C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika Kinetika It would be better for the true physics if there were no mathematicians on earth. There is no philosophy which is not founded upon knowledge of the phenomena, but to get any profit from this knowledge it is absolutely necessary to be a mathematician. Daniel Bernoulli Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/1/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika Kinetika reakcí se složeným mechanismem, přiblížení stacionárního stavu, monomolekulární reakce, katalýza a autokatalýza, chemické oscilace. Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/2/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) J J J J J ( je rozsah definice pomocí látkovéh reakc ) o m e A B C D1 1 př.: A + 2B 3C + D ... 2 3 obecně: 0 = J ozitivní pr reakční rychlo o rodukt st p p y ... ... d d d d d dt dt dt dt dt dn d ξn n n ξ ξ → − = − = = = =∑ REAKČNÍ RYCHLOST ( ) J J J J nožství, nezávislá na volbě složky a na objemu 1d dn dn d dt dt dt dt n n ξ ξ = ⇒ = Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/3/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika ( ) [ ] ( ) J J J J " " 1 0 obvyklá experimentální veličina v homogenní kinetice J dn d dV d RZK v d dt V V RZK t dt v n ξ = == = = RYCHLOST ZMĚNY KONCENTRACE Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/4/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika ( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) PR RODUKTYEAKTANTY . C D A + B + ... C + D + ... úhrnná reakce je (často, ne vždy) úměrná mocninám okamžitých koncentrací výchozích látek A A B . . ... . d a b c d RZK R k ZK k dt γ δα β =  = − →  RYCHLOSTNÍ ZÁKONREAKCE ( ) ( ) ( ) parciální řád .. rychlostní koeficient (konstanta); koncetrace ; , , ... , , , ... 0 (částečné) reakce vzhledem k A, B, ..., C, D, ... musí být zjištěny experimentálně, neplynu ze stechiom y etrie k k k k T α β γ δ ≠ = > [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) celkový řád rea nejde-li o elementární reakci ... ... znalost parciálních řádů ; A , B , kce ..., C , D , ...RZK f t α β γ δ+ + + + + = → →∫ Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/5/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika ( )kvalitativní popis vzniku a zániku všech molekul meziporoduktů, rozklad úhrnné reakce na reakce elementární elemenmolekularit tární reakce je rovna počtu molekul, kteréa MECHANIMUS A ELEMENTÁRNÍ REAKCE z mechanismu vyplývá rychlostní zákon úhrnné reakce ANAL u elementární reakce je řád roven mo YTICKÁ NUMERICKÁ INTEGRACE S do reakce vstu OUSTAVY DIFERE pu NC lekularitě IÁLNÍCH R jí OVNIC ×   Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/6/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] A A,0 0 0 A,0 0 0 0 0 měření počátečných rychlostí pro různé koncentrace A A B A na počátku: A B log log log A log B pro B konst směrnice přímky pro A konst směrnic d v k dt d v k dt v k α β α β α β α β =− = =− = → = + + = → = → METODA POČÁTEČNÍCHRYCHLOSTÍ ( )e přímky Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/7/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] ( ) ( ) 0 1 0 1 1E P E P E 1 separace promněnných rozměr 1 ln je ... 2 integrace 3 integrační konstanta pro je0 1 ln . : ln .. ; k frekvence dc kc dt dc kdt c čas dc k dt c kt d d k dt dt k s k C c dx x dx x x t t c c d c − −→ − =  = = = − =− =− +=  = = = − =  = ∫∫∫ ∫∫  1.ŘÁD [ ] [ ] 0 0 0 0 0 0 0 . ln ... ln ln0 ln .. El .. Eln n . kt ktkt k C c c c e C c c kt c c ec c kt c t ek c −− − = =− + == = =− + ⇒ ⇒ − =− ⇒ ⇒= − Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/8/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika KLESAJÍCÍ EXPONENCIÁLA Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/9/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] [ ] 1/ 2 1/ 2 1/ 2 1/ 2 0 0 0 0 0 1 2 0 / 1 1 poločas: ... E E 2 2 1 1 2 2 2 0.6931... ... E E ln2 ln2 kt kt k k k c c c c e e e k e k c k c e τ τ τ τ τ − − − − = = = = = ⇒= ⇒= = ⇒ = = 1.