روش نرخ اولیه چیست؟

روش نرخ اولیه یک تکنیک تجربی کلاسیک است که در گرایشات شیمیایی برای تعیین قانون نرخ واکنش استفاده می شود، به جای پیگیری کل دوره واکنش، این روش منحصرا بر لحظات اولیه تمرکز دارد – به طور معمول چند ثانیه یا چند دقیقه اول – زمانی که غلظت واکنش دهندگان هنوز در مقادیر اولیه خود هستند.

این رویکرد به ویژه ارزشمند است زیرا از عوارض ناشی از واکنش های معکوس، مداخله محصول ([۵] یا تغییرات در غلظت واکنش گرا در طول زمان جلوگیری می کند.(۱) و آن را نشان می دهد که حداکثر میزان مشاهده شده در آن شرایط است.

چرا روش نرخ اولیه اهمیت دارد

درک قانون نرخ برای پیش بینی رفتار واکنش، طراحی راکتورها و کنترل فرآیندهای صنعتی اساسی است. روش سرعت اولیه یکی از ساده ترین راه ها برای جمع آوری این داده ها در آزمایشگاه آموزش یا تنظیم مزایای آن است:

  • واکنش های جانبی منفی: [FLT 1] از آنجا که اندازه گیری زود گرفته شده است، محصولات هنوز انباشته نشده اند برای ایجاد فرآیندهای معکوس یا رقابتی.
  • مقایسه مستقیم: نرخ در غلظت های اولیه شناخته شده اندازه گیری می شود، و آن را آسان برای جدا کردن اثر یک متغیر واحد است.
  • هیچ گونه ادغام لازم نیست: بر خلاف روش های قانون نرخ یکپارچه، نیازی به تنظیم منحنی های غیر خطی وجود دارد و یا سفارش را از قبل حدس بزنید.
  • قابلیت اجرای سیستم های پیچیده: [FLT 1] حتی واکنش های چند منظوره یا چند واکنشی را می توان به طور سیستماتیک توسط یک غلظت مختلف در یک زمان مورد مطالعه قرار داد.

گام به گام آزمون

انجام روش نرخ اولیه در آزمایشگاه نیاز به برنامه ریزی دقیق و اندازه گیری دقیق دارد.در اینجا یک جریان کاری دقیق است:

۱- تنظیم مخلوط های واکنشی را آماده کنید

طراحی مجموعه ای از آزمایشات که غلظت اولیه یک واکنش دهنده در حالی که نگه داشتن همه دیگران ثابت است، استفاده از راه حل های سهام و مواد شیشه ای حجم برای اطمینان از دقت.

  • آزمایش 1: [A] = 0.10 M، [B] = 0.10 M
  • آزمایش 2: 00 M، [B] = 0.10 M
  • آزمایش 3: [A] = 0.10 M، [B] = 0.20 M
  • آزمایش 4: [A] = 0.20 M، [B] = 0.20 M

شامل یک آزمایش اضافی برای هر فرد واکنش دهنده برای تأیید سفارش و بهبود آمار.

۲) ایجاد اطلاعات واکنش و رکورد

واکنش دهندگان را مخلوط کنید و بلافاصله شروع به نظارت بر غلظت گونه ها کنید – یا ناپدید شدن یک واکنش دهنده یا ظاهر یک محصول.

  • تلهپترو فوتومتر: جذب اندازه در طول موج خاص اگر یک گونه رنگ یا جذب نور UV.
  • Conductivity: برای واکنش های آیونیک که در آن شکل گیری محصول هدایت راه حل را تغییر می دهد، مفید است.
  • ] فشار یا تغییر حجم: [FLT 1 ] برای واکنش های مربوط به گازهای (به عنوان مثال، تجزیه پراکسید هیدروژن).
  • [[۱] [۱۰] نمونه برداری و خلاصه (۱]: [۱۰] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] قدیمی تر اما هنوز هم برای واکنش های آهسته معتبر است.

اطلاعات رکورد در فواصل زمانی کوتاه (هر 5 تا 10 ثانیه) در طول 2 تا 5 درصد اول واکنش نشان می دهد.هدف این است که منطقه خطی را در نزدیکی t = 0 ثبت کنید.

۳- تکمیل نرخ اولیه

غلظت واکنش دهنده (یا محصول) در برابر زمان، نرخ اولیه شیب خط تانگو در t = 0 است: برای تشکیل محصول: [محصول] نرخ اولیه = d [محصول] / dt [FLT 1 در two = اگر داده ها تقریبا خطی بر روی چند نقطه اول است، شما می توانید از نقطه بازگشتی خطی استفاده کنید.

