Name: -------------------------------------
Class: -----------
1
Unit 5
Reaction kinetics
By the end of the unit, students know the factors that affect
reaction rate and explain them in terms of the particle model and
they understand the concept of dynamic equilibrium. They
understand the energy profile of a reaction and know how catalysts
work by altering it. They know and use the concepts of enthalpy of
reaction and activation energy and associate endothermic and
exothermic changes with bond breaking and making.
‫يعرف التلميذ العوامل التي تؤثر على معدل التفاعل ويفسره من‬
‫قبل نهاية الفصل‬
‫ وأيضا يفهم التلميذ مفهوم التوازن الكيميائي وعمل المواد الحفازة‬،‫حيث حركةالجسيمات‬
.‫وكذلك معرفة واستخدام مفاهيم المحتوى الحراري لطاقة التفاعل والتنشيط‬
2
Unit5: Reaction kinetics
reaction kinetics and equilibrium
23.1 Know that reaction rates vary considerably and be able to produce, and analyze graphically, data from
rate experiments.
‫يعرف أن معدالت التفاعل تختلف إختالفا ً كبيراً ويستطيع تقديم وعرض بيانات مأخوذة من تجارب عن معدالت التفاعل وتحليلها‬23.1
.‫بواسطة مخططات بيانية‬
23.2 Know and measure the effect on reaction rates of concentration, temperature and particle size, and
explain the effect in terms of a kinetic particle model.
‫ويفسر هذا التأثير بداللة نموذج حركة الدقائق‬،‫يعرف ويقيس تأثير تركيز المواد ودرجة الحرارة وحجم الدقائق على معدالت التفاعل‬23.2
23.6 Explain a bimolecular reaction in terms of particle collisions and recognize that the chance of a reaction
depends on particle concentration and particle energy.
‫يفسّر تفاعل ثنائي الجزيء بداللة إصطدام الدقائق ويدرك أن إمكانية حدوث تفاعل ما تعتمد على تركيز الجزيئات وعلى طاقة الدقائق‬23.6
Objectives
Key Vocabulary
Student will be able to:
1. Define the term rate of the reaction.
2. Describe suitable experimental procedures for
measuring rate of reactions.
3. Describes and explains the effect of changing
the concentration on the rate of a reaction
involving liquids or gases.
4. Describes and explains the effect of surface
area(particles size ) on the rate of a reaction.
5. Explains the effect of changing the temperature
on the rate of a reaction.
6.Explain the effect of different factors in terms
of the kinetic particle model
.
reaction rates
kinetic particle model
successful collision
factors
concentration
pressure
temperature
surface area
particles size
Introduction :
Some reactions are fast others are moderate and others are slow. Fast reactions like
dynamite exploding start and finish within a fraction of second. Moderate reactions
like dissolving of some metals in acids and burning of carbon. Slow reactions like
rusting of iron. Some reactions take hundreds, maybe even thousands of years. If a
reaction has a low rate, that means the molecules combine at a slower speed than a
reaction with a high rate.
Iron rusting - a chemical reaction with a slow reaction rate.
a) http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/c123/chmkntcs.html
b) http://www.animatedscience.com.au/learningmodules/collision.swf
3
Unit5: Reaction kinetics
Kinetic particle model
All matter is made up of tiny particles.
The particles are in constant motion.
For particles to react, they must collide.
Reaction rate is dependent on collision rate.
For successful collision to takes place, particles must gain kinetic energy.
: ‫*نموذج حركة الدقائق‬
.‫دقائق المادة في حركة مستمرة‬
.‫لحدوث ا لتفاعل البد من اإلصطدام بين الدقائق المتفاعلة‬
‫معدل التفاعل يعتمد على معدل التصادم‬
‫ليكون التصادم فعال يجب أن يكون هذا اإلصطدام على درجة من الطاقة تكفي إلحداث إعادة ترتيب الذرا‬
•What is rate of reaction?
The rate of a reaction is the speed at which a reaction happens. Rate of the reaction
can be found by doing experiments.
‫ ويمكن قياس معدل التفاعل من خالل إجراء التجارب‬.‫معدل التفاعل هو السرعة التى يمكن أن يحدث بها التفاعل‬
‫العملية‬
There are different procedures to measure the rate of a chemical reaction. A suitable
change in property needs to be identified (e.g. volume of gas evolved, change in colour
intensity, change in pH, change in conductivity).
، ‫توجد طرق مختلفة لقياس سرعة التفاعل عمليا من خالل تغيير مناسب في الخواص( مثل حجم الغاز الناتج‬
)‫ أو التغيير في درجة التوصيل الكهربي أو التغيير في الكتلة‬pH ‫ التغيير في قيمة‬،‫التغيير في شدة اللون‬
: ‫إذا أخذنا أحد التغييرات مثال الكتلة وكان التغيير يساوي ∆ ك واستغرق حدوث التغيير فترة زمنية ∆ ن فإن‬
4
Unit5: Reaction kinetics
Factors affect rate of reaction
*Factors affecting the rate of the reaction
These are factors that affect the collisions of the particles
and so affect the rate of the reaction.
‫هنالك عوامل تؤثر في التصادمات بين الدقائق وبالتالي تؤثر في معدل سرعة‬
‫التفاعل‬
1. Concentration
If there is more of a substance in a system, there is a
greater chance that molecules will collide and speed up the
rate of the reaction. If there is less of something, there will
be fewer collisions and the reaction will probably happen
at
a slower speed.
‫عند وجود تركيز عال من المواد في نظام معين تكون هنالك فرصة عالية‬
‫واذا قل التركيز تقل‬.‫للجسيمات لتصطدم مع بعضها وبالتالي يزداد معدل التفاعل‬
.‫فرص التصادم بين الجسيمات وبالتالي يقل معدل التفاعل‬
5
Unit5: Reaction kinetics
Activity :
Concentration Experiment( enquiry skill ;3.2 , 4.1,4.2)
Procedure :Part -1
1) Put tablespoon of baking soda in a beaker.