ŘÁD - POLOČAS Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/10/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] ( ) ( ){ } { } { } 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 = = substituce: ; ... E E / 0 1 1 1 ; s kt k s t x x x x kt kt s ktkt s x x c c t k c c e c c c e dt c e dt e dx k kt x dt dx k c c e dx e e k k c c c c e k e c e c k c e e t k k e ∞ ∞ −∞ − − −∞ −− − = ∞ − −∞ − = − − = =− − = ⇒ = = = =− − = = − = = = = − − − = ∫ ∫ ∫ ∫ STŘEDNÍ DOBA ŽIVOTA / 1 0 1 0 0 1 0.367879... k s s k c c e c c c e e − − = = ⇒ = = Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/11/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 0 0 přímková závislost převrácené hodnoty koncentrace na čas 2 E 2 E 0 0 2 e 01 E + E E E E E E E 1 E 1 E E P E E t k t t t d kdt d k d kt kt k d t d t = − − = ⇒ = → − − = = + ∫ ∫   2.ŘÁD Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/12/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 A A B ; A A ; B B A AA A B A B ; A B A B 1 1 1 A B A B A1 l + B P pro 0 je n l A B A 0 t t t t t t t x x k t d k x x dt d xd dx k x x dt dt dt dx k x x dt dx dx kdt kdt kt x x x x dx x x x x − = = − = − − − = − − =− =+ = − − = = = − − − −  −   = − =  − − −   → = = − − − − ∫ ∫ ∫  2.ŘÁD [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]0 0 0 0 0 0 A B1B n B ln A B A B t t t x k    =  −   = − Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/13/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ]{ } [ ]{ } [ ]{ } [ ]1 1 00 0 A platí pro necelé , neplat 1 1 1 AA pro 1 závisí pol A P očas na konce P í pro n-t 1 nt ý ŘÁD raci n n n dx k dt dx kdt dx kt x kt k x dt n n x n x n− − =     −  −  == = ⇒ =− − =  ≠  →0.ŘÁD Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/14/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 0 0 0 0 zjednodušení integrální rovnice za účelem zjištění a řádů kromě jedné jsou všechny koncentrace v nadbytku (prakticky se nemění) : reakce pseudoprvního řádu A A B , B A B B A B A k př d k dt d k dt =− → ≈ = −  METODA IZOLACE [ ] [ ]0 A , Bk k k′ ′=− = Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/15/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika TYPY REAKCÍ • jednosměrné (rovnováha posunuta k produktům) … jedna diferenciální rovnice souběžné (simultánní): • rovnovážné (obousměrné, zvratné) • bočné • následné Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/16/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] ( )[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 0 0 0 0 0 0 0 E E E P E E pro P 0 platí E E 0 E E E E P E P E ; E P E P E k k k t k d k k dt k k k d t dt k k k k k k k ke k k k K k ′− + ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ′  ′ →← ′=− + = + ′ ′=− + + = += =∞ = ′ = = − = ′ ′ =   ′+  = = ′ + +  REAKCEROVNOVÁŽNÉ Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/17/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] ( )[ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] a b a b b b b b a b0 a a a a a a b0 aa b b a b a b a 0 b b 0 E E E E P P P E E exp E E exp E po celou do ... P P P bu re P ak E E P e xp E P P e c k k k k k k d k k dt k d k d k k dt t k k t d d t k k d k k k t= − → → = − +   = − +   = + + ∫= → = +  + = = = −    REAKCEBOČNÉ Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/18/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika ( ) [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] ( ) ( ) ( ) [ ] [ ] ( ) ( ){ } ( ) ( ) [ ] [ ] ( ) ( ){ } 1 2 1 1 0 1 2 2 0 0 0 0 1 1 2 10 2 2 1 2 1 0 2 1 E E M E M P M E 0; M P 0; E M P P 3 E P 1 exp ex M 2 M E exp exp E 1 E E E 1 : 2 2 : 3 p: exp 3 k k k k t k d k d k t k t d k k dt d k k k t k t k dt k k k t = + − → → = − = − = ≠ = = + = − − − − − + = → = − − − →  NÁSLEDNÉREAKCE Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/19/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/20/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) ( ){ } ( ) ( ) ( ) [ ] [ ] ( ){ } 1 2 1 2 1 1 1 max 2 2 max0 2 1 1 1 1 max 2 2 max 1 2 max max 1 2 max max 1 2 2 2 1 2 1 2 10 1 2 maximum M : M 0 E exp exp exp exp ln ; RYCHLOST URČUJÍCÍ KR , P E 1 O M ln e K: p 1 lim x k k k k t t d k k k t k k t dt k k t t k k k k k k k k t k k t k k t k k k e e k k k k t k k − − → = − = ==− − − − ⇒ − ⇒ − = − ⇒ = − > ⇒ − ≈ ≈ − − >  ...