20130301220342 unit 10

K i m i a K i n e t i k | 155

UNIT 10

KIMIA KINETIK HASIL PEMBELAJARAN Di akhir unit ini diharap anda boleh

1. Menjelaskan kepentingan konsep kinetik kimia 2. Menjelaskan hukum kadar, pemalar kadar dan tertib tindak balas 3. Menentukan tertib tindak balas dari data eksperimen 4. Menyelesaikan masalah berkaitan kadar tindak balas 5. Menerangkan faktor yang mempengaruhi kadar tindak balas

PETA KONSEP TAJUK 10.1 Pengenalan Bidang kimia yang membincangkan tentang kelajuan suatu tindak balas dan urutan bagaimana tindak balas berlangsung dikenali sebagai kimia kinetik. Ia merupakan salah satu daripada cabang kimia fizik. Ia adalah kajian atau pembelajaran mengenai perubahan bahan atau hasil terhadap masa.

KIMIA KINETIK

HUKUM KADAR KADAR TINDAK BALAS

PENENTUAN TERTIB

TINDAK BALAS

TERTIB DAN MASA

SEPARUH HAYAT

KAEDAH PEMBEZAAN

KAEDAH KAMIRAN

KAEDAH SEPARUH HAYAT

KAEDAH PENGASINGAN

KAEDAH KADAR TINDAK BALAS AWAL


10.2 Kadar tindak balas

Kadar tindak balas merujuk kepada berapa cepat bahan tindak balas digunakan ataupun berapa cepat terbentuknya hasil tindak balas. Dengan kata lain, kadar tindak balas dinyatakan sebagai pengurangan kepekatan bahan tindak balas (atau penambahan kepekatan hasil tindak balas) terhadap masa. Takrifan:

Bagi suatu tindak balas umum:

aA + bB cC + dD Kadar tindak balas boleh dinyatakan seperti berikut;

Kadar tindak balas juga boleh dinyatakan dalam bentuk persamaan pembezaan seperti berikut

Kadar penggunaan A dengan masa

dt

Ad ][

Kadar penggunaan B dengan masa

dt

Bd ][

Kadar pembentukan C dengan masa

dt

Cd ][

Kadar penbentukan D dengan masa

dt

Dd ][

Simbol (+) and (-) menunjukkan pembentukan hasil dan penggunaan bahan tindak balas. Tindak balas umum di atas boleh digambarkan secara graf seperti dalam Rajah 10.1. Kepekatan reaktan akan berkurangan dengan masa dan kepekatan produk bertambah dengan masa.

(10.1)


Rajah 10.1 Perubahan kepekatan reaktan dan produk terhadap masa bagi tindak balas umum

Perbandingan kadar bagi semua spesies dalam tindak balas umum tersebut boleh ditulis seperti berikut.

dt

]D[d

d

1

dt

]C[d

c

1

dt

]B[d

b

1

dt

A[d

a

1Kadar

Contoh lain bagi penulisan kadar tindak balas bagi setiap spesies yang terlibat adalah seperti berikut, A + 2B AB2

dt

]AB[d

dt

]B[d

2

1

dt

]A[dkadar 2

Untuk menerangkan takrif di atas, perhatikan tindak balas penguraian gas dinitrogen pentoksida, N2O5 pada suhu 55 oC. Pengukuran perubahan kepekatan setiap spesies telah dikumpulkan seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 10.1.

Jadual 10.1 Penguraian N2O5

Masa (s)

0 0.0200 0.0000 0.0000 100 0.0169 0.0063 0.0016 200 0.0142 0.0115 0.0029 300 0.0120 0.0160 0.0040 400 0.0101 0.0197 0.0049 500 0.0086 0.0229 0.0057 600 0.0072 0.0256 0.0064 700 0.0061 0.0278 0.0070

C dan D

A dan B

Masa

Kepekatan

(10.2)


Oleh kerana kadar tindak balas berkurangan terhadap masa disebabkan penyusutan reaktan, maka perlu dinyatakan masa jika ingin mengetahui kadar sesuatu tindak balas pada masa tersebut. Contohnya, daripada data eksperimen di atas, jika ingin mengetahui purata kadar untuk tempoh antara saat 300 ke 400, kadar pembentukan O2 dan NO2 boleh dinyatakan sebagai,

Sebagai contoh, jika ,

= 9 ×

Dengan cara yang sama, didapati kadar pembentukan NO2 = 3.7 ×

Sementara kadar tindak balas penguraian N2O5 dinyatakan sebagai

Setelah tindak balas bermula, kadar menjadi semakin kecil bila masa berlalu, misalnya untuk tempoh 600 ke 700 saat, kadar turun menjadi 2.2 × 10-5 Ms-1. Menjadi kelaziman bagi ahli kimia untuk mendapatkan maklumat mengenai kadar suatu tindak balas pada suatu masa tertentu, bukan sebagai nilai purata pada suatu tempoh yang berlalu lama. Jika dibandingkan kadar tindak balas antara semua spesies yang terlibat dalam tindak balas penguraian tersebut, tindak balas penguraian boleh dinyatakan seperti berikut

½ (Kadar penguraian N2O5) = ¼ (kadar pembentukan NO2) = 1/1(pembentukan O2)

atau

Penguraian N2O5 terhadap masa boleh dinyatakan dalam bentuk graf seperti berikut (Rajah 10.2). Perhatikan nilai kadar tindak balas yang dikira pada sela masa yang lama memberikan nilai kadar yang lebih kecil. Ini berlaku disebabkan semakin lama tindak balas berlaku, kepekatan reaktan semakin berkurangan.