2) Mix together 10 mL of vinegar with 5 drops of water.
3) Pour the vinegar/water mixture into baking soda.
4) Observe and record.
Part-2
Place a tablespoon of baking soda in beaker.
2) Mix together 5 mL of water with 5mL of vinegar.
3) Pour the vinegar/water mixture into baking soda.
4) Observe and record.
Part -3
Repeat the same procedure except in step 2- Mix together 10 mL of
water and 5 drops of vinegar.
Record your observation in the table :
Vinegar vs
Water
High
Concentration
10 mL vinegar
5 drops of water
Medium
Concentration
5 mL vinegar
5 mL water
Low
Concentration
5 drops of
vinegar
10 mL water
Time (seconds)
Qualitative
Observations
6
Unit5: Reaction kinetics
Exercises
The rate of the reaction can be represented by a graph
Q1) : Study the graph to calculate the rate of the reaction at 100s
and at 600 s. Compare them.
Q2) How does concentration affect rate of a reaction?
-----------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------7
Unit5: Reaction kinetics
2. Pressure:
Pressure affects the rate of reaction, especially when you look at gases. When
you increase the pressure, the molecules have less space in which they can
move. The greater concentration of molecules increases the number of collisions.
When you decrease the pressure, molecules don't hit each other as often. The
lower pressure decreases the rate of reaction.
‫ عند زيادة الضغط تقل المسافة التي تتحرك فيها‬.‫ الضغط يؤثر في معدل التفاعل خاصة في حالة الغازات‬: ‫الضغط‬
‫ وعند تقليل الضغط تقل فرص تصادم‬.‫الجزيئات ويزداد تركيز الجزيئات مما يؤدي الى زيادة التصادمات بينها‬
.‫الجزيئات مع بعضها و بالتالي يقل معددل التفاعل‬
3. Temperature:
When the temperature of a substance rises, the particles gain energy.
With more energy, the particles move faster. They then collide with the other
substance at an increased rate. Thus less time for the reaction to occur.
When you lower the temperature, the molecules are slower and collide less. That
temperature drop lowers the rate of the reaction.
‫ وبمزيد من الطاقة تتحرك الجسيمات‬-‫ عند رفع درجة حرارة المادة تكتسب الجسيمات طاقة‬: ‫درجة الحرارة‬
‫ وعند خفض درجة الحرارة تكون الجسيمات بطيئة‬.‫بسرعة وتتصادم مع بعضها مما يزيد من معدل سرعة التفاعل‬
.‫في حركتها ويقل تصادمها فيقل معدل التفاعل‬
*Storing foods in a refrigerator keeps them fresh longer.
Low
temperatures slow microbial action.
‫ ألن خفض درجة الحرارة‬.‫*حفظ المواد الغذائية في الثالجة يجعلها طازجة لفترة طويلة‬
‫يضعف تفاعل الميكروبات‬
Activity :experiment 16.7 the effect of temperature on
rate of reaction :New chemistry for you page 210
.‫ كتاب الكيمياء‬210 ‫ صفحة‬16.7 ‫ تجربة‬: ‫نشاط‬
8
Unit5: Reaction kinetics
4. surface area(particles size )
The smaller the particle size the larger the surface area for a given mass of
particles. Increased surface area, increased amount of the reactant exposed for
reaction so increased collision frequency, increased reaction rate.
:) ‫مساحة السطح المعرض للتفاعل (حجم الجسيمات‬
‫ وبزيادة مساحة السطح للمواد‬.‫كلما قل حجم الجسيمات كلما زادت مساحة السطح المعرض للتفاعل لنفس الكتلة‬
.‫المتفاعلة زاد عدد التصادمات وبالتالي يزداد معدل التفاعل‬
Activity
Calcium carbonate and hydrochloric acid:
In the lab, powdered calcium carbonate reacts much faster with dilute
hydrochloric acid than if the same mass was present as lumps of marble or
limestone.
Resources: textbook -page 208 exp. 16.4,
‫كربونات الكالسيوم مع حمض الهيدروكلوريك‬
‫في المختبر نالحظ عند إضافة حمض الهيدروكلوريك المخفف الى مسحوق كربونات الكالسيوم يتفاعل اسرع من‬
‫قطع من كربونات الكالسيوم (الحجر الجيري أو الرخام )التي لها نفس الوزن‬
New chemistry for you 208 ‫ كتاب الكيمياء صفحة‬16.4 ‫ التجربة رقم‬-
9
Unit5: Reaction kinetics
Factors affect rate of reaction (Catalyst)
23.3 Explain that in the presence of a catalyst a reaction will have a different mechanism with a lower activation
energy, and that such a reaction will proceed faster
‫ وأن معدل التفاعل سيتسارع بوجود‬،‫ يفسّر أن آلية التفاعل ستكون مختلفة بوجود حافز وسيط كما وتنخفض في نفس الوقت طاقة التنشيط المطلوبة‬23.3
‫مثل هذا العامل‬
23.4 Distinguish between surface action catalysis (heterogeneous) and intermediate compound catalysis
(homogeneous) and give important examples of both.
‫ويعطي أمثلة هامة عن كال‬. )‫يميّز بين العامل الحفاز السطحي ( حفز غير متجانس) والحفز الذي يتم عن طريق مركبات وسيطة (حفز متجانس‬-- 23.4
‫الحالتين‬
Objectives
Key Vocabulary
1. Define catalyst
2. Define activation energy .
3. Explain the effect of catalyst on the
mechanism of the reaction.
4. Distinguish between heterogeneous and
homogeneous catalyst, and give examples.
