חומר עזר
Transcription
חומר עזר
סמסטר אביב ,תשע"א )(2011 מתרגלים :רועי עשור ואמיר ונד כימיה פיסיקלית א' ) – (69163תרגול מס' 8 דף עזר לתרגול מס' :8 החוג לכימיה המכון לכימיה מנגנונים של ריאקציות מורכבות .1הנחת שלב קובע קצב )(RDS=Rate Determining Step vtotal ≅ vRDS ) RDSמייצג את השלב שקצבו הנמוך ביותר, המהווה "צוואר בקבוק" לריאקציה. השלב חייב להיות הכרחי לקיום הריאקציה וללא אפשרות למסלול "עוקף". לעתים נצטרך "לתקן" את הנוסחה בהתאם למספר הסטויכיומטרי של השלב הקובע במנגנון( .2הנחת שיווי-משקל מקדים )(Pre-Equilibrium בריאקציה קיים שלב של שיווי-משקל מהיר ,בדרך כלל לפני שלב איטי כפי שניתן ללמוד מקבועי הקצב. k1 k2 → C A + B ← →P k−1 k−1 >> k2 תמיד מתקיים עבור קבועי הקצב היחס: היות ואנו מניחים כי שיווי המשקל שומר על עצמו במהלך כל הריאקציה ,כך שצריכת Cלעבר Pאיטית מספיק על מנת לא לפגוע בשיווי המשקל ,נקבל את הביטוי המקורב: )(sometimes: k1 >> k2 too [C ]eq k = K eq = 1 [ A]eq [ B ]eq k−1 [C ]eq = K eq [ A]eq [ B]eq ] [C ] ≅ K eq [ A][ B .3קירוב המצב העמיד )(SS=Steady State Approximation k1 k2 A → B →C k2 >> k1 ]d [ B ≈0 dt ) Bמייצג צורון ביניים שריכוזו נמוך( כימיה פיסיקלית א' ) – (69163תרגול מס' :8מנגנוני ריאקציה 1 סמסטר אביב ,תשע"א )(2011 מתרגלים :רועי עשור ואמיר ונד החוג לכימיה המכון לכימיה סיכום :סכמות השימוש בשיטות הקירוב השונות להלן רישום סכמטי בצורת "מתכון" לשימוש בקירובים השונים )לקוח מתוך ספרו של :(Levine קירוב השלב קובע-הקצב א .קבע את קצב הריאקציה הכולל כשווה לקצב השלב קובע הקצב )עד כדי תיקון עבור המקדמים הסטויכיומטריים השונים כפי שלמדנו(. ב .החלף את הביטויים לריכוזים של תוצרי הביניים שמופיעים ב)-א( ע"י שימוש בהנחות נוספות, כגון שיווי-משקל מקדים )המופיע לפני השלב קובע-הקצב( או מצב עמיד. קירוב המצב העמיד א .קבע את קצב הריאקציה כשווה לקצב היצירה של אחד התוצרים. ב .החלף את הביטויים לריכוזים של תוצרי הביניים שמופיעים ב)-א( על ידי הנחת המצב העמיד, ] d[I כלומר הצבת = 0 dt ) Iמציין תוצר ביניים כלשהו(. ג .אם בשלב )ב( קיבלת ביטויים לריכוזים של תוצרי ביניים נוספים ,הנח גם עבורם הנחת מצב עמיד וחזור על סעיף ב' עד שלא יישארו בביטוי לקצב תוצרי ביניים. כימיה פיסיקלית א' ) – (69163תרגול מס' :8מנגנוני ריאקציה 2 סמסטר אביב ,תשע"א )(2011 מתרגלים :רועי עשור ואמיר ונד דף עזר לתרגול מס' החוג לכימיה המכון לכימיה :8מנגנונים של ריאקציות מורכבות -שאלות כיתה .1מנגנון פירוק האוזון :פתרון בעזרת הקירובים השונים )שאלה מבחינה – מבחן אמצע:(2008 , הפירוק בפאזה גזית של אוזון 2O3 → 3O2בסטרטוספרה ,ללא תרומה של גזים שמקורם בפעילות אנושית על פני כדור הארץ ,הוא כנראה בעל המנגנון: k1 → O2 + O + M (i ) O3 + M ← k −1 k2 → 2O2 (ii ) O3 + O כאשר Mהוא כל מולקולה או אטום במערכת. )א( כתבו ביטוי מלא עבור )ללא הנחות(. d [O2 ] , d [O3 ] : dt dt )ב( היעזרו בהנחת