Rajah 10.2 Tindak balas penguraian N2O5 terhadap masa

Kadar tindak balas boleh ditentukan dengan tiga cara iaitu kadar awal tindak balas, purata kadar tindak balas dan kadar tindak balas serta merta. Perhatikan contoh 10.2 berikut bagi mengukur setiap kadar tindak balas yang dinyatakan.

Tanjen titik 1

Tanjen titik 2

[N2O5], M

0.0200

0.0160

0.0039 0.0027 0.0018

0.0

0.0100

180 4300s 3600 2800 1000 600 Masa

Contoh 10.1: Tuliskan ungkapan bagi kadar tindak balas merujuk kepada kadar pengurangan bahan dan kadar pembentukan hasil tindak balas.

Penyelesaian:

Kadar =


Contoh 10.2:

Perubahan kepekatan dengan masa bagi penguraian HI pada suhu 508 C ditunjukkan dalam Jadual 10.2 berikut. Tentukan kadar awal, kadar serta merta dan purata kadar tindak balas.

Jadual 10.2 Perubahan kepekatan dengan masa

[HI] mol L-1) Masa (s) 0.10 0 0.0716 50 0.0558 100 0.0457 150 0.0387 200 0.0336 250 0.0296 300 0.0265 350

Penyelesaian: Plotkan graf perubahan kepekatan melawan masa seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10.3 berikut.

Kadar awal ditentukan dengan mencari tanjen pada awal tindak balas (iaitu pada masa t = 0). Oleh itu, daripada graf yang diplot kirakan tanjen.

Kadar serta merta (Instantaneous rate) boleh ditentukan pada mana-mana titk di atas graf tersebut. Kadar awal juga boleh dipanggil kadar serta merta pada 130 saat yang pertama. Kadar purata pula adalah purata kadar tindak balas pada setiap sela masa data yang diberi. Lihat pengiraan berikut, Kadar purata pada sela masa 50 saat pertama,

Kadar purata pada sela masa 50 saat kedua,

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0 100 200 300 400

[HI]

(mol

L-1

)

Masa (s)

Rajah 10.3 Graf perubahan kepekatan dengan masa

130 s


10.3 Hukum kadar, tertib tindak balas dan pemalar kadar

Dari perbincangan yang lalu, telah dikatakan bahawa kadar suatu tindak balas kimia bergantung kepada kepekatan sekurang-kurangnya sebahagian daripada bahan bertindak balas (reaktan). Perhatikan suatu contoh umum berikut .

aA +bB produk

A dan B merupakan reaktan, dan a dan b adalah koefisien stoikiometrik suatu persamaan yang seimbang. Kesandaran kadar tindak balas kepada kepekatan setiap reaktan dinyatakan sebagai suatu persamaan yang disebut hukum kadar. Hukum kadar biasanya ditulis dalam bentuk berikut.

nm ]B[]A[kt

]A[

dt

]A[dkadar

Di mana k = pemalar perkadaran, disebut pemalar kadar m dan n = nilai untuk menentukan tertib tindak balas (m + n) = tertib keseluruhan tindak balas Nilai m atau n merupakan suatu ukuran untuk menunjukkan perubahan kepekaan [A] dan [B]. Nilai tersebut tiada kaitan dengan nilai a dan b pada persamaan di atas, biasanya mempunyai nilai yang kecil integer positif, namun begitu bagi tindak balas yang kompleks, nilainya mungkin sifar, negatif atau suatu pecahan.

Sebagai contoh, m =1 dan [A] digandakan, maka kadar akan menjadi gandaan juga

m = 0, maka [A] = 1, bererti kadar tidak bergantung kapada kepekatan A m = -1 dan [A] digandakan,. Maka [A] menjadi ([A]-1)2 atau 1/[A]2 , jadi kadar dikurangkan 2 kali Jika dinyatakan Kadar = k[A]2[B], bererti m = 2 dan n = 1 Tindak balas adalah tertib kedua terhadap A dan tertib pertama terhadap B kerana (m+n) = 3, maka keseluruhan adalah tertib ketiga. Nilai eksponen, m dan n boleh ditentukan hanya secara eksperimen.