- catalyst
- reaction mechanism
- activation energy
- heterogeneous
- homogeneous
- energy profiles
* What is a catalyst?
A catalyst is a substance that alters the rate of a chemical reaction without
being used up.
.‫ هو المادة التي تغيير من معدل التفاعل الكيميائي دون أن تتغير في نهاية التفاعل‬:‫عرف العامل المساعد‬
* How does it work?
A catalyst works by changing the energy pathway for a chemical reaction. It
lowers the Activation Energy. A catalyst changes the rate of a chemical
reaction.
Activation Energy: it is the energy needed to start a chemical reaction.
‫كيف يعمل العامل المساعد؟‬
‫ العامل المساعد يغيير من‬.‫انه يعمل بتغيير مسار الطاقة للتفاعل الكيميائي حيث يعمل على تقليل طاقة التنشيط‬
‫معدل التفاعل الكيميائي‬
.‫ هي الطاقة االزمة لبدء التفاعل الكيميائي‬:‫طاقة التنشيط‬
.
* There are two types of catalyst:
homogeneous, and
heterogeneous.
‫ متجانس وغير متجانس‬:‫يوجد نوعا ن من العوامل المساعدة‬
10
Unit5: Reaction kinetics
Homogeneous Catalysis
•The catalyst and reactant is in one phase.
Example
•Chlorine atoms are catalysts for the destruction of ozone.
•Addition of Br- to H2O2, are in one phase. Br - works as a catalyst in the
decomposition of H2O2
•Enzymes are biological catalysts.
:‫العامل المساعد المتجانس‬
‫• عندما يكون العامل المساعد والمتفاعالت على نفس الحالة‬
)‫ ذرات الكلور تعمل كعوامل مساعدة علي تحليل جزيئات االوزون ( غازات‬:‫•أمثلة‬
)‫ (سوائل‬.‫ يعمل كعامل مساعد على تحلله‬H2O2, ‫ الى‬Br – ‫•اضافة‬
.‫•االنزيمات عوامل مساعدة حيوية‬
Heterogeneous Catalysis
•The catalyst and reactant are in different phases.
•Typical example: solid catalyst, gaseous reactants and products (catalytic
converters in cars).
•Uses of iron in preparation of ammonia gas from hydrogen and nitrogen.
• Most industrial catalysts are heterogeneous.
:‫العامل المساعد غير المتجانس‬
‫•عندما يكون العامل المساعد والمتفاعالت على حاالت مختلفة‬
) ‫ العامل المساعد مادة صلبة والمتفاعالت غازات ( المحول في عوادم السيارات‬:‫•أمثلة‬
.‫•استخدام الحديد عند تحضير غاز النشادر من غازي الهيدروجين والنيتروجين‬
.‫•معظم العوامل المساعدة المستخدمة في الصناعات غير متجانسة‬
11
Unit5: Reaction kinetics
Activity
-Catalyst in Experiment:
•Decomposition of Hydrogen Peroxide
2 H2O2 (aq) + MnO2 (s)
Hydrogen peroxide
→ O (g) + 2 H O(l) + MnO
2
2
(s)
Manganese dioxide
2
The graph demonstrates what a catalyst does to the reaction profile.
12
Unit5: Reaction kinetics
Reaction Mechanism
23.5 Know that many reactions occur in multiple steps and that only one determines
the reaction rate.
Objectives
Key Vocabulary
1- To know that many reactions occur in multiple
steps.
2 -To relate the rate of the reaction to the slowest
step.
- energy profiles
Many reactions go in multiple steps, then each step will proceed at its own
rate. No matter how fast the other steps, the rate determining step in a
reaction mechanism is the slowest step.
e.g consider the reaction, bimolecular process: 2A + B
A possible mechanism might be:
Step1.
A+A
A–A
slow
Step 2. A – A + B
fast
A2 B
rate determining step.
A2 B
Bimolecular process: when two species can collide and interact
Exercises
Q1) What will happen to the rate of reaction when temperature
increases?
[A] increase
[B] decrease
[C] remains the same
[D] increase then decrease
Q2) Given the following reaction H+(aq) + OH-(aq) --> H2O(l) if the
concentration of the reactants is increased, the rate of reaction will
[A] increase
[B] decrease
[C] remains the same
[D] increase then decrease
13
Unit5: Reaction kinetics
Q3)
When strong covalent bonds have to be broken the rate of reaction is
usually
[A] constant
[B] rapid
[C] fast
[D] slow
Q4)
What does a catalyst decrease when introduced to a reaction?
[A] the rate of reaction
[B] the energy released during the reaction
[C] the activation energy
[D] the kinetic energy
Q5)
Catalysts increase the rate of reaction by being consumed.
True
False
Q6)
The following reaction: Ag+(aq) + NO3-(aq) + Na+(aq) + Cl-(aq) --> AgCl(s) +
Na+(aq) + NO3-(aq) will have a faster rate of reaction
then 2H2(g) + O2(g) --> 2H2O(l)
True
False
Q7)
Powdered NaCl will dissolve slower then NaCl crystals because there
is less surface area for the reaction to take place.
True
False
14
Unit5: Reaction kinetics
Equilibrium
23.7 Understand, in terms of the forward and reverse reactions, what is meant by reversible reaction and
dynamic equilibrium.
‫يفهم ماذا نعني بالتفاعل المنعكس واإلتزان الديناميكي بداللة معدل التفاعل الطردي والعكسي‬
Objectives
Key Vocabulary
1- Define the terms reversible reaction and
dynamic equilibrium.
2- Explain and give examples of dynamic
equilibrium.
•reversible reaction
•chemical equilibrium
• equilibrium position,
Reversible reactions:
In these types of reactions the reaction
occurs simultaneously in both directions,
forward and reverse..
