Kinetika Reaksi

Kinetik Kimia

Kinetik atau dinamik kimia
- kajian mengenai kelajuan atau kadar tindak balas
- kajian terhadap faktor-faktor yang mengawal kelajuan
- mendapatkan mekanisma tindak balas

1. Tabiat reaktan dan hasil
2. Kepekatan spesies
3. Kesan suhu ( Persamaan Arrhenius )
4. Pengaruh agen luar (mangkin)

kadar tindak balas kepekatan A berkurangan dengan cepat dan kepekatan B bertambah dengan cepat.

Anggaran kuantitatif bagi kadar pada sesuatu ketika boleh didapati dengan tepat dengan mengira cerun tangen di graf kepekatan menentang.


Kepekatan dan Kadar

Tindak balas berlaku pada kadar yang berbeza
Perbezaan kadar ini berlaku kerana adanya perbezaan kimia antara bahan yang bertindak balas
Mengawal tindak balas ialah kepekatan reaktan-reaktan


Kadar berhubung dengan kepekatan spesies-spesies reaktan yang bertindak balas.
Berkadar terus dengan kepekatan reaktan-reaktan bernombor kuasa

BTindak balas am boleh ditulis sebagai A
kadar a [A]xx, dipanggil tertib tindak balas. Bila x = 1

kadar a [siklopropana]1Tertib kedua (x = 2), ketiga (x = 3)


Contoh :
Penguraian ammonia di atas permukaan W atau Pt.
Proses penyingkiran etanol oleh badan.
Nilai x hanya boleh ditentukan dengan amali

Faktor
hasilA + B
kadar [A]x[B]y tertib tindak balas bagi A ialah x dan tertib bagi B ialah Y tertib keseluruhan (jumlah tiap-tiap tertib) ialah x + y

NO2(g) + CO2(g)CO(g) + NO(g)
suhu kurang daripada 225oC, perhubungan antara kadar dengan kepekatan ialah [NO2]2 kepekatan CO tetapi bergantung kepada kepekatan NO2kadar kuasa dua.








Hukum Kadar

pemalar kadar, k, bergantung kepada T hukum kadar kadar = k [A]x[B]y
2ICl (g) + I2(g)H2 (g) + 2HCl(g)
kadar = 0.163 dm3/mol s [ICl][H2]

Tindak balas ini adalah tertib satu bagi ICI dan H2 (jadi pada keseluruhannya bertertib kedua)
pemalar kadar, k = 0.163 dm3 mol-1 s1.


Contoh:
C3H8 (g) + 3CO2 (g)5O2 (g) + 4H2O (g)

2C4H10 (g) + 8CO2 (g)13O2 (g) + 10H2O (g)


Hukum kadar tindak balas ini boleh ditulis
kadar = k[A]x , nilai x adalah 1
Kadar = k[A] Jika diganda duakan kepekatan A, didapati kadar tindak balas juga bertambah oleh faktor 2

Bila kadar tindak balas diganda dua dengan mengganda dua kepekatan reaktan tertib bagi reaktan itu ialah 1

Kadar = k[A]2 ,
ganda dua pertambahan kepekatan A akan mengganda empat pertambahan kadar tindak balas

Kadar awal tindak balas bagi kepekatan A, bersamaan a mol dm3. Kadar tindak balas Kadar = k(a)2
[A] = 2a, kadar tindak balas ialah,
kadar = k(2a)2 atau kadar = 4ka2
kalau kadar bertambah oleh faktor empat bila kepekatan reaktan diganda dua, tindak balas bertertib dua bagi komponen tersebut


Contoh :
Dibawah adalah beberapa data yang diambil dari satu siri eksperimen tindakbalas nitrik oksida dengan bromin pada 273°C:
2NO (g) + 2NOBr (g)Br2 (g)
Kepekatan awal
Amali NO Br2 Kadar awal
1 0.1 0.1 12
2 0.1 0.2 24
3 0.1 0.3 36
4 0.2 0.1 48
5 0.3 0.1 108

Tentukan hukum kadar tindak balas dan kira nilai pemalar kadar




Penyelesaian :

2NO (g) + 2NOBr (g)Br2 (g)
Kadar = k[NO]2 [Br2]
12 mol.dm-3.s-1 = k(0.10 mol.dm-3)2(0.10 mol.dm-3)
12 mol.dm-3.s-1 = k(0.0010 mol3.dm-9)
k = 1.2 ´ 104 dm4.mol-2.s-1



Contoh:
Data di bawah adalah diambil bagi tindak balas t-butil bromida dengan ion hidroksida pada 55°C:
(CH3)3CBr + (CH3)3COHOH- + Br -
Kepekatan awal Kadar awal
Amali (CH3)3CBr OH- (CH3)3CBr
1 0.1 0.1 0.0010
2 0.2 0.1 0.0020
3 0.3 0.1 0.0030
4 0.1 0.2 0.0010
5 0.1 0.3 0.0010

Dapatkan hukum kadar tindak balas dan pemalar kadar tindak balas tersebut.