Contoh 10.3: Kirakan pemalar kadar tindak balas tertib pertama yang berlaku apabila larutan X yang berkepekatan 0.2M bertindak balas pada kadar awal 1.5 × 10-5Ms-1. Penyelesaian:

Persamaan Hukum Kadar : Kadar = k[X]1 1.5 × 10-5Ms-1 = k (0.2M)1

k = 7.5 × 10-5 s-1

(10.3)


10.4 Penentuan tertib tindak balas dan pemalar kadar 10.4.1 Kaedah kadar tindak balas awal

Salah satu kaedah eksperimen yang boleh digunakan untuk menentukan nilai eksponen m dan n pada persamaan hukum kadar adalah dengan melakukan satu siri eksperimen yang mana kadar awal suatu tindak balas diukur sebagai suatu fungsi pelbagai kepekatan awal. Perhatikan contoh 10.4 berikut.

Contoh 10.4: Pengoksidaan nitrogen oksida di udara menyumbang kepada hujan asid. Data yang diperolehi dikumpulkan dalam Jadual 10.3. Tentukan tertib dan pemalar kadar.

2NO(g) + O2(g) 2NO2(g)

Jadual 10.3 Pembentukan NO2

eksperimen [NO] awal (M) [O2 ] awal (M) Kadar pembentukan awal Ms-1

1 0.015 0.015 0.048 2 0.030 0.015 0.192 3 0.015 0.030 0.096 4 0.030 0.030 0.384

Penyelesaian; Eksperimen ini dilakukan secara berpasangan untuk melihat kesan kadar awal apabila kepekatan awal suatu reaktan tertentu diubah. Eksperimen 1 dan 2 menggandakan kepekatan NO sedangkan kepekatan O2 dikekalkan. Oleh itu hukum kadar boleh ditulis seperti berikut, Hukum kadar : Kadar = k[NO]m [O2]n Jadi, Kadar 1 = k[0.015]m [0.015]n

Kadar 2 = k[0.030]m [0.015]n Jika kadar 2 dibahagikan dengan kadar1

Jika kadar 4 dibahagikan dengan kadar 2


10.4.2 Kaedah pembezaan

Kadar sesuatu tindak balas ditentukan daripada kecerunan kelok kepekatan (C) melawan masa (lihat Rajah 3.4).

Kadar = t

C

(10.4)

Persamaan Hukum kadar ;

Kadar = kCn (10.5)

Aktiviti 3.1 Jadual 10.4 di bawah adalah data eksperimen bagi tindak balas t-butil bromide, (CH3)3CBr, dengan ion hidroksida pada 55 ºC.

(CH3)3CBr + → (CH3)3COH +

Jadual 10.4 Data eksperimen tindak balas t-butil bromide, (CH3)3CBr, dengan ion hidroksida

Amali Kepekatan Awal (mol dm-3) Kadar Awal (CH3)3CBr (mol dm-3 s-1)

(CH3)3CBr

1 0.10 0.10 0.0010

2 0.20 0.10 0.0020 3 0.30 0.10 0.0030

4 0.10 0.20 0.0010

5 0.10 0.30 0.0010

Tentukan hukum kadar dan pemalar kadar tindak balas itu?

n

Jadi, hukum kadar yang diperoleh bagi tindak balas ini adalah, Kadar = k [NO]2 [O2] Tindak balas ini adalah tertib kedua terhadap NO dan tertib pertama terhadap O2 dan tertib keseluruhan adalah ketiga. Apabila nilai m dan n telah diketahui, maka pemalar kadar, k, boleh dihitung dengan menggunakan salah satu set data di atas. Jika dipilih kadar kedua, maka

Kadar = k [NO]m [O2]n

Dengan menggantikan nilai masing-masing

M-2s-1


Di mana ; k = pemalar kadar C = kepekatan bahan n = tertib tindak balas

Jika persamaan (3.3) dipermudahkan dalam bentuk logarithma; ln kadar = ln k + n ln C (10.3)

Daripada persamaan (10.3), plotkan graf ln kadar melawan ln C akan memberikan graf garis lurus dan seterusnya memberikan nilai n seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10.5.

10.4.3 Kaedah kamiran/graf

Mengggunakan persamaan kamiran mengikut tertib tindak balas.