۴ تکرار برای هر نوع تغییر

اندازه گیری های مشابه را برای هر مخلوط آزمایشی انجام دهید.اطمینان حاصل کنید که دمای در تمام مراحل ثابت است – از ترموستات یا حمام آب استفاده کنید.

تجزیه و تحلیل داده ها برای تعیین سفارش های نرخ

هنگامی که شما یک جدول از غلظت های اولیه و نرخ های اولیه متناظر دارید، می توانید سفارشات واکنش را استخراج کنید. روش نرخ های اولیه بر مقایسه نرخ ها از آزمایشاتی که تنها یک تغییر غلظت را ایجاد می کند، متکی است.

روش نسبت ها

قانون نرخ کلی را در نظر بگیرید: نرخ = k [A]^m [B] ^n.اگر شما دو آزمایش دارید که در آن فقط تغییرات (A) 1 و 2) وجود دارد، می توانید بنویسید:

[[ویرایش] [۱] [۱] [۲] / [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۲] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۲] [۲] [۲] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۱

با استفاده از این روش، به صورت زیر به صورت زیر به صورت زیر به صورت زیر به صورت زیر به صورت زیر استفاده کنید: ([۱])) و یا در صورت لزوم، می توانید با بررسی، به صورت مستقیم، به صورت جداگانه، به صورت دو برابر (A) نرخ m = ۱ (اول سفارش) را دو برابر کنید.

فرآیند را برای یکدیگر واکنش گرا با استفاده از آزمایشاتی که تنها تغییرات تمرکز واکنش نشان دهنده است تکرار کنید. سفارش کلی مجموع مجموع مجموع مجموع سفارشات فردی است.

محاسبه نرخ ثابت k

هنگامی که m و n شناخته می شوند، داده های هر آزمایش را به قانون نرخ برای حل k وصل کنید: k = نرخ / ([A]^m [B]^n] . Compute k برای هر آزمایش؛ آنها باید در خطای آزمایشی سازگار باشند.

مثال های کار: سیستم دو نفره

واکنش را در نظر بگیرید: 2A + B. داده های نرخ اولیه زیر در 25 درجه سانتیگراد جمع آوری شده است:

Experiment [A]₀ (M) [B]₀ (M) Initial Rate (M/s)
1 0.10 0.10 0.025
2 0.20 0.10 0.100
3 0.10 0.20 0.050
4 0.20 0.20 0.200

مقایسه آزمایش های 1 و 2 ( ثابت): [A] دو برابر، نرخ چهار برابر (m = 2 (نظم دوم در A) مقایسه آزمایش 1 و 3 ( ثابت): [B] دو برابر، نرخ دو برابر، دو برابر {\displaystyle 1 = 1 (اولین سفارش در B) قانون نرخ است: Rate = k2 [b] [2 ] (به طور کلی = 1 = 1 + 1 = 1 = 1 = 1 = 1 = 1 +

Calculate k از آزمایش 1: 0.025 M / S = k (0.10 M)2 (0.10 M) = k (0.001 M3) − k = 25 M-2 s -1 تکرار برای آزمایش های دیگر: آزمایش 2: k = 0.1 / 0.2 {\displaystyle 0/0.2} = 0.1 / 0.004 = 25؛ آزمایش 3: 0.0502 / 002 = 0/02 = 0/0 = 0/0 = 0/02 = 0/0 = 0/0 = 0/0 = 0/0 = 0/0 = 0/0 = 0 / 0 = 0 = 0 = 0/0 = 0/0 = 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 = 0 = 0 / 0 / 0 / 0 = 0 = 0 = 0 / 0 / 0 = 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 = 0 = 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 / 0 = 0 = 0 = 0 / 0 = 0 = 0 = 0 / 0 / 0 / 0 = 0 / 0 / 0 = 0 = 0 / 0 / 0 / 0 / 0 = 0 / 0

مدیریت صفر، اول و دوم کیتیک

روش نرخ اولیه برای هر سفارش کار می کند، اما رفتار نرخ در مقابل تمرکز متفاوت است:

