earliest analytical methods based on chemical kinetics—which first appear in the late nineteenth century—took advantage of the catalytic activity of enzymes. In a typical method of that era, an enzyme was added to a solution containing a suitable substrate and their reaction monitored for a fixed time. The enzyme’s activity was determined by the change in the substrate’s concentration. Enzymes also were used for the quantitative analysis of hydrogen peroxide and carbohydrates. The development of chemical kinetic methods continued in the first half of the twentieth century with the introduction of nonenzymatic catalysts and noncatalytic reactions.
Despite the diversity of chemical kinetic methods, by 1960 they were no longer in common use. The principal limitation to their broader acceptance was a susceptibility to significant errors from uncontrolled or poorly controlled variables—temperature and pH are two examples—and the presence of interferents that activate or inhibit catalytic reactions. By the 1980s, improvements in instrumentation and data analysis methods compensated for these limitations, ensuring the further development of chemical kinetic methods of analysis.3
13B.1 Theory and Practice
Every chemical reaction occurs at a finite rate, making it a potential candidate for a chemical kinetic method of analysis. To be effective, however, the chemical reaction must meet three necessary conditions: the reaction must not occur too quickly or too slowly; we must know the reaction’s rate law; and we must be able to monitor the change in concentration for at least one species. Let’s take a closer look at each of these needs.
The material in this section assumes some familiarity with chemical kinetics, which is part of most courses in general chemistry. For a review of reaction rates, rate laws, and integrated rate laws, see the material in Appendix 17.
Reaction Rate
The rate of the chemical reaction—how quickly the concentrations of reactants and products change during the reaction—must be fast enough that we can complete the analysis in a reasonable time, but also slow enough that the reaction does not reach equilibrium while the reagents are mixing. As a practical limit, it is not easy to study a reaction that reaches equilibrium within several seconds without the aid of special equipment for rapidly mixing the reactants. We will discuss two examples of instrumentation for studying reactions with fast kinetics in Section 13B.3.
Rate Law
The second requirement is that we must know the reaction’s rate law—the mathematical equation describing how the concentrations of reagents affect the rate—for the period in which we are making measurements. For example, the rate law for a reaction that is first order in the concentration of an analyte, A, is
rate = − d[A] / dt = k[A] 13.1
where k is the reaction’s rate constant.
Because the concentration of A decreases during the reactions, d[A] is negative. The minus sign in equation 13.1 makes the rate positive. If we choose to follow a product, P, then d[P] is positive because the product’s concentration increases throughout the reaction. In this case we omit the minus sign; see equation 13.21 for an example.
An integrated rate law often is a more useful form of the rate law because it is a function of the analyte’s initial concentration. For example, the integrated rate law for equation 13.1 is
ln[A]t = ln[A]0 − kt 13.2
or
[A]t = [A]0e−kt 13.3
where [A]0 is the analyte’s initial concentration and [A]t is the analyte’s concentration at time t.
Unfortunately, most reactions of analytical interest do not follow a simple rate law. Consider, for example, the following reaction between an analyte, A, and a reagent, R, to form a single product, P
kf
A + R ⇋ P
kb
where kf is the rate constant for the forward reaction, and kb is the rate constant for the reverse reaction. If the forward and reverse reactions occur as single steps, then the rate law is
rate = −d[A]/ dt = kf [A] [R] − kb[P] 13.4
The first term, kf[A][R] accounts for the loss of A as it reacts with R to make P, and the second term, kb[P] accounts for the formation of A as P converts back to A and R.
Although we know the reaction’s rate law, there is no simple integrated form that we can use to determine the analyte’s initial concentration. We can simplify equation 13.4 by restricting our measurements to the beginning of the reaction when the product’s concentration is negligible. Under these conditions we can ignore the second term in equation 13.4, which simplifies to
rate = −d[A] / dt = kf[A] [R] 13.5
The integrated rate law for equation 13.5, however, is still too complicated to be analytically useful. We can further simplify the kinetics by carefully adjusting the reaction conditions.4 For example, we can ensure pseudo-first-order kinetics by using a large excess of R so that its concentration remains essentially constant during the time we are monitoring the reaction. Under these conditions equation 13.5 simplifies to
rate = −d[A] / dt = kf [A] [R]0 = k′[A] 13.6
where k′ = kf[R]0.