(i) Pertimbangkan persamaan tindak balas umum berikut;

A Z

Masa, t [A] [Z]

t = 0 a0 0

t = t a0 - x x

Rajah 10.4 : Graf pelbagai kepekatan bahan melawan masa

C1

C2

C3

C t

t

t C

C

masa

C

Rajah 10.5 : Graf garis lurus ln kadar melawan ln C

ln kadar

ln C

Kecerunan = n

Pintasan = ln k


Kadar pembentukan Z, Persamaan disusun menjadi seperti berikut

dan, Kamirkan persamaan, (10.7) Jika diplot x melawan t, menghasilkan graf garis lurus kecerunan positif yang mana perpotongan paksi y berlaku pada t = 0 (Rajah 10.6)

x = kt + 0 dalam bentuk y = mx + c

Rajah 10.6 Graf kamiran tertib sifar

(ii) Tertib satu/pertama

Pertimbangkan persamaan tindak balas umum berikut: A Z

masa A Z

t=0 a0 0

- x + x

t=t (a0 – x) x

Pada masa t = t, kadar pembentukan hasil tindak balas, Z :

0)(][

xakdtdx

dtZd

kdtdx

kdtdx

dtkdx

ktx

Kecerunan graf = k

x

t


1

0 )(][

xakdt

dx

dt

Zd

kdtxa

dx

)( 0

Kamirkan kiri dan kanan persamaan tersebut,

dtkxa

dx

)( 0

Cktxa )ln( 0

C boleh ditentukan pada pintasan paksi-y yang berlaku pada x iaitu t = 0,

0ln aC

)ln()ln( 00 aktxa

Maka,

ktxa

a

)(ln

0

0

Jika diringkaskan persamaan tersebut dimana a0 = A0 dan (a0 – x) = At

ktA

A

t

0ln

atau Persamaan Kamiran Tertib Pertama (10.8)

kt

t eAA 0

Plot kan graf ln At melawan t memberikan graf garis lurus dengan kecerunan negatif (Rajah 10.7). Daripada persamaan kamiran juga boleh ditentukan rumus bagi masa separuh hayat. Masa separuh hayat adalah masa yang diambil oleh kepekatan awal, A0 menjadi separuh.

Bagi mendapatkan rumus tersebut, gantikan dalam persamaan kamiran dengan t = 2

1t dan At = 2

0A

Maka persamaan kamiran tadi akan menjadi seperti berikut,

0

0 ln2

ln2

1 AktA

00 ln2lnln2

1 AktA

k

t2ln

21 atau

kt

693.02

1


(iii) Tindak balas Tertib Kedua (dua reaktan yang sama)

Pertimbangkan tindak balas di bawah, 2A Z

Masa, t [A] [Z] 0 a0 0 t a0 - x x

Kadar pertambahan hasil Z,

2)(][

xakdtdx

dt

Zd

kdtxa

dx

2)(

Kamirkan kedua-dua persamaan kiri dan kanan,

dtkxa

dx2)(

=

Cktxa

)(

1 , apabila t = 0 dan x = 0 C =

a1

Maka;

akt

xa1

)(1 , digantikan (a0 – x) = At dan a0 = A0

Maka diperolehi persamaan kamiran tertib kedua,

A

kttA

11

ln At

ln A0 = pintasan pada paksi-ln At iaitu pada t=0

k = kecerunan graf

= t

Alnt

t

Rajah 10.7 : Plot graf kamiran tertib pertama

(10.9))


Jika diplotkan

tA1 melawan

A1 , graf garis lurus kecerunan positif dihasilkan (Rajah 10.8).

(iv) Tertib dua (dua reaktan berbeza)

Pertimbangkan persamaan tindak balas tertib 2 berikut; A + B Z

Masa, t A B Z 0 a0 b0 0

t = t (a0 – x) (b0 – x) x Persamaan pembentukan hasil Z;

))((][

xbxakdtdx

dt

Zd

kdtxbxa

dx

))((

Kamirkan persamaan ini, maka

dxkxbxa ))((

1

xb

dxxa

dxab

1 =kt

= Cxbxaab

1ln

1ln

1 = kt (10.10)

Plot graf

)(

)(ln

)(1

xba

xab

ba

melawan t memberikan graf garis lurus.

A

1

tA

1

Kecerunan graf = k

t

Rajah 10.8 : Graf tindak balas tertib kedua


10.4.4 Kaedah separuh hayat

Masa separuh hayat berkadar songsang dengan kepekatan / amaun awal bahan

1n0

21

a

1t

1n0

21

a

kt

jika persamaan (10.11) disusun dalam bentuk logarithma,

ln t1/2 = ln k – (n-1) ln a0 (10.12)

nilai n dapat ditentukan daripada plot graf garis lurus ln t1/2 melawan ln a0 (Rajah 10.9)

Di mana; a = kepekatan / kuantiti awal bahan

n = tertib tindak balas keseluruhan k = pemalar kadar

Rajah 10.9: Graf kaedah separuh hayat

ln a0

ln t ½

Kecerunan graf = n - 1

ln k

(10.11)

Contoh 10.5: Data berikut (Jadual 10.5) diperoleh bagi tindak balas pendimeran nitril oksida (A) dalam larutan etanol pada suhu 313K. Dengan menggunakan maklumat daripada data tersebut tentukan tertib tindak balas dengan kaedah separuh hayat.

Jadual 10.5 Perubahan kepekatan nitril oksida (A) terhadap masa

[A] mmol dm-3 68 50 40 32 29 22 15

t (min) 0 48 60 120 160 240 420


Penyelesaian: Plotkan graf kepekatan nitril oksida melawan masa seperti berikut (Rajah 10.10).