A+B
AB
‫التفاعل اإلنعكاسي‬
‫هو التفاعل الذي يحدث في اتجاهين الطردي والعكسي في‬
‫نفس الوقت‬
Dynamic equilibrium:
The reactions both forward and reverse have not stopped, their rates are
equal,
: ‫االتزان الديناميكي‬
‫هو االتزان الذي يستمر فيه كال التفاعلين الطردي والعكسي وتكون سرعة التفاعل في االتجاهين‬
.‫متساوية‬
http://www.chalkbored.com/lessons/chemistry-12/study-note-5-53.pdf
New chemistry for you 220 - 223
15
Unit5: Reaction kinetics
* In chemical equilibrium
•The system is closed, the reaction is sufficiently reversible.
•The rate of the forward reaction becomes equal to the rate of the reverse
reaction.
•There is no further change in the amounts of reactant and product.
•Reactions continue at equal rates in both directions.
:‫*في االتزان الكيميائي‬
.‫• يجب أن يكون النظام مغلق – والتفاعل انعكاسي‬
.‫• معدل التفاعل الطردي يكون مساويا لمعدل التفاعل العكسي‬
.‫• اليحدث تغيير في كميات المواد المتفاعلة والناتجة‬
‫• يستمر التفاعل بنفس معدل السرعة في كلتا االتجاهين‬
* Example: reaction of sulfur dioxide with oxygen to give sulfur trioxide.
‫ تفاعل ثاني أكسيد الكبريت مع األكسجين لينتج ثالث أكسيد الكبريت‬: ‫مثال‬
* If SO2 and O2 are present initially, they collide and the forward reaction
begins.
2SO2 + O2
2SO3
* As the amount of product increases, SO3 molecules collide and form the
reactants. This is shown as a double arrow.
forward
2SO2 + O2
2 SO3
reverse
16
Unit5: Reaction kinetics
Activities
Textbook – New Chemistry for You
Experiment: 17.1 changing hydrated copper sulfate to anhydrous -page 220
.‫بيّن التفاعل المنعكس بين كبريتات النحاس الالمائي والماء‬
Experiment 17.3 heating ammonium chloride – reversible reaction – page 221
.‫تسخين كلوريد االمونيوم – تفاعل انعكاسي‬
Exercises
Q1) Define chemical equilibrium.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------Q2( A chemical equilibrium is “dynamic”. What does this indicate?
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------Q3) What kinds of chemical reactions reach an equilibrium?
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------Q4) What is meant by reversible reaction?
--------------------------------------------------------------------------------------------------------Q5) How are equilibrium reactions written differently than other chemical
reactions?
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------17
Unit5: Reaction kinetics
Catalysts
24.3Know that a catalyst can provide an alternative energy profile with a lower activation energy.
‫يعرف أن العامل الحفازيمكن أن يغيّرشكل المنحنىالبياني للطاقةحيث تنخفض فيه عتبة طاقة التنشيط‬.
Objectives
Key Vocabulary
Student will be able to:
1.Define catalyst and activation energy
2.Know the effect of catalyst on activation
energy.
•catalyst
•energy profile
•activation energy
What are catalysts?
•A catalyst is a substance which speeds up a reaction, but is chemically
unchanged at the end of the reaction.
.‫ ولكن دون تغيير كيميائيا في نهاية التفاعل‬،‫العامل الحفاز هو مادة تسرع من التفاعل‬
• When the reaction has finished, you would have exactly the same mass of
catalyst as you had at the beginning.
.‫في نهاية التفاعل تكون كمية العامل الحفازتساوي تماما كميته في بداية التفاعل‬
•Catalysts increase the rate of a reaction by helping break chemical bonds in
reactant molecules.
.‫المادة المحفزة تزيد سرعة التفاعل عن طريق تفكيك الروابط الكيميائية في جزيئات المواد المتفاعلة‬
•This effectively means the activation energy is reduced.
.‫وهذا يعني ان طاقة التنشيط تقل‬
•Therefore at the same temperature, more reactant molecules have enough
kinetic energy to react compared to the uncatalysed situation and so the
reaction speeds up with the greater chance of a 'fruitful' collision.
‫ومما يعني أن في نفس درجة الحرارة الجزيئات مع المواد المحفزة تحوي طاقة حركية اكبر من الجزيئات في‬
.‫ وبالتالي التفاعل سيتم بسرعة اكبر وفرصة اكبر لتفاعالت مفيدة‬.‫التفاعالت التي ال تحوي مواد محفزة‬
•Note that a catalyst does NOT change the energy of the molecules, it
reduces the threshold kinetic energy needed for molecules to react.
.‫الحظ أن المادة المحفزة ال تغير طاقة الجزيئات و تقلل عتبة الطاقة الحركية التي تحتاجها الجزيئات لتتفاعل‬
http://www.docbrown.info/page03/3_51energy.htm
18
Unit5: Reaction kinetics
•Although a true catalyst does take part in the reaction, it does not get used up
and can be reused with more reactants.
.‫ إال انه ال ينفذ ويمكن إستخدامه مجددا في تفاعل آخر‬,‫مع ان العامل الحفازيدخل في التفاعل‬
•Also note from the diagram that although the activation energy is reduced, the
overall exothermic or endothermic energy change is the same for both the
catalysed or uncatalysed reaction.
‫تغير الطاقة الكلية الطاردة والماصة للحرارة‬,‫والحظ أيضا من الرسم البياني أن وبالرغم من ان طاقة التنشيط تقل‬
.‫يساوي التغير في التفاعل مع مادة محفزة وبدون مادة محفزة‬
• The catalyst might help break the bonds BUT it cannot change the actual bond
energies.