To say that the reaction is pseudo-first-order in A means that the reaction behaves as if it is first order in A and zero order in R even though the underlying kinetics are more complicated. We call k ′ the pseudo-first-order rate constant.
The integrated rate laws for equation 13.6 are
ln[A]t = ln[A]0 − k′t 13.7
or
[A]t = [A]0e−k′t 13.8
It may even be possible to adjust the conditions so that we use the reaction under pseudo-zero-order conditions.
rate = −d[A] / dt = kf[A]0[R]0 = k′′ 13.9
[A]t = [A]0 − k′′t 13.10
where k′′ = kf [A]0[R]0.
To say that a reaction is pseudo-zero-order means that the reaction behaves as if it is zero order in A and zero order in R even though the underlying kinetics are more complicated. We call k ′′ the pseudo-zero-order rate constant.
Equation 13.10 is the integrated rate law for equation 13.9.
Monitoring the Reaction
The final requirement is that we must be able to monitor the reaction's progress by following the change in concentration for at least one of its species. Which species we choose to monitor is not important.it can be the analyte, a reagent reacting with the analyte, or a product. For example, we can determine concentration of phosphate in a sample by first reacting it with Mo(VI) to form 12.molybdophosphoric acid (12-MPA).
H3PO4(aq) + 6Mo(VI)(aq)+ → 12-MPA(aq) + 9H+(aq) 13.11
Next, we reduce 12-MPA to form heteropolyphosphomolybdenum blue, PMB. The rate of formation of PMB is measured spectrophotometrically, and is proportional to the concentration of 12-MPA. The concentration of 12-MPA, in turn, is proportional to the concentration of phosphate.5 We also can follow reaction 13.11 spectrophotometrically by monitoring the formation of the yellow-colored 12-MPA.6
13B.2 Classifying Chemical Kinetic Methods
Figure 13.2 provides one useful scheme for classifying chemical kinetic methods of analysis. Methods are divided into two main categories: direct-computation methods and curve-fitting methods. In a direct-computation method we calculate the analyte’s initial concentration, [A]0, using the appropriate rate law. For example, if the reaction is first-order in analyte, we can use equation 13.2 to determine [A]0 if we have values for k, t, and [A]t. With a curve-fitting method, we use regression to find the best fit between the data—for example, [A]t as a function of time—and the known mathematical model for the rate law. If the reaction is first-order in analyte, then we fit equation 13.2 to the data using k and [A]0 as adjustable parameters.
Figure 13.2 Classification of chemical kinetic methods of analysis adapted from Pardue, H. L. “Kinetic Aspects of Analytical Chemistry,”Anal. Chim. Acta 1989, 216, 69–107.
Direct-Computation Fixed-Time Integral Methods
A direct-computation integral method uses the integrated form of the rate law. In a one-point fixed-time integral method, for example, we determine the analyte’s concentration at a single time and calculate the analyte’s initial concentration, [A]0, using the appropriate integrated rate law. To determine the reaction’s rate constant, k, we run a separate experiment using a standard solution of analyte. Alternatively, we can determine the analyte’s initial concentration by measuring [A]t for several standards containing known concentrations of analyte and constructing a calibration curve.
13 : โต๊ะ
จลนศาสตร์เคมี เนื้อหาเก่าวิเคราะห์โดยวิธีเคมีจลนศาสตร์ที่แรกปรากฏในศตวรรษที่สิบเก้าปลายเอาประโยชน์จากฤทธิ์ของเอนไซม์ ในวิธีการทั่วไปในยุคนั้น เอนไซม์ที่ถูกเพิ่มลงในสารละลายที่มีพื้นผิวที่เหมาะสมและการตรวจสอบเป็นระยะเวลาคงที่กิจกรรมของเอนไซม์ที่ถูกกำหนดจากการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นสารอาหาร . เอนไซม์ยังถูกใช้สำหรับการวิเคราะห์เชิงปริมาณของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์และคาร์โบไฮเดรต การพัฒนาวิธีการทางเคมีอย่างต่อเนื่องในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ยี่สิบกับการแนะนำของตัวเร่งปฏิกิริยา nonenzymatic และปฏิกิริยา noncatalytic .