המצב העמיד עבור Oעל מנת לפשט את הביטויים מסעיף א' ל: ] d [O3 ] d [O2 = 3k2 [O ][O3 ] , ] = −2k2 [O ][O3 dt dt הראו כי תחת הנחה זו ,הביטוי למהירות הריאקציה של פירוק האוזון נתון ע"י: )ג( 2 ] k1k2 [O3 ] k [O k−1[O2 ] + 2 3 ] [M )ד( =v בהסתמך על הביטוי שקיבלתם ,הראו כי בלחץ מספיק גבוה קצב ירידת ריכוז האוזון הינו בלתי-תלוי 2 בלחץ של .Mהראו כי. − d [O3 ] ∝ [O3 ] : ] [O2 )ה( dt כעת ,הניחו כי שלב ) (iבמנגנון הוא שלב שו"מ מהיר ,כך ששלב ) (iiהוא שלב קובע-קצב. קבלו ביטוי עבור מהירות הריאקציה תחת הנחה זו .מהו קבוע הקצב האפקטיבי ? רמז :בגלל ש ] [O2מופיע כתוצר גם בשלב קובע מהירות ) (iiוגם בשלב שקודם לו ) (iצריך להתייחס בזהירות לבעיה הזו .רשמו את הביטוי למהירות הריאקציה ,כפונקציה של קצב יצירת החמצן על סמך הסטויכיומטריה הכוללת של הריאקציה ורשמו את קצב יצירת החמצן בשלב קובע מהירות .אבל שימו לב שבכל פעם ששלב )(ii מתרחש שלב ) (iמתרחש פעם אחת ומייצר מולקולת חמצן נוספת .לכן בסה"כ שלוש מולקולות חמצן נוצרות בכל פעם שהשלב שקובע את המהירות מתרחש .על סמך זה קבלו ביטוי לקצב יצירת החמצן הכולל ) ] ,( d [O2 dt וממנו חלצו את מהירות הריאקציה הכוללת. )ו( עבור איזו הנחה מצטמצם קירוב המצב העמיד לקירוב שלב קובע-מהירות ? .2לתגובה ) H 2( g ) + Br2( g ) → 2 HBr( gנמדד חוק הקצב הניסיוני. v = k[ H 2 ][ Br2 ]0.5 : ) ( fast )( slow לתגובה הוצע המנגנון הבא: k1 → 2 Br + M Br2 + M ← k −1 k2 Br + H 2 → HBr + H k3 ) ( fast H + Br2 → HBr + Br )(termination k4 Br + Br → Br2 )האות Mמייצגת מולקולה גזית אינרטית או את דופן הכלי(. הראו כי המנגנון המוצע מסביר את חוק הקצב הניסיוני. כימיה פיסיקלית א' ) – (69163תרגול מס' :8מנגנוני ריאקציה 3 סמסטר אביב ,תשע"א )(2011 מתרגלים :רועי עשור ואמיר ונד החוג לכימיה המכון לכימיה הערה על הנחת מצב-עמיד לעומת שו"מ מהיר+שלב קובע-מהירות )מודגם ע"י פתרון שאלה מס' (1 בעוד קירוב שיווי המשקל המקדים מניח כי רק הריאקציות הקשורות לשלב זה )קדימה ואחורה( מבטלות זו את זו בקצבן ,כלומר אצלנו: = k1[O3 ][ M ] − k−1[O2 ][O ][ M ] = 0 d [O ]reaction 1 dt קירוב המצב העמיד מערב את כל השלבים הקשורים ליצירת וצריכת צורון הביניים: d [O ]total = k1 [O3 ][ M ] − k−1 [O2 ][O ][ M ] − k2 [O3 ][ O ] = 0 dt לכן ,באופן כללי שני הקירובים לא נותנים את אותה התשובה )הנחת המצב העמיד נותנת תשובה עם איברים רבים יותר ,המסובכת יותר אלגברית(. פעמים רבות נוכל להביא את הביטוי של הנחת המצב העמיד לצורה של הנחת שו"מ מהיר עם שלב קובע מהירות ע"י תוספת של הנחה נוספת על הביטוי .למשל ,אצלנו: ] k−1[O2 ][ M ] >> k2 [O3 או ] k2 [O3 ] [M >> ] k−1[O2 המשמעות הפיסיקלית מאחורי הנחה נוספת זו תהיה שאכן מדובר בשיווי-משקל מהיר )הקצב אחורה של תהליך שיווי המשקל מהיר בהרבה מהקצב קדימה של השלב האיטי הבא – ועל כן ,נשמר שיווי-המשקל המהיר(. כימיה פיסיקלית א' ) – (69163תרגול מס' :8מנגנוני ריאקציה 4