‫ولكن ال يمكن ان يغير الطاقة الفعلية للروابط‬, ‫العامل الحفازربما يساعد على تكسير الروابط‬
19
Unit5: Reaction kinetics
Exercises
Q1) The following is an energy profile for an exothermic reaction:
1. What is energy of the reactants?
‫ما هي طاقة المتفاعالت ؟‬
2. What is the energy of the products?
‫ما هي طاقة النواتج؟‬
3. Find the activation energy without the catalyst?
‫أوجد طاقة التنشيط للتفاعل بدون العامل الحفاز؟‬
4. Find the activation energy with the catalyst?
‫أوجد طاقة التنشيط للتفاعل مع العامل الحفاز؟‬
20
Standard enthalpy change
Unit5: Reaction kinetics
24.4 Explain and use the concept of standard enthalpy change (H), with particular reference to combustion,
formation, solution and neutralisation, and calculate enthalpy changes from experimental results.
‫ويحسب التغيّرات في‬،‫ مع إشارةخاصةالى عمليات اإلحتراق وتكوّ ن الموادوالذوبان والتعادل‬H‫يشرح ويستخدم مفهوم التغيّرالقياسي للمحتوى الحراري‬
..‫المحتوىالحراري القياسي من نتائج إختبارات عملية‬
Objectives
Student will be able to:
1. Explain the concept of standard enthalpy
change.
2. Know the definitions of DH qc, DH qf, DH qsoln,
DH qneutralisation
3. Calculate enthalpy changes from
experimental results.
Key Vocabulary
•enthalpy change H
•enthalpy change of combustion
•enthalpy change of formation
•enthalpy change of solution
•enthalpy change of neutralisation
Enthalpy changes
.‫التغيرات في المحتوى الحراري‬
•Enthalpy change is the name given to the amount of heat evolved or
absorbed in a reaction carried out at constant pressure. It is given the
symbol ΔH, read as "delta H".
‫تغير المحتوى الحراري هو أسم يطلق على كمية الحرارة المنطلقة أوالممتصة لتفاعل يجرى تحت‬
"H ‫ ويقرأ "دلتا‬ΔH ‫ضغط ثابت ويأخذ الرمز‬
Standard enthalpy changes
‫التغيرات القياسية للمحتوى الحراري‬
•Standard enthalpy changes refer to reactions done under standard
conditions, and with everything present in their standard states.
‫ و مع كل ما يوجد‬,‫التغيرات القياسية للمحتوى الحراري هي التفاعالت التي تتم تحت الظروف القياسية‬
.‫في التفاعل في حالته القياسية‬
Standard conditions
‫الحالة القياسية‬
Standard conditions are:
•298 K (25°C)
•a pressure of 1 bar (100 kPa).
1 bar (100 kPa) ‫ضغط يساوي‬
•where solutions are involved, a concentration of 1 mol dm-3
1 mol dm-3 ‫ويكون تركيز المحلول يساوي‬
21
The symbol for standard enthalpy changes
Unit5: Reaction kinetics
‫رمز التغيرات القياسية للمحتوى الحراري‬
The symbol for a standard enthalpy change is ΔH°, read as "delta H standard"
or, perhaps more commonly, as "delta H nought".
.‫ نوت" وهو األكثر إنتشارا‬H ‫"" او ""دلتا‬H ‫ ويقرأ ""دلتا‬ΔH° ‫رمز التغيرات القياسية للمحتوى الحراري هو‬
Standard enthalpy change of formation, ΔH°f
ΔH°f ‫التغير في المحتوى الحراري القياسي للتكوين‬
The standard enthalpy change of formation of a compound is the enthalpy
change which occurs when one mole of the compound is formed from its
elements under standard conditions, and with everything in its standard state.
‫التغير في المحتوى الحراري القياسي للتكوين للمركب هي التغير الحراري الذي يحدث عندما يتكون مول واحد‬
.‫ و بقاء كل الظروف المحيطة في الحالة القياسية‬, ‫من المركب من عناصره تحت ظروف قياسية‬
The equation showing the standard enthalpy change of formation for water is:
.‫المعادلة تبين التغير في المحتوى الحراري القياسي لتكوين الماء‬
Standard enthalpy change of combustion, ΔH°c
‫حرارة اإلحتراق القياسية‬
The standard enthalpy change of combustion of a compound is the enthalpy
change which occurs when one mole of the compound is burned completely in
oxygen under standard conditions, and with everything in its standard state.
‫حرارة اإلحتراق القياسية للمركب هو التغير الحراري الذي يحدث عندما يحترق مول واحد من المركب كليا في‬
.‫ و بقاء كل الظروف المحيطة في الحالة القياسية‬, ‫األكسجين تحت ظروف قياسية‬
The enthalpy change of combustion will always have a negative value, of
course, because burning always releases heat.
.‫ ألن اإلحتراق يطلق حرارة‬,‫قيمة حرارة اإلحتراق القياسية دائما ما تكون سالبة‬
Two examples:
22
Unit5: Reaction kinetics
Enthalpy change of solution ΔH°soln
‫التغير في المحتوى الحراري للذوبان‬
The enthalpy change of solution is the enthalpy change when 1 mole of an
ionic substance dissolves in water to give a solution of infinite dilution.
‫التغير في المحتوى الحراري للذوبان للمركب هي التغير الحراري الذي يحدث عندما يذوب مول واحد من‬
.‫المادة األيونية في الماء لعمل محلول بتخفيف النهائي‬
Enthalpies of solution may be either positive or negative - in other words,
some ionic substances dissolved endothermically (for example, NaCl); others
dissolve exothermically (for example NaOH).
‫ وبعبارات أخرى بعض المواد‬,‫قيمة التغير في المحتوى الحراري للذوبان يمكن ان تكون موجبة أو سالبة‬
.)NaOH ‫ )وبعضها تذوب بتفاعل طارد للحرارة (مثل‬NaCl ‫األيونية تذوب بتفاعل ماص للحرارة ( مثل‬
An infinitely dilute solution is one where there is a sufficiently large excess of
water that adding any more doesn't cause any further heat to be absorbed or
evolved.