(CH3)3CBr + (CH3)3COHOH- + Br –
Kadar = k[(CH3)3CBr ]1 [OH-]0


Soalan

Jangkakan peranan pekali-pekali dalam persamaan seimbang bagi menentukan kadar-kadar relatif pengurangan reaktan dan pertambahan hasil-hasil
a. 2H2 + O2 2H2O
2NOb. 2NOCl + Cl2
c. NO + NOO3 + O2
d. H2O2 + 2H2O2H2


Teori Perlanggaran

Kadar tindak balas berkadar dengan bilangan perlanggaran yang berlaku pada tiap-tiap satu saat antara molekul-molekul reaktan
Kadar = bilangan perlanggaran per saat

Perlanggaran yang berkesan bergantung kepada tabiat reaktan dan suhu menerangkan pergantungan kadar tindak balas terhadap kepekatan

Perlanggaran antara dua molekul
hasilA + B
hasil-hasil tindak balas terbentuk oleh perlanggaran molekul (dua molekul) antara A dan B.

Kepekatan A diganda dua maka bilangan perlanggaran A – B juga terganda dua kerana bilangan molekul A yang boleh berlanggar dengan B bertambah dua kali ganda.
Hukum kadar proses perlanggaran
Kadar = k[A][B]

2Atindak balas jenis
Hasilbilangan perlanggaran A – A menjadi “dua kali ganda dua” iaitu pertambahan oleh faktor kuasa 2.

hukum kadar bagi tindak balas dwimolekul
kadar = k[A]2

Eksponen dalam hukum kadar adalah bersamaan dengan pekali-pekali dalam persamaan seimbang bagi proses perlanggaran.


Mekanisma tindak balas

2NO + 2H2 2H2O + N2 kelihatan berlaku oleh mekanisma tiga langkah,

2NO N2O2
N2O2 + N2OH2 + H2O
N2O + H2 N2 + H2O


2 molekul A dan 1 molekul B bertemu dengan serentak iaitu perlanggaran tiga-jasad atau pelanggaran termolekul. Proses ini,
2A + CB + D

menghasilkan hukum kadar kadar = k[A]2[B]


Satu jujukan yang mungkin :
A22A perlahan
A2 + CB + D pantas

Berlaku dengan kadar berbeza
Kadar penghasilan ditentukan oleh langkah perlahan (langkah penentu kadar) yang menentukan hukum kadar berdasarkan teori perlanggaran;


Penguraian NO2Cl dpercayai melalui mekanisma dua langkah seperti berikut
NO2NO2Cl + Cl perlahan
NO2Cl + NO2Cl + Cl2 pantas

Apakah hukum kadar amali yang akan diperolehi daripada tindak balas tersebut?





Perlanggaran Berkesan

Tindak balas penguraian hidrogen iodida,
2HI (g) H2 (g) + I2(g)

Kadar = pf Zo[A]n[B]m Kadar = k[A]n[B]m ,
k = pf ZoZ = jumlah nombor perlanggaran
f = pecahan jumlah nombor perlanggaran berkesan
p = orientasi molekul semasa perlanggaran


Teori Keadaan Peralihan

Teori keadaan peralihan adalah menumpukan kepada tenaga dan geometri reaktan-reaktan bila molekul berlanggar membentuk hasil.

Apabila molekul merapati – kelajuan akan berkurangan – tenaga keupayaan akan bertambah
Molekul laju – menembusi awan elektron – berhalaju tinggi – tenaga kinetik tinggi – memberi tenaga keupayaan
Hasil terpisah – tenaga keupayaan berkurang – halaju molekul hasil bertambah

Tenaga kinetik minimum yang mesti terdapat dalam satu perlanggaran untuk ditukar kepada tenaga keupayaan agar tindak balas berlaku dipanggil
tenaga pengaktifan, Ea


Kompleks Teraktif
Kompleks teraktif ini dianggap wujud dalam keadaan peralihan di koordinat tindak balas
Spesis yang terbentuk di puncak tenaga keupayaan


Kesan Suhu

Perubahan suhu akan membawa kepada pertambahan kadar tindak balaskadar tindak balas bila semua kepekatan mempunyai nilai satu, bergantung kepada saiz Ea dan suhu mutlak.