Daripada graf, anda perlu dapatkan beberapa data t ½ dan kepekatan awal Ao. Misalkan, anda memilih A0 = 68 mmol/dm3, maka nilai t ½ adalah pada kepekatan 34 mmol/dm3 iaitu 120 min (perhatikan anak panah tebal yang ditunjukkan dalam Rajah 10.10). Jadual 10.6 berikut adalah beberapa data t ½ dan Ao yang telah ditentukan daripada Rajah 10.10.

Jadual 10.6 Data t ½ dan ao

t ½ 120 145 200 275

Ao 68 60 50 40

ln t ½ 4.78 4.98 5.30 5.62

ln Ao 4.22 4.09 3.91 3.68

Daripada data tersebut, plotkan graf ln t ½ melawan ln ao (Rajah 10.11). Oleh itu, tertib tindak balas, n – 1 = kecerunan graf = 1.58. dengan itu n = 2.58.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

t/min

y = -1.5801x + 11.456 R² = 0.9981

4.60

4.80

5.00

5.20

5.40

5.60

5.80

3.60 3.70 3.80 3.90 4.00 4.10 4.20 4.30

ln t

1/2

ln Ao

[A]/ mmoldm-3

Rajah 10.11 Plot ln t ½ melawan ln Ao

Rajah 10.10 Graf perubahan kepekatan nitril oksida terhadap masa


10.4.5 Kaedah Pengasingan Apabila wujud reaktan berlebihan dalam satu tindak balas kimia berbanding dengan reaktan lain. Kadar tindak balas bergantung kepada reaktan yang sedikit. Tertib tindak balas ini biasanya tertib satu pseudo.

Contoh:

2I - + S2O8

2- I2 + 2SO42-

Maka;

= k2[S2O82-][I-]

Oleh kerana [I-] hadir berlebihan dan kepekatannya tidak berubah selepas tindak balas, maka

= k’[S2O82-] dimana k’ = k2[I-]

10.5 Masa separuh hayat, t1/2

(i) Tertib sifar

daripada persamaan kamiran,

x = kt

Apabila t = t1/2 dan x =2

a 0

Maka;

21

0 kt2

a

t1/2 = k2

a 0

(ii) Tertib Satu

Daripada persamaan kamiran,

kt

xa

aln

0

0

Apabila t = t1/2 dan x = 2

a 0

Maka;

2

1

00

0 kt

2

aa

aln


= 2

10

0 kt

2

a

aln , dan t1/2 =

k

2ln

Ringkasan tertib tindak balas dan masa separuh hayat dapat dilihat dalam Jadual 10.8 berikut.

Jadual 10.7 : masa separuh hayat dan tertib tindak balas

Tertib tindak balas t1/2

0 t1/2 =

k2

a 0

1

t1/2 = k

2ln

2

t1/2 = 0ka

1

3

t1/2 =

20a2

3

k

1

Contoh 10.6: Seorang pelajar telah melakukan satu eksperimen pada 300 K mengenai penguraian gas nitrogen dioksida untuk menghasilkan gas nitrogen oksida dengan cara mengukur pengurangan kepekatan reaktan terhadap masa. Data yang diperolehi, dilaporkan dalam Jadual 10.8.

Jadual 10.8 Penguraian NO2

Masa (s) [NO2], M Masa (s) [NO2], M

0 8.0 × 10-3 200 4.29 × 10-3

50 6.58 × 10-3 300 3.48 × 10-3

100 5.59 × 10-3 400 2.93 × 10-3

150 4.85 × 10-3 500 2.53 × 10-3

Daripada analisis data yang diperolehi, pelajar mendapati tindak balas ini adalah tindak balas tertib kedua. dan pemalar kadar yang diperoleh adalah 0.54 Ms-1. Tentukan,

i. Kepekatan [NO2] setelah 20 minit tindak balas berlangsung

ii. Masa separuh hayat jika kepekatan awal [NO2] = 6.00 × 10-3 M

iii. Masa separuh hayat jika kepekatan awal [NO2] =3.00 × 10-3 M


10.5 Faktor- Faktor yang mempengaruhi kadar tindak balas.

Kadar tindak balas bergantung kepada beberapa faktor iaitu jenis bahan tindak balas, kebolehan bahan tindak balas bersentuhan semasa semasa perlanggaran, perlanggaran molekul reaktan,suhu dan kehadiran mangkin. (i) Sifat kimia bahan tindak balas

Sifat kimia bahan tindak balas memainkan peranan penting dalam penentuan kadar tindak balas. Pertimbangkan bahan tindak balas yang melibatkan sebatian garam atau logam aktif (contohnya logam kumpulan I). Setiap bahan ini mempunyai jenis ikatan dan kereaktifan kimia yang berbeza. Ini akan menentukan jenis ikatan yang terlibat dalam pemutusan dan pembentukan ikatan baru dalam tindak balas. Kedaan ini juga menentukan kereaktifan kimia bahan baru yang dibentuk berubah dan seterusnya mempengaruhi kadar tindak balas.