แม้จะมีความหลากหลายของวิธีทางเคมี โดย 1960 พวกเขาไม่ใช้ร่วมกัน ข้อจำกัดหลักของการยอมรับในวงกว้าง เป็นอย่างที่ควบคุมไม่ได้ หรือเกิดข้อผิดพลาดจากงานตัวแปรควบคุมอุณหภูมิและ pH เป็นสองตัวอย่างและการปรากฏตัวของศึกษาที่กระตุ้นหรือยับยั้งปฏิกิริยาการเร่งปฏิกิริยา โดย 1980การปรับปรุงในเครื่องมือวัดและการวิเคราะห์ข้อมูลวิธีการชดเชยข้อจำกัดเหล่านี้ เพื่อการพัฒนาต่อไปของจลนศาสตร์เคมี วิธีการของการวิเคราะห์ 3
13 1 ทฤษฎีและปฏิบัติ
ทุกปฏิกิริยาทางเคมีเกิดขึ้นในอัตราที่จำกัด ทำให้ผู้สมัครที่มีศักยภาพสำหรับจลนศาสตร์เคมี วิธีการของการวิเคราะห์ จะมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตามปฏิกิริยาทางเคมีจะต้องพบกับสามเงื่อนไขที่จำเป็น : ปฏิกิริยาที่ไม่ต้องเกิดขึ้นเร็วเกินไป หรือช้าเกินไป เราต้องรู้กฎอัตราของปฏิกิริยา และเราต้องสามารถที่จะตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในความเข้มข้นอย่างน้อยหนึ่งชนิด ขอใช้เวลามองใกล้ที่แต่ละความต้องการเหล่านี้ .
วัสดุในส่วนนี้ถือว่ามีความคุ้นเคยกับจลนศาสตร์เคมีซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของหลักสูตรส่วนใหญ่ในวิชาเคมีทั่วไป เพื่อทบทวนอัตรา อัตราของปฏิกิริยา กฎหมาย และกฎคะแนนรวม ดูวัสดุในภาคผนวก 17
อัตราปฏิกิริยาอัตราของปฏิกิริยาทางเคมีวิธีการอย่างรวดเร็วของปริมาณสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์เปลี่ยนระหว่างปฏิกิริยาต้องเร็วพอ เราสามารถทำการวิเคราะห์ได้ในเวลาที่เหมาะสมแต่ยังช้าพอที่ปฏิกิริยายังไม่ถึงจุดสมดุลในขณะที่สารเคมีจะผสม เป็นขีด จำกัด ในทางปฏิบัติ มันไม่ง่ายที่จะศึกษาถึงปฏิกิริยาที่สมดุลภายในไม่กี่วินาทีโดยไม่ต้องช่วยเหลือของอุปกรณ์พิเศษสำหรับอย่างรวดเร็วผสมก๊าซ เราจะหารือเกี่ยวกับสองตัวอย่างของเครื่องมือเพื่อศึกษาจลนพลศาสตร์ปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วในมาตรา 13 3 .
กฎอัตราความต้องการที่สองคือเราต้องรู้ว่าของอัตราการเกิดปฏิกิริยากฎหมายสมการทาง คณิตศาสตร์ อธิบายว่า ความเข้มข้นของสารเคมีที่มีผลต่อคะแนนในช่วงเวลาที่เรากำลังวัด ตัวอย่างเช่นกฎหมายอัตราปฏิกิริยาที่เป็นลำดับแรกในความเข้มข้นของครู , ,
คะแนน = − D [ ] / dt = K [ a ] 13.1
โดยที่ k คือค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยา .
เพราะความเข้มข้นของการลดลงในช่วงปฏิกิริยา , D [ ] เป็นค่าลบ เครื่องหมายลบในสมการ 13.1 ทำให้คะแนนบวก ถ้าเราเลือกที่จะติดตามผลิตภัณฑ์ , p , D [ P ] เป็นบวกเพราะผลิตภัณฑ์ความเข้มข้นเพิ่มขึ้นตลอดการ ในกรณีนี้เราละเว้นเครื่องหมายลบ ดูสมการ 13.21 ยกตัวอย่าง .