‫المحلول بتخفيف النهائي هو المحلول الذي يتكون من كمية ماء كافية بحيث أي كمية أخرى من الماء ال تؤدي‬
.‫الى أمتصاص أو أنطالق حرارة‬
http://www.chemguide.co.uk/physical/energetics/definitions.html
23
Unit5: Reaction kinetics
Lab activity
Comparing the heat energy produced by combustion of various
alcohols
.‫مقارنة الطاقة حرارية الناتجة من إحتراق انواع مخلتفة من الكحوالت‬
Description
Students use the combustion of known amounts of various alcohols to heat
a known amount of water.
.‫يستخدم الطالب احتراق كميات محددة ألنواع مختلفة من الكحوالت لتسخين كمية محددة من الماء‬
Apparatus and equipment (per group)
oRetort stand
oClamp
o250 cm3
oConical flask or metal calorimeter
oThermometer
oSpirit burners
Chemicals (per group)
oMethanol (Highly flammable)
oEthanol (Highly flammable)
oPropanol (propan-1-ol) (Highly flammable)
oButanol (butan-1-ol) (Highly flammable).
Background theory
Energy change = mass of solution x specific heat capacity x temperature
change.
H = (mcpT)
Safety
Wear eye protection. Spirit burners are the safest way of burning the alcohol
but students should not be allowed to fill them. Use spirit burners with a
wide base.
‫المواقد الكحولية هي الطريقة األكثر أمانا‬. ‫ارتداء نظارات لحماية العين‬
‫استخدام المواقد الكحولية ذات القاعدة العريضة‬. ‫ينبغي أن يسمح لهم بملئها‬.‫لحرق الكحول ولكن الطالب ال‬
24
Unit5: Reaction kinetics
Spirit burners should be filled by a technician in the preparation room and
labeled. No stock bottles of alcohol should be allowed in the laboratory.
‫ يجب أال يسمح‬.‫ينبغي أن تمأل المواقد الكحولية بواسطة فني في غرفة اإلعداد وتسمى بالكتابة عليها‬
.‫ألي من زجاجات الكحول في المختبر‬
What to record:
Alcohol
Initial
temp/°C
Final
temp/°C
Temp
change/°C
Initial
mass/g
Final
mass/g
Mass
used/g
Methanol
Ethanol
Propanol
Butanol
25
Unit5: Reaction kinetics
What to do
Fill the conical flask with 100 cm3of water. Clamp the flask at a suitable
height so that the spirit burner can be easily placed below.
‫وإشبك الدورق على ارتفاع مناسب بحيث يمكن وضع الموقد‬. ‫ من الماء‬100 cm3 ‫إمالءالدورق المخروطي بــ‬
.‫الكحولي بسهولة أسفله‬
1.
.2. Weigh the spirit burner (and lid) containing the alcohol and record the mass
and name of the alcohol.
.‫زن الموقد الكحولي(مع الغطاء) الذي يحتوي على الكحول وسجل الكتلة واسم الكحول‬
3. Record the initial temperature of the water using the thermometer.
.‫سجل درجة الحرارة األولية للماء باستخدام مقياس الحرارة‬
4. Place the spirit burner under the conical flask and light the wick.
.‫ضع الموقد الكحولي تحت الدورق المخروطي وأشعل الفتيل‬
5. Allow the alcohol to heat the water so the temperature rises by about 40°C.
.40°C ‫إسمح للكحول بتسخين الماء حتى ترتفع درجة الحرارة إلى حوالي‬
6. Replace the cap to extinguish the flame.
.‫أعد وضع الغطاء إلطفاء الشعلة‬
7. Reweigh the spirit burner and cap and work out the mass of alcohol used.
.‫اعد وزن الموقد الكحولي واحسب كمية الكحول المستخدم‬
Repeat for different alcohols. Use 100 cm3 of new cold water each time.
.‫ من الماء البارد كل مرة‬100 cm3 ‫ واستخدم‬,‫إعد التجربة النواع مختلفة من الكحوالت‬
Question
1. Which fuel provides the most energy per gram?
‫ما هو الوقود الذي ينتج أكبر قدر من الطاقة لكل جرام؟‬
26
Unit5: Reaction kinetics
Bond Enthalpy
24.5 Recognise that bond breaking is associated with endothermic changes and bond formation is associated
with exothermic changes.
.‫يدرك أن كسرالروابط يتعلق بالتغيّرات الماصة للحرارة بينما تكوين الروابط يتعلق بالتغيرات الطاردة للحرارة‬
Objectives
1. Define bond enthalpy.
2. Recognise that bond breaking is associated
with endothermic changes. .
3. Recognise that bond formation is associated
with exothermic changes.
Key Vocabulary
•bond breaking
•bond formation
The Bond Enthalpy is the energy required to break a chemical bond. It is usually
expressed in units of kJ mol-1, measured at 298 K. The exact bond enthalpy of a
particular chemical bond depends upon the molecular environment in which the
bond exists. Therefore, bond enthalpy values given in chemical data books are
averaged values.
‫ وتقاس‬,kJ mol-1‫ عادة ما يعبر عنها بـ‬.‫المحتوى الحراري للرابطة هي الطاقة الالزمة لكسر الرابطة الكيميائية‬
,‫ ولذلك‬.‫ محتوى الرابطة الحراري لرابطة كميائية معينة تعتمد على البيئة الجزيئية التي تحوي الرابطة‬.K 298 ‫عند‬
.‫قيم محتوى الرابطة الحراري الموجودة في المراجع الكيميائية هي قيم متوسطة‬
Bond breaking is an endothermic process, and the bond enthalpy involved is
given a +ve sign. Bond making is an exothermic process. For the formation of a
given chemical bond, the bond enthalpy has the same value, except it is given
a -ve sign.