  • سفارش: نرخ مستقل از غلظت واکنش پذیر است.دو برابر [A] نرخ اولیه بدون تغییر (m = 0) قانون نرخ به سادگی نرخ = k، با واحدهای M / S است.
  • دستور اول: Rate] به طور مستقیم با غلظت متناسب است.دو برابر نرخ (m = 1). نیمه عمر ثابت است (t1/2 = 0.693 / k نمونه: پوسیدگی رادیواکتیو).
  • [[۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱]] [۱] [۱] [۱]]] [۱]]] [۱] [۱] [۱] [۱]]]]]]]]] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۲] [۲] [۲] [۲] [۲]]]] [۲] [۱] [۲] [۱] [
  • [در این باره]، [و] دستور داده شده است: [[۱] [۱۰] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱۰] [۱] [۱] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱] [۱۰] [۱۰] [۱۰] [۱] [۱] [۱۰] [۱] [۱] [۱] [۱] [۵] [۵] [۵] [۵] [۵] [۵] [۵] [۲] [۵] [۶] [۵] [۱] [۲] [۱] [۵] [۵] [۳] [۱] [۳] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳] [۱] [۱] [۳] [۱] [۳] [۳] [۱] [۱] [۱] [۳] [۶] [۶] [۳] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۱] [۳] [۳] [۳] [۳] [۶] [۳] [۳] [۱] [۱] [۶] [۱] [

آگاه باشید که سفارشات کسری (به عنوان مثال 0.5، 1.5) می تواند در مکانیسم های پیچیده ای که شامل واکنش های پیش از تعادل یا زنجیره ای رادیکال هستند، رخ دهد.این روش نرخ اولیه هنوز هم می تواند این دستورات غیر نمایندگی را به درستی تعیین کند.

قرص های معمول و چگونگی اجتناب از آن

دریافت اطلاعات نرخ اولیه قابل اعتماد نیازمند توجه به چندین جزئیات تجربی است:

  • در قطعنامه زمان کافی: اگر واکنش سریع باشد، زمان دستی ممکن است منطقه خطی را از دست بدهد.استفاده از تکنیک های جریان توقفی یا جمع آوری داده های خودکار برای واکنش های سریع.
  • حرکت: ثابت نرخ بسیار حساس به دما (Arrhenius معادله) است که دمای کنترل در ±0.1 درجه سانتیگراد با استفاده از حمام آب است.
  • واکنش دهندگان یا حلالها: Contaminants می توانند از مواد شیمیایی با درجه تحلیلی استفاده کنند یا از آن جلوگیری کنند.
  • [Nonlinearity نزدیک به t=0: [FLT 1] برای واکنش با دوره القا، نرخ اولیه ممکن است واقعا خطی نباشد.
  • تشخیص واکنش های پس زمینه: اگر حلال یا یک یون تماشاگر واکنش نشان دهد، می تواند بر نرخ اجرا یک آزمایش سفید بدون یک واکنش دهنده تاثیر بگذارد.

برنامه های کاربردی در تحقیقات و صنعت

روش نرخ اولیه فقط یک تمرین کتاب درسی نیست؛ آن دارای ابزار دنیای واقعی است:

  • ] مطالعات ثبات دریایی: [FLT 1 ] تعیین گرایشات تخریب مواد مخدر تحت شرایط مختلف pH و دما.
  • گرایشات حسی: روش استاندارد برای اندازه گیری پارامترهای میکائیلis-Menten (V max، K m) یک رویکرد نرخ اولیه در غلظت های مختلف بستر است.
  • شیمی زیست محیطی: [FLT 1] مطالعه تجزیه و تحلیل آلودگی در آب و هوا، که در آن نرخ های اولیه کمک به ایجاد نیمه عمر.
  • ] تولید چاماتیک: ] بهینه سازی شرایط راکتور ( دما، غلظت) برای به حداکثر رساندن عملکرد در حالی که به حداقل رساندن محصول جانبی.
  • غربالگری دقیق: به سرعت مقایسه فعالیت کاتالیتیک با اندازه گیری نرخ های اولیه تحت شرایط یکسان.

نتیجه گیری

روش سرعت اولیه یک ابزار قدرتمند و قابل دسترس برای تعیین قوانین نرخ در آزمایشگاه است.با کنترل دقیق غلظت و اندازه گیری شیب منحنی تمرکز در ابتدای واکنش، شیمیدانان می توانند از گرایش های حتی واکنش های پیچیده پرده بردارند.

برای مطالعه بیشتر در مورد گرایش ها و روش نرخ اولیه، منابعی مانند LibreTexts را بررسی کنید: نرخ های اولیه ، ThoughtCo: روش اولیه توضیح داده شده و Journal of Chemical Education: آزمایش های عملی Kinetics [F5:5:5:5:5]