อัตราการบูรณาการกฎหมายมักจะเป็นรูปแบบที่มีประโยชน์เพิ่มเติมของกฎหมายเท่ากันเพราะมันเป็นฟังก์ชั่นของความเข้มข้นเริ่มต้นของครู . ตัวอย่างเช่นกฎหมายคะแนนรวมสมการ 13.1 เป็น
[ ] t = ln [ ] 0 − KT 13.2 หรือ
[ ]
t = [ ] เครื่อง− KT ที่ 13.3
[ ] 0 คือเป็นครูและความเข้มข้นเริ่มต้น [ ] t คือความเข้มข้นของครูที่ เวลา T .
ขออภัยปฏิกิริยาส่วนใหญ่สนใจวิเคราะห์ไม่ปฏิบัติตามกฎหมายคะแนนง่าย พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ปฏิกิริยาระหว่างครู , และ , การกระทำ , R , รูปแบบผลิตภัณฑ์เดียว , p
KF
r p
⇋บางครั้งที่ KF เป็นค่าคงที่อัตราปฏิกิริยาไปข้างหน้า และบางครั้งเป็นค่าคงที่อัตราย้อนกลับปฏิกิริยา ถ้าปฏิกิริยาไปข้างหน้าและย้อนกลับเกิดขึ้นเป็นขั้นตอนเดียว แล้วกฎหมายอัตรา
คะแนน = − D [ ] / dt = KF [ ] [ R ] − KB [ P ] 13.4
ครั้งแรกในระยะ , KF [ ] [ R ] บัญชีสำหรับการสูญเสียของมันมีปฏิกิริยากับ R ให้ P และระยะที่สอง KB [ P ] บัญชีสำหรับการก่อตัวของ แปลงกลับไปเป็น P และ R .
ถึงแม้ว่าเรารู้กฎหมายอัตราของปฏิกิริยา ไม่มีแบบง่ายๆแบบที่เราสามารถใช้เพื่อตรวจสอบความเข้มข้นของครู . เราสามารถลดความซับซ้อนของสมการ 134 โดยการวัดของเราเพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาเมื่อความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ที่เป็นเล็กน้อย ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้เราสามารถละเว้นระยะที่สองในสมการ 13.4 ซึ่งช่วยลดอัตรา = − d [
] / dt = KF [ ] [ R ] 13.5
รวมคะแนนกฎหมายสำหรับสมการการลงทุน อย่างไรก็ตามยังคงซับซ้อนเกินไปที่จะเป็นประโยชน์ในการวิเคราะห์ .เราสามารถลดความซับซ้อนของจลนศาสตร์โดยรอบคอบปรับเงื่อนไขปฏิกิริยา 4 ตัวอย่าง เราสามารถมั่นใจได้ว่าลำดับแรกหลอกจลนพลศาสตร์โดยใช้ส่วนเกินขนาดใหญ่ของ R นั่นสมาธิยังคงเป็นหลักตลอดช่วงเวลาที่เรากำลังตรวจสอบปฏิกิริยา ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้สมการ 13.5 ง่าย
คะแนน = − D [ ] / dt = KF [ ] [ R ] 0 = Kitchen Stories [ ] 1
ที่ Kitchen Stories = KF [ R ]
0ว่าปฏิกิริยาจะสั่งซื้อครั้งแรกเทียมในหมายความว่าการประพฤติตัวเหมือนเป็นลำดับแรกในศูนย์และสั่ง R แม้ว่าต้นแบบจลนศาสตร์ที่ซับซ้อนมากขึ้น เราเรียก Kitchen Stories เทียมแรกสั่งแบบอัตราคงที่ สมการอัตรา
เนื่องจากเป็นกฎหมายที่ [ ] T = ln [ ] 0 − Kitchen Stories T 13.7
หรือ
[ ] T = [ ] เครื่อง− Kitchen Stories ตอน
tมันอาจเป็นไปได้ที่จะปรับสภาพเพื่อให้เราใช้ปฏิกิริยาภายใต้สภาวะศูนย์เพื่อหลอก
คะแนน = − D [ ] / dt = KF [ ] 0 [ ] 0 r = k ′′ 13.9
[ ] T = [ − ] 0 K ′′ T
′′ 13.10 ที่เค = KF [ ] 0 [ ] 0 r .