‫ وتكوين الرابطة هي عملية‬.‫ والمحتوى الحراري الناتج له قيمة موجبة‬,‫كسر الرابطة هي عملية ماصة للحرارة‬
.‫ والمحتوى الحراري الناتج يعطي نفس النتيجة من كسر الرابطة إال انها ذات قيمة سالبة‬,‫طارده للحرارة‬
http://www.avogadro.co.uk/definitions/hbond.htm
27
Unit5: Reaction kinetics
Example 1
Using bond enthalpies, provided in the table below, calculate the heat of
reaction, ΔH, for:
:‫ إحسب حرارة التفاعل للتفاعل‬,‫بإستخدام المحتوى الحراري للروابط والجدول ادناه‬
½ H2(g) + ½ Cl2)g( → HCl)g(
Given the following bond enthalpies:
H—H
436 kJ
Cl — Cl
243 kJ
H — Cl
433 kJ
Solution:
Draw structural formulas for all molecules. Very simple for these molecules:
:‫إرسم الصيغ البنائية للجزيئات‬
Chemical formula
Structural Formula
H2
H—H
Cl2
Cl — Cl
HCl
H — Cl
ΔH = Σ (bonds broken) – Σ (bonds formed)
ΔH = [½(436) + ½(243)] – [(433)]
ΔH = 339.5 – 433 = -93.5 kJ
28
Unit5: Reaction kinetics
Example 2
Using the bond enthalpies provided, calculate the heat of reaction, ΔH, for:
: :‫ للتفاعل‬ΔH ‫ اوجد حرارة التفاعل‬,‫بإستخدام قيم المحتوى الحرارى للروابط التالي‬
C2H4(g) + H2)g( → C2H6(g)
C—H
413 kJ
Given the following table of bond enthalpies:
C=C
614 kJ
C —C
348 kJ
H—H
436 kJ
Solution:
Begin by drawing the structural formulas for all molecules.
.‫أبدأ الرسم الصيغ البنائية لجميع الجزيئات‬:‫الحل‬
Chemical formula
Structural Formula
C2H4
C2H6
C2H4(g) + H2)g( → C2H6(g)
ΔH = Σ)reactant bonds( – Σ)product bonds(
ΔH = )1652 + 614 + 436( – (2478 + 347)
ΔH = 2702 – 2826 = -124 kJ answer
http://www.saskschools.ca/curr_content/chem30_05/1_energy/energy2_6.htm
29
Unit5: Reaction kinetics
Example 3
Calculate the energy of the reaction for the burning of methane in oxygen to
form carbon dioxide gas and water gas, using heats of formation. The
balanced equation is given below.
‫ بإستخدام‬,‫إحسب طاقة التفاعل لحرق الميثان في وجود االكسجين لتكوين غاز ثاني اكسيد الكربون وبخار الماء‬
.‫ المعادلة متوازنة أدناه‬.‫حرارة التكوين‬
C3H8(g) + 5 O2(g) ----> 3 CO2 (g) + 4 H2O(g)
Steps 1 and 2
1) Determine the number and types of bonds broken and formed.
.‫) تحديد عدد وأنواع الروابط المكسورة والمتكونة‬1
2) Determine the energy change.
.‫) حدد التغير في الطاقة‬2
Bonds Broken (reactants)
Type
#
Bond Energy
Energy
C-C
2
347 kJ/mol
+ 694 kJ
C-H
8
413 kJ/mol
+3,320 kJ
O=O
5
498 kJ/mol
+2,490 kJ
Total
+6,488 kJ
Bonds formed (products)
O-H
8
464
- 3,712 kJ
C=O
6
805
- 4,830 kJ
Total
- 8,542 kJ
Step 3)
Δ H = Energy of Bonds Broken - Energy of Bonds formed
‫ = طاقة كسر الروابط – طاقة تكوين الروابط‬Δ H )3
Δ H = 6,488 kJ - 8,542 kJ
Δ H = - 2,054 kJ
http://www.saskschools.ca/curr_content/chem30/modules/module3/lesson5/hessbonde.htm
30
Exercises
Unit5: Reaction kinetics
Answer the following question:
The complete combustion of propane can be represented by the following
equation:
:‫اإلحتراق الكامل للبروبان يمكن ان يتمثل بالمعادلة التالية‬
or we could redraw it to represent the bonds present:
:‫أو يمكننا ان نعيد رسمها لتمثيل الروابط‬
Bond Type
C-H
C-C
O=O
C=O
H-O
Average bond enthalpy kJ/mol
+413
+347
+498
+805
+464
Q1) Calculate standard enthalpy change for combustion of propane.
‫إلحتراق البروبان؟ القياسي في المحتوى الحراري التغيير إحسب‬
31
Unit5: Reaction kinetics
ENERGY CHANGES
24.1Know that chemical reactions are accompanied by energy changes, usually in the form of heat energy, and that
the energy changes can be exothermic or endothermic.
ً
‫ وأن تغيّرات الطاقة هذه يمكن أن تكون إما‬،‫ وعموم ًا على شكل طاقة حرارية‬،‫مصحوبة بتغييرات في الطاقة‬
‫يعرف أن التفاعالت الكيميائية تكون عادة‬
.‫طاردة للحرارة أو ماصة لها‬
24.2 Construct reaction energy profiles showing enthalpy changes in the reaction and activation
energy.
.‫ أنشئ مخططات بيانية لتغيّرات الطاقة بحيث تبيّن التغيّرات في المحتوى الحراري وطاقة التنشيط‬2-24
Objectives
By the end of the lesson students will be:
1. Able to recognise which reactions are endothermic and which reactions
are endothermic.