⇒ Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/21/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika náročnost analytického řešení soustavy diferenciálních rovnic prudce narůstá se složitostí mechanismu Bodensteinův pr( incip) po většinu reakční doby jsou koncentrace reakt PŘIBLÍŽENÍ STACIONÁRNÍHO STAVU [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] [ ] ( ) ( ){ } [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] 1 2 1 1 1 1 2 1 1 20 0 1 1 2 1 20 0 2 2 1 1 0 M E M , E E exp , M E ex E p e E xp M E k t k t k t k t ivních meziproduktů konstat d ntní a n k e ízk e k k e k k k k t k t k t dt k k é d k e k dt k k − − − − = − = − = − − − − − = − = − 1 1 1 1 1 2 2 1 k t k t k k e k k e k k − − − − − [ ] [ ] [ ] ( ) 2 2 1 1 22 1 1 1 11 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 1 1 10 0 0 2 1 2 1 2 1 1 1 2 pro (rychlost určující krok E M) a pro 1/ E E E ; k t k t k t k k tk t k t k t k t k t k t k k e k k k e k e k e k e k e ke ek k e k k k k k k e k t k k k k − − − −− − − − − −  −  =  −     −    − −  = =      − − −         →  ( ) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] 1 1 1 2 2 M 1 : 0 M E M 0 ... diferenciální rovnice přejde na algbraický vztah: M E d t dt d k k k dt k ≈ = − = =  Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/22/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika ( ) ( ) [ ][ ] ( )[ ] [ ][ ] ( )[ ] ( )[ ] [ ] ( ) [ ][ ] [ ][ ] zanedO ámV bR e AB A B AB AB mobilní rovnováha před chemickou rea C kcí A + B AB C, , AB ; A B AB : 2 A B ; NO + A B a b a a a b k k a a bk a b b a b a a b d k k k dt d k k k k k k k K př k k K k K t k k d k ′ ′= − − → ′→←     =  ′   = = = =   = ′   PREEKVILIBRIUM 2 2 2 2 2 2 2 2 O 2NO (experimentálně 3. řád, ale ne trimolekulární) 2NO N O ... ... preekvilibrium N O je-li předřazená rovnovážná reakce sil + O 2N ně exotermní, může s teplot O ... bimolekulár u í kl n ok K → →← → ( )a a r esat " " 0 ... exp / expE k E RT H< ∝ − × −∆ O ( )/ RT Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/23/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika ( ) ( ) [ ][ ] ( ) ( ) (nzym) (ubstrát)E + S ES P + E Bodenstein: E S ES ES ES 0 a b a k k k a a b d dt k k k ′   → →← ′= − − =        MICHAELIS - MENTENová Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/24/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika ( ) ( ) ( ) g ( s inertním plynem M) v (g) vykazuje řada reakcí 1. řád ... ? monomolekulární rychlost určující krok k energetizaci dochází bimolekulární srážkou ... 1. řá Lindenmannův - Hinsh d ?   MONOMOLEKULÁRNÍ REAKCE ( ) [ ][ ] ( ) [ ] ( ) [ ] ... energetiza A A + M A M ... A M A A + M A M ... A M A elwoodův mechanismus A Bodnst ce ... deenergetizace ... tvorba produk P A P ... ein: A 1 tu 2.1 2.2 a a b k a k a k b d d k dt d k dt d d k dt dt ∗ ∗ ∗ ′∗ ∗ ∗ ∗ ∗   → + =    ′  → + − =       → − = =   [ ][ ] [ ] [ ][ ] [ ] [ ] [ ][ ] [ ] P A 0 A M A M A A M A . M . M . M a b a a b a b b aa d k k k k dt k dt k kk k k ∗ ∗ ∗ ∗    ′    == − −      =⇒ = ′ ′++ ⇒  Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/25/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ][ ] [ ] M ... rychlost energetizace > r P A M M ychlost tvvyso orby P A ký a b b a a d k k k dt k k p ∗ ′ ′ = +    [ ]M Abk ∗    [ ] [ ] M ... ... rychlost energetizac 1. řád nízk e ry P chlost tvorby