กล่าวว่า ปฏิกิริยาที่เป็นหมายถึงศูนย์เพื่อหลอกว่าปฏิกิริยาทำตัวราวกับว่ามันเป็นคำสั่งในศูนย์และศูนย์เพื่อ R แม้ว่าต้นแบบจลนศาสตร์ที่ซับซ้อนมากขึ้นเราเรียก K ′′เทียมศูนย์สั่งอัตราคงที่ สมการ 13.10
เป็นกฎหมายแบบบูรณาการสำหรับสมการอัตรา 13.9 .
ติดตามปฏิกิริยาความต้องการสุดท้ายคือ เราต้องสามารถตรวจสอบความคืบหน้าปฏิกิริยา ? โดยต่อไปนี้การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นอย่างน้อยหนึ่งชนิดของ ชนิดที่เราเลือกที่จะตรวจสอบไม่สามารถเป็นครู important.it ,การกระทำโต้ตอบกับครู หรือผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่นเราสามารถกำหนดความเข้มข้นของฟอสเฟตในตัวอย่างแรกโดยปฏิกิริยากับโม ( 6 ) รูปแบบ 12.molybdophosphoric acid ( 12-mpa )
6mo H3PO4 ( AQ ) ( 6 ) ( AQ ) → keyboard - key - name 12-mpa ( AQ ) 9H ( AQ ) 13.11
ต่อไป เราลด 12-mpa ฟอร์ม heteropolyphosphomolybdenum สีฟ้า พีเ มบี . อัตราของการสร้างวัดนี้พีเ มบี ,และมีสัดส่วนความเข้มข้นของ 12-mpa . ความเข้มข้นของ 12-mpa จะเป็นสัดส่วนกับปริมาณฟอสเฟต 5 เรายังสามารถติดตามปฏิกิริยา 13.11 นี้ติดตามการก่อตัวของสีเหลือง 12-mpa 6
13 2 หมวดหมู่จลนศาสตร์เคมีวิธีการ
รูป 13.2 ให้ประโยชน์ของการจำแนกจลนศาสตร์เคมีวิธีการของการวิเคราะห์วิธีการแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก : โดยวิธีการและวิธีการคำนวณเส้นโค้งที่เหมาะสม ในการคำนวณโดยวิธีของครูเราคำนวณความเข้มข้นเริ่มต้น [ ] 0 , การใช้กฎหมายในอัตราที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น ถ้าปฏิกิริยาเป็นลำดับแรกในครู เราสามารถใช้สมการ 13.2 ระบุ [ ] 0 ถ้าเรามีค่า K , T [ ] T และมีเส้นโค้งที่เหมาะสมวิธีการเราใช้สมการถดถอยเพื่อหาที่ดีที่สุดพอดีกับข้อมูลตัวอย่างเช่น [ t ] เป็นฟังก์ชันของเวลา และรู้จักแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับกฎอัตรา ถ้าปฏิกิริยาเป็นลำดับแรกในครู แล้วเราใส่สมการ 13.2 ให้ข้อมูลโดยใช้ K [ ] 0 เป็นพารามิเตอร์ที่สามารถปรับ
รูป 13.2 หมวดหมู่ของจลนศาสตร์เคมี วิธีการของการวิเคราะห์ดัดแปลงจาก พาร์ดูว์ , H . L ." ทางด้านเคมีวิเคราะห์ , ทวารหนัก ชิม ACTA 1989 , 216 , 69 – 107 .
การคำนวณโดยตรงแก้ไขเวลาเป็นวิธีโดยตรงและวิธีใช้
การคำนวณรวมรูปแบบของกฎหมายต่อไป ในจุดหนึ่งกำหนดเวลาหนึ่งวิธี ตัวอย่างเช่น เรากำหนดความเข้มข้นของครูในเวลาเดียวและคำนวณความเข้มข้นของครู [ ] 0การใช้กฎหมายที่เหมาะสมรวม อัตรา เพื่อกำหนดอัตราคงที่ K ของปฏิกิริยา เราวิ่งทดลองแยกการใช้โซลูชั่นมาตรฐานของครู . อีกวิธีหนึ่งคือ เราสามารถกำหนดความเข้มข้นของครูโดยการวัด [ ] T หลายมาตรฐานที่มีความเข้มข้นของครูที่รู้จักและสร้างเป็นรูปโค้ง .
การแปล กรุณารอสักครู่..
![](//thimg.ilovetranslation.com/pic/loading_3.gif?v=b9814dd30c1d7c59_8619)