(ii) Kebolehan reaktan bersentuhan antara satu sama lain.

Keadaan ini melibatkan samada reaktan tindak balas bersentuhan sepenuhnya semasa tindak balas sedang berlaku. Molekul-molekul yang terlibat dalam tindak balas perlu bertemu dan bersentuhan dengan mudah supaya tindak balas boleh berlaku. Faktor ini bergantung kepada jenis tindak balas sama dan homogen atau

Penyelesaian: Oleh kerana tindak balas adalah tertib kedua, persamaan kamiranya adalah

y = mx + b

Dan nilai k = 0.54 Ms-1

i. Kepekatan [NO2] pada t =20.0 minit = 1200 saat.

Dengan menggantikan nilai t = 1200, k = 0.54 Ms-1 dan [NO2]0 = 8.0 × 10-3M pada persamaan kadar,

[NO2] pada t = 1200 saat, adalah [NO2]1200 = 1.3 ×10-3M.

ii. Masa separuh hayat, t1/2 boleh dikira dari persamaan

iii. Untuk [NO2]0 = 3.00×10-3M,

Aktiviti 3.3: Cuba anda lakarkan kedua-dua graf tersebut, dan sahkan bahawa kecerunan adalah 0.54 Ms-1.


heterogen. Tindak balas homogen adalah tindak balas kimia yang mana semua reaktan hadir dalam fasa yang sama. Tindak balas ini berlaku dengan sangat cepat berbanding dengan tindak balas heterogen. Tindak balas heterogen mempunyai reaktan dalam fasa yang berbeza. Reaktan cuma bersentuhan pada permukaan fasa sahaja. Oleh itu, kadar tindak balas bergantung kepada luas permukaan reaktan yang bersentuhan. Luas permukaan yang lebih besar memberikan kadar tindak balas yang lebih cepat dan sebaliknya.

(iii) Kepekatan reaktan tindak balas

Kepekatan bahan mempengaruhi kadar tindak balas heterogen atau homogen. Kadar tindak balas lebih cepat jika kepekatan reaktan tinggi. Walau bagaimanapun, kepekatan yang tinggi juga akan mempengaruhi perlanggaran antara molekul.

(iv) Perlanggaran molekul

Molekul – molekul bahan tindak balas perlu berlanggar terlebih dahulu antara satu sama lain sebelum tindak balas berlaku. Apabila molekul hendak berlanggar, ia perlu menghampiri satu sama lain. Semasa mendekati antara satu sama lain, awan elektron masing-masing akan menolak dan mewujukan satu daya tolakan yang dikenali sebagai tenaga keupayaan. Molekul-molekul yang berlanggar perlu mengatasi tenaga keupayaan yang wujud ini. Jika molekul mempunyai cukup tenaga iaitu mengatasi tenaga pengaktifan tindak balas, maka tindak balas akan berlaku. Perlanggaran molekul yang membawa kepada berlakunya tindak balas dikenali dengan “perlanggaran berkesan” . Keberkesanan perlanggaran bergantung kepada tiga keadaan iaitu oreantasi molekul atau arah perlanggaran, suhu dan tenaga pengaktifan tindak balas. Arah perlanggaran yang betul dapat menggalakkan lagi perlanggaran berkesan. Tindak balas pembentukkan propana iodida, CH3CH2CH2I memerlukan perlanggaran molekul pada arah yang tepat. Molekul-molekul iodida perlu berlanggar dengan karbon yang pertama supaya molekul tersebut dapat dibentuk. Jika sekiranya molekul-molekul iodida lebih kerap berlanggar dengan karbon kedua, kemungkinan molekul CH3CH2CH2I tidak dibentuk walaupun molekul- molekul iodida dan propana mempunyai cukup tenaga. Suhu yang dan Tenaga pengaktifan yang lebih rendah juga dapat meningkatkan kadar tindak balas. Tenaga pengaktifan yang rendah dan kenaikan suhu membolehkan lebih banyak perlanggaran berkesan boleh berlaku.