P A ý A a a b a d k k t k p k d ∗ < ′ = ′    [ ]M Abk ∗    [ ] [ ][ ] (jako preekvilibrium) ze znalosti mechanismu plyn ... e r 2. řád ychlostní zák M on A P a d k dt = Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/26/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika SLOŽITÁ REAKČNÍ SCHÉMATA • • 2 • • • 2 2 • • 2 2 • • 2 inicia propagace propagace nosiče (c mechanismus příklad termin entr ce a) ř : zu ace etě Br H HBr H H Br HBr Br Br a Br Br M Br M H Br 2HBr Br H 2Br + → + → + +  + → → +  + + → ŘETĚZOVÉREAKCE [ ] [ ][ ] [ ] [ ] 3/ 2 2 2 2 HBr H Br Br HBr d k dt k = ′+ Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/27/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/28/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika (selhává u laserů) | na jeden absorbovaný foton připadá jedna excitovan princip fotochemické ekvivalence kvantový výtěžek fotoreakc á molekula e počet spotřebovaných vytvořených molekul Φ = FOTOCHEMICKÉREAKCE • 3 3 3 2( 220 nm) příklad: pro produkci metylových radikálů z azometanu: řetězové fotoreakce mohou mít 1 H CN=NCH 2CH N 2 počet absorbovaných fotonů h ln < Φ + → + Φ = 2 Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/29/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika 2 2 a pozitivní (negativní - inhibice); heterogenní | homogenní fenomenologicky: zvýšení reakční rychlosti ... katalýza nemění polohu rovnováhy nekatalyzovaný ro jiný mecha zklad H O ... 7 nism kJ us 6E = KATALÝZA + 2 1 1 a H O / H 1 a -glukosidáza 1 12 a mol I ... 57 kJ mol ... 2000 rychlejší sacharóza ... 107 kJ mol sacharóza ... 36 kJ mol ...10 rychlejší E E Eα − − − − − += × → = →= × Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/30/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ][ ] (všechny metabolity osciluj zvýšení reakční rychlosti způsobené produkty P A P ... A autokatalýza je podmínkou c : produkce ATP v hemických oscilací (v glykolýza čase a|nebo pros P toru) př d k dt → = AUTOKATALÝZA í se astejnou periodou a různými fázemi) Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/31/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/32/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika sumární reakce: T + Z 2Z Z + V 2 Lotka 1920 V V M T MV V → → → → Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/33/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]0 0 A , B udržovány konstantní ... pseudosta A X 2X + cinární Y 3X B + X Y stav X , Y pro Brusselát měnné limi + C X D tní or (Ilya P cyklu rigogine) ... nezávisí na X , Ys → → → → Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/34/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika limitní cyklus Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/35/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika [ ] [ ] [ ] [ ] 4+ 3 3 2 A , B , C , D ... konstantní X: HBrO Y: Br Z: Ce Belousov - Žabotinsky (min. 18 kroků a A + Y X X + Y C B + X 2X + Z 2X D 21 částic) kyselina m Oregonátor (Noy alonová v kyselém prostředí BrO CH COO Z Y es) − − → → → →  − → ( ) ( ) ( ) 4+ 3+ 2 42 + 3 2 2 22 2 H Ce /Ce H SO 2H 2BrO 3CH COOH 2CHBr COOH 4H O + 3CO osciluje: barva, redoxní potenciál, Br , ... jen meziprodukty − − − − + + → +    Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/36/37 C4020 Pokročilá fyzikální chemie – 10. Kinetika ( ) ( ) ( ) [ ] [ ] [ ] Z je malé 2 pro jednu hodnotu V V 1 reakce musí být 2 (nelinearita, zpětná vazba) uspořádá daleko od rovnováhy autokatalyti 3 ... prostorové osc cký krok bistabil ilace (order out of chaos), v ita d d × PODMÍNKY OSCILACÍ Systém (živý organismus) se může vymknout z působnosti strohých a krušných zákonů termodynamiky, když opustí jejich království (blízko rovnováhy ání, struktural , . iza e , . c Dum spiro spero Dum oscillo spero→ ). Je to však jen výlet, zpáteční jízdenka je v ceně :-) Pavel Kubáček, Brno, MU, 2015 10/37/37