2. Able to identify the difference between an endothermic and exothermic
reaction.
3. Able to interpret observational data and draw conclusions based upon
observations.
4.
define enthalpy and enthalpy changes.
5. Construct reaction energy profiles showing enthalpy changes in the
reaction and activation energy.
32
Unit5: Reaction kinetics
Exothermic and endothermic:
Firstly, an exothermic reaction is one in which heat is produced as one of
the end products. Examples of exothermic reactions from our daily life are
combustion like the burning of a candle, wood, and neutralization reactions.
In an endothermic reaction, the opposite happens. In this reaction, heat is
absorbed. Or more exactly, heat is required to complete the reaction.
Photosynthesis in plants is a chemical endothermic reaction. In this process,
the chloroplasts in the leaves absorb the sunlight. Without sunlight or some
other similar source of energy, this reaction cannot be completed.
EXO
+
THERM
Exothermic
=
Exo means: OUT
ENDO
Therm means heat
+
(energy is absorbed temperature falls)
THERM
Endothermic
=
Endo means: IN
Therm means heat
(energy is released temperature rises)
33
Unit5: Reaction kinetics
ENDOTHERMIC REACTION
Energy is needed to break the
bonds.‫طاقة الزمة لكسر الرابطة‬
Strong bond
temperature falls
bonds are broken
EXOTHERMIC REACTION
Energy is released when forming bonds
‫الطاقة المنطلقة عند تكوين الرابطة‬
+
temperature rises
bonds is formed
Activities ‫تجارب عملية من كتاب الطالب‬
Use the textbook :New chemistry for you.
Experiment 15.3 Feeling hot page 194
Experiment 15.4 Feeling cold page 194
Experiment 15.5 exothermic or endothermic page 195
http://www.softschools.com/manage/themes/knowledgetest;jsessionid=a8gE4918CyTg
34
Unit5: Reaction kinetics
The Enthalpy ( heat content) )‫اإلنثالبي ( المحتوى الحراري‬
The heat content of a chemical system is called the enthalpy (symbol:
H)
) H ‫المحتوى الحراري لنظام كيميائي يسمى االنثالبي ( رمزه‬
The enthalpy change ) ∆H( is the amount of heat released or absorbed
when a chemical reaction occurs at constant pressure.
‫هو كمية الحرارة المنطلقة أو الممتصة عند حدوث تفاعل تحت ضغط ثابت‬: ‫التغيير في االنثالبي‬
∆H = H)products( - H(reactants)
In exothermic reactions the enthalpy change is always negative while in
endothermic reactions the enthalpy change is always positive. This is
due to the releasing and absorption of heat energy in the reactions,
respectively. The end products are stable in exothermic reactions. The
end products of endothermic reactions are less stable. This is due to the
weak bonds formed.
‫في التفاعالت الطاردة للحرارة يكون للتغيير الحراري قيمة سالبة أما للتفاعالت الماصةللحرارة يكون للتغيير‬
‫الحراري قيمة موجبة‬. ‫ويرجع ذلك المتصاص أو انطالق الطاقة أثناء التفاعل‬. ‫يكون الناتج النهائي أكثر‬
‫استقرارا عندما يكون التفاعل طارد للحرارة‬. ‫والناتج النهائى يكون أقل استقرارا في حالة التفاعالت الماصة‬
‫للحرارة‬. ‫وذلك لضعف الروابط المتكونة‬
35
Unit5: Reaction kinetics
Energy Profiles
‫مخططات بيانية لتغ ّيرات الطاقة‬
Activation Energy of a reaction, Ea, is the minimum amount of energy
reactant molecules must possess in order to form products.
‫ هي أقل كمية من الطاقة تحتاجها المتفاعالت لتكون النواتج‬: ‫طاقة التنشيط‬
On an Energy Profile, the activation energy is measured from the energy of the
reactants to the peak of the energy profile diagram. The lower the activation
energy, the faster the
reaction will proceed
‫ و كلما قلت طاقة‬.‫في مخططات الطاقة البيانية تقاس طاقة التنشيط من طاقة المتفاعالت الى قمة المخطط البياني‬
‫التنشيط كلما كان التفاعل أسرع‬
Type of Reaction
‫نوع التفاعل‬
Faster Reaction ‫تفاعل سريع‬
Lower activation energy
Slower Reaction ‫تفاعل بطئ‬
Higher activation energy
Exothermic‫تفاع‬
‫ل طارد للحرارة‬
Endothermic
‫تفاعل ماص للحرارة‬
36
Unit5: Reaction kinetics
Exercises
Q1) Look at the picture below and label it exothermic reaction
and endothermic reaction :
‫حدد التفاعل الطارد والتفاعل الماص للحرارة في الصورة التالية‬
a………………….
b.........................
a) Define an Exothermic reaction:
‫عرف التفاعل الطارد للحرارة‬
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
b) Define an Endothermic reaction:
‫عرف التفاعل الماص للحرارة‬
………………………………………………………………………………………
………………………………..………………………………………………………
c) Study the following reactions and answer the questions below,
-: ‫ادرس التفاعالت التالية ثم اجب على االسئلة‬
1)C (s) + O2(g)
CO2 (g)
∆H= -393.5 kj/mol
2) CS (s)
C (s) +
2S (s)
∆ H= +88kj / mol
Which one of these reactions represented Endothermic and which one
represented Exothermic reactions?
:‫أي التفاعالت تمثل تفاعل طارد للحرارة وأيهما يمثل تفاعل ماص للحرارة‬
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------37
Unit5: Reaction kinetics
Q2) Draw the energy level diagram for each reaction ?.
.‫إرسم مخططا بيانيا لتغيّرات الطاقة لكل تفاعل‬
38