Suhu boleh dikaitkan melalui Persamaan Arrhenius k = A e - Ea/RT
A = pemalar perkadaran
R = pemalar gas


Pengiraan Tenaga Pengaktifan daripada 2 suhu











Soalan
Pada 300°C pemalar kadar tindak balas
Siklopropana 10 10-10 saat. Pada 400 ° C, k bersamaan 1.16  propena ialah 2.41  -6 saat. Berapakah nilai Ea (dalam kJ per mol) dan A bagi tindak balas ini?

Langkah :
1.T mestilah ditukarkan kepada unit Kelvin
2.Dapatkan nilai Ea melalui persamaan (271kJ/mol)
1015 s-1)3.Dapatkan nilai A melalui persamaan (1.6


Kepekatan dan Masa

Tindak Balas Tertib Pertama
Hukum kadar = k[A]
ln [A]0 = kt
[A]t

Melihat hubungan penghasilan hasil dalam sesuatu masa
Boleh diplot graf :
y = mx c
ln [A]t = - kt + ln [A]0


Contoh :
Dinitrogen pentoksida, N2O5, adalah tidak stabil. Ia mudah terurai di dalam fasa gas atau pelarut seperti CCl4 mengikut tertib pertama seperti berikut :
2N2O42N2O5 + O2 Hukum kadar = k[N2O5]

10-4 s -1. Jika kepekatan awal adalah 0.100 M,Pada suhu 45°C, kadar tindak balas adalah 6.22
a. Berapakah masa yang diambil untuk mendapatkan kepekatan 0.010 M?
b. Apakah kepekatan akhir selepas 1 jam, jika kepekatan awal adalah 0.500 M?


Soalan :
Tindak balas sukrosa dengan air di dalam larutan asid adalah seperti berikut
C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6
sukrosa glukosa fruktosa
Tindak balas tersebut adalah bertertib satu dengan pemalar kadar 6.2 ´ 10-4 s -1 pada suhu 35°C, jika kepekatan H+ adalah 0.10 M.
(Kepekatan awal sukrosa adalah 0.40 M)
a. Apakah akan terjadi selepas 2 jam?
b. Berapakah masa yang diperlukan untuk kepekatan sukrosa menjadi 0.30 M


Tindak Balas Tertib Kedua
Hukum kadar = k[B]2
1 1 = kt
[B]t [B]0


Contoh :

Nitrosil klorida, NOCl, terurai perlahan kepada NO dan Cl2
NO dan Cl22NOCl
Kadar tindak balas adalah tertib kedua terhadap NOCl
kadar = k [NOCl]2

Pemalar kadar adalah 0.020 L mol-1 s-1. Jika kepekatan awal NOCl adalah 0.050 M, apakah kepekatan akhir NOCl setelah 30 minit?


Setengah Hayat, t½

Kaedah yang paling sesuai untuk mengetahui kepantasan sesuatu tindak balas kimia
Masa yang diperlukan untuk setengah daripada reaktan bertindak balas
[A]t = ½ [A]0


Tertib Pertama Tertib Kedua




Mangkin

Satu bahan yang mempercepatkan tindak balas tanpa kandungannya
Memberi satu mekanisma alternatif yang rendah tenaga pengaktifan untuk menghasilkan hasil tindak balas
Ea yang rendah – cukup tenaga kinetik

Mangkin Homogen

Satu fasa dengan reaktan
e.g. Penguraian t-butil alkohol isobutena + air
(CH3)3COH  (CH3)2C=CH2 + H2O
Mangkin HBr, Ea = 274 kJ/mol

Serangan HBr ke atas alkohol
(CH3)3COH + (CH3)3CBrHBr + H2O
diikuti serangan pantas oleh t-butil bromida,
(CH3)2C=CH2(CH3)3CBr + HBr


Mangkin Heterogen

Tidak dalam fasa yang sama, 2 atau lebih

Menyediakan permukaan untuk tindak balas berlaku
Molekul reaktan terjerap di permukaan – ketinggian kereaktifan – semua molekul terjerap

Proses Haber
3H2 + 2NH3N2