(v) Suhu

Kenaikan suhu tindak balas membolehkan molekul-molekul reaktan mendapat tenaga kinetik tambahan. Tenaga kinetik yang lebih tinggi membolehkan molekul bergerak lebih pantas dan perlanggaran berlaku dengan lebih kerap. Keadaan ini membolehkan molekul dapat mengatasi tenaga pengatifan tindak balas yang mana seterusnya akan meningkatkan kadar tindak balas. Kadar tindak balas meningkat dua kali

ganda dengan penambahan suhu sebanyak 10 C. Hubungan suhu dengan kadar tindak balas melalui pemalar kadar tindak balas dapat dinyatakan dengan hukum Arrhenius. Seperti yang telah diketahui oleh anda, suhu merupakan salah satu faktor yang penting dalam mempercepatkan suatu kadar tindak balas. Mengikut hukum Arrhenius, pemalar kadar k bergantung kepada suhu mengikut persamaan berikut;

RT

aE

Aek (10.13)

Di mana: k = pemalar kadar A = Pemalar Arhenius / faktor pre eksponen Ea = Tenaga pengaktifan R = pemalar gas unggul, 8.314 J K-1 mol-1


Tenaga pengaktifan merupakan tenaga minimum yang diperlukan bagi sesuatu tindak balas berlaku dan membentuk hasil. Ia boleh ditentukan daripada eksperimen, begitu juga dengaa A boleh ditentukan daripada eksperimen. Apabila persamaan (10.13) disusun dalam bentuk logarithm, akan diperolehi;

AlnRT

Ekln a (10.14)

Sekiranya ada data pemalar kadar pada suhu yang berbeza – beza, graf garis lurus ln k melawan T

1 yang

berkecerunan negatif boleh diplotkan. Dengan itu nilai Ea dan A dapat ditentukan daripada kecerunan dan pintasan paksi menegak masing – masing seperti yang ditunjukkan dalam Rajah Rajah 10.12.

Perpotongan paksi ln k = ln A ln k

T

1

Kecerunan graf =R

Ea

Rajah 10.12: Plot graf Hukum Arrhenius

Contoh 10.7: Data berikut (Jadual 10.9) diperoleh dari penguraian hidrogen peroksida. Tentukan tenaga pengaktifan tindak balas dan faktor pre-eksponen H2O2 O2 + H2O

Jadual 10.9 Data penguraian hidrogen peroksida

T/ C 327 427 527 727 k/ mol-1 dm3 s-1 4.6 x 102 9.7 x 103 1.3 x 105 3.1 x 106

Penyelesaian: Plotkan graf ln k terhadap 1/T mengikut persamaan (10.14). Jadual 10.10 adalah data yang diperlukan dalam untuk plot graf tersebut

Jadual 10.10 Data untuk plot graf Arrhenius T/ K 327 427 527 727 ln k/ mol-1 dm3 s-1 4.6 x 102 9.7 x 103 1.3 x 105 3.1 x 106


(vi) Mangkin

Kehadiran mangkin dalam sesuatu tindak balas mempercepatkan kadar tindak balas. Bagaimanakah mangkin mempercepatkan suatu kadar tindak balas? Bagi menjawab persoalan ini, perhatikan contoh tindak

balas ion Ce4+ dan Ti+ berikut yang mana kehadiran mangkin menukarkan molekul reaktan termolekul kepada dwimolekul. Pertukaran ini menyebabkan peningkatan frekuensi perlanggaran (perlanggaran dwimolekul) yang mana dapat menghasilkan lebih banyak perlanggaran berkesan dan merendahkan tenaga pengaktifan tindak balas. Perlanggaran termolekul kurang berkesan jika dibandingkan dengan perlanggaran dwimolekul. Oleh itu, perlanggaran yang lebih kerap dan tenaga pengaktifan yang lebih rendah akan meningkatkan kadar tindak balas.

Tanpa mangkin, mekanisma tindakbalasnya adalah

2Ce4+ + Ti+ 2Ce3+ + Ti3+ Ia adalah perlanggaran trimolekul. Selepas penambahan mangkin Mn2+, tindakbalas menjadi lebih cepat mengikut mekanisme berikut;

Ce4+ + Mn2+ Ce3+ + Mn3+ Ce4+ + Mn3+ Ce3+ + Mn4+ Mn4+ + Ti+ Mn2+ + Ti3+

Rajah 10.13 Plot graf Arrhenius, ln k terhadap 1/T

Daripada graf tersebut, Tenaga pengaktifan (Ea) boleh ditentukan dari kecerunan graf seperti berikut,

Faktor pre-eksponen = pemalar Arrhenius (A) boleh ditentukan daripada perpotongan paksi y (1/T = 0). Oleh itu, A boleh ditentukan seperti berikut,

mol-1 dm3 s-1

y = -13311x + 28.296

R² = 0.9994

0

4

8

12

16

0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018

ln k

1/T


Latihan 10.1 Bagi setiap tindak balas berikut, tuliskan ungkapan kadar perubahan kepekatan reaktan dan hasil bagi

setiap spesies dalam tindak balas tersebut.

a) N2 + 3H2 2NH3, b) H2 + ½ O2 H2O,

c) H2O2 + 2H+ + 3I I-3 + 2H2O,

10.2 Satu tindak balas di tentukan dengan mengukur kadar awal dan penurunan tekanan gas seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 10.11 di bawah. Tentukan tertib tindak balas setiap reaktan dan tertib tindak balas keseluruhan.

2NO (g) + O2 (g) 2NO2 (g)

Jadual 10.11 Kadar awal dan penurunan tekanan gas

Tekanan awal NO (atm) 2.0 2.0 1.0

Tekanan awal O2 (atm) 2.0 1.0 2.0

Kadar awal pengurangan tekanan gas (atm min-1) 0.8 0.4 0.2

10.3 Suatu tindak balas mempunyai persamaan hukum kadar seperti dibawah;

Kadar = K [A][B]2

a) Berapakah tertib tindak balas ini. b) Sekiranya [A] = [B] = 0.2 ppm, berapakah nilai kadar tindak balas dalam sebutan k. Apakah unit

pemalar kadar tersebut.

10.4 Tindak baals penguraian ozone, O3 kepada O2 berlaku dengan kehadiran mangkin bergas iaitu N2O5. Data berikut (Jadual 10.12) menunjukkan perubahan tekanan ozon dengan masa pada

326 C. 2O3 3O2

Jadual 10.12 Perubahan tekanan ozon terhadap masa

Masa, (min) 0.00 20.78 49.50 77.57 103.58

Tekanan (mmHg) 632.0 481.8 364.2 297.6 253.2

Tentukan tertib dan pemalar kadar.

10.5 Data dalam Jadual 10.13 berikut diperolehi daripada penguraian nitrogen dioksida.

2NO N2 + O2

Jadual 10.13 Perubahan suhu dan pemalar kadar tindak balas

Suhu, C k, s-1

15.0 4.18 x 10-6 20.0 7.62 x 10-6 25.0 1.37 x 10-5 30.0 2.41 x 10-5 37.0 5.15 x 10-5

Tentukan tenaga pengaktifan tindak balas dan pemalar Arrhenius.


Jawapan

Aktiviti

10.1 Mari kita kaji dahulu eksperimen 1, 2 dan 3. Dalam tiap-tiap eksperimen ini kepekatan adalah sama. Mengganda dua kepekatan (CH3)3CBr didapati kadar turut terganda dua dan mengganda tiga (CH3)3CBr juga mengganda tiga kadar. Oleh yang demikian tertib bagi (CH3)3CBr ialah satu.

Dalam eksperimen 1, 4 dan 5, kepekatan (CH3)3CBr adalah sama. Mengubah kepekatan tidak memberi kesan ke atas kadar tindak balas. Ini bererti tertib bagi ialah sifar.

kadar = k[(CH3)3CBr]1[ ]0

sebarang berkuasa sifar ialah,

kadar = k[(CH3)3CBr]1• 1 Hukum kadar sebenar hanya mengangungi kepekatan (CH3)3CBr kerana ini sahaja kepekatan yang member kesan ke atas kadar. Untuk mengira pemalar kadar kita boleh gunakan sebarang eksperimen di atas. Kalau eksperimen 1 digunakan

0.0010 mol dm-3 s-1 = k (0.10 mol dm-3)

Latihan

10.1 (a)

(b) –

(c) –

10.2 Tertib 1 terhadap O2, tertib 2 terhadap NO dan tertib keseluruhan = 3 10.3 (a) 3 (b) 0.008 ppm3 k, unit k = ppm-3 10.4

p t 1/p

632 0.00 0.00158

481.8 20.78 0.00208

364.2 49.50 0.00275

297.6 77.57 0.00336

253.2 103.58 0.00395


Tertib tindak balas = 2, k = 2.0 x 10-5 mmHg-1 min-1

10.5. k, s-1

T/K 1/T ln k 15

4.18E-06 288 0.00347 -12.385

20 7.62E-06 293 0.00341 -11.785

25 1.37E-05 298 0.00336 -11.198

30 2.41E-05 303 0.00330 -10.633

37 5.15E-05 310 0.00323 -9.874

Faktor pre-eksponen = pemalar Arrhenius (A) boleh ditentukan daripada perpotongan paksi y (1/T = 0). Oleh itu, A boleh ditentukan seperti berikut,

s-1

y = 2E-05x + 0.0016

R² = 0.9998

0.0000

0.0010

0.0020

0.0030

0.0040

0.0050

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00

1/P

(m

mH

g-1

)

Masa (min)

y = -10197x + 23.019

R² = 1

-13.00

-12.00

-11.00

-10.00

-9.00

-8.00

0.00320 0.00325 0.00330 0.00335 0.00340 0.00345 0.00350

ln k

1/T


Rujukan Brady, J. E., & Senese, F. (2004). Chemistry - Matter and Its Changes 4th Edition. New Jersey: John Wiley &

Sons Inc.

Brown, T. L., LeMay, H. E., & Bursten, B. E. (2005). Chemistry: The Central Science. 10th edition. London:

Prentice Hall.

Laidler, J. K. & J.H. Meiser. 1999. Physical Chemistry 3rd Ed. Houghton Mifflin Company. New York. Ramli Ibrahim. (2001) Asas Kimia. Uni-Ed Publications Sdn Bhd.

20130301220342 unit 10

Education