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Chemical
Kinetics
Chapter 14Chemical Kinetics
John D. Bookstaver
St. Charles Community College
St. Peters, MO
2006, Prentice Hall, Inc.
Modified by S.A. Green, 2006
Chemistry, The Central Science, 10th edition
Theodore L. Brown; H. Eugene LeMay, Jr.;and Bruce E. Bursten
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Chemical
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Kinetics
Studies the rate at which a chemicalprocess occurs.
Besides information about the speed atwhich reactions occur, kinetics alsosheds light on the reaction mechanism(exactly how the reaction occurs).
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Chemical
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Outline: Kinetics
Reaction Rates
How we measure rates.
Rate Laws
How the rate depends on amountsof reactants.
Reaction Mechanism
The various reactions that thesubstances go through to reachfinal products.
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Factors That Affect Reaction Rates
Concentration of Reactants
As the concentration of reactants increases, so does thelikelihood that reactant molecules will collide, thus rateincreases
Temperature
At higher temperatures, reactant molecules have more kineticenergy, move faster, and collide more often and with greaterenergy – faster Rx
Catalysts
Speed up rxn by changingthe reaction mechanism.
14_02
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Reaction Rates
Rates of reactions can be determined bymonitoring the change in concentration ofeither reactants or products as a function oftime.  [A] vs t
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Chemical
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Reaction Rates
In this reaction, theconcentration ofbutyl chloride,C4H9Cl, wasmeasured at varioustimes, t.
C4H9Cl(aq) + H2O(l)  C4H9OH(aq) + HCl(aq)
14_T01b
[C4H9Cl] M
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14_T01a
Reaction Rates
The average rate ofthe reaction overeach interval is thechange inconcentration dividedby the change in time:
C4H9Cl(aq) + H2O(l)  C4H9OH(aq) + HCl(aq)
Average Rate, M/s

image-89.tiff                                                  0030CE35magic_metal                    B74677AA:

image-91.tiff                                                  0030CE35magic_metal                    B74677AA:
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Chemical
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Reaction Rates
Note that the averagerate decreases as thereaction proceeds.
This is because as thereaction goes forward,there are fewercollisions betweenreactant molecules.
C4H9Cl(aq) + H2O(l)  C4H9OH(aq) + HCl(aq)
14_T01a
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14_04
Reaction Rates
A plot of concentrationvs. time for this reactionyields a curve like this.
The slope of a linetangent to the curve atany point is theinstantaneous rate atthat time.
C4H9Cl(aq) + H2O(l)  C4H9OH(aq) + HCl(aq)

image-92.tiff                                                  0030CE35magic_metal                    B74677AA:
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Chemical
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14_04
Reaction Rates
The reaction slowsdown with time becausethe concentration of thereactants decreases.
C4H9Cl(aq) + H2O(l)  C4H9OH(aq) + HCl(aq)

image-92.tiff                                                  0030CE35magic_metal                    B74677AA:
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14_04
Reaction Rates and Stoichiometry
In this reaction, the ratioof C4H9Cl to C4H9OH is1:1.
Thus, the rate ofdisappearance ofC4H9Cl is the same asthe rate of appearanceof C4H9OH.
C4H9Cl(aq) + H2O(l)  C4H9OH(aq) + HCl(aq)
Rate =
-[C4H9Cl]
t
=
[C4H9OH]
t
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Reaction Rates and Stoichiometry
What if the ratio is not 1:1?
H2(g) + I2(g  2 HI(g)
 2 HI are made for each H2 used.
HI will be produced twice as fast as H2 disappears
HI will be produced twice as fast as I2 disappears
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Reaction Rates and Stoichiometry
To generalize, for the reaction
aA + bB
cC + dD

image-96.tiff                                                  0030CE35magic_metal                    B74677AA:
Reactants (decrease)
Products (increase)
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Concentration and Rate
According to the law of mass action, therate of a chemical reaction depends onthe concentrations of the chemicals thatinfluence the rate
Each reaction has its own equation thatgives its rate as a function of reactantconcentrations.
this is called its Rate Law
To determine the rate law we measure the rateat different starting concentrations.
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Chemical
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Concentration and Rate
Compare Experiments 1 and 2:when [NH4+doubles, the initial rate doubles.
14_T02a
image-100.tiff                                                 0030DB78magic_metal                    B74677AA:
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Chemical
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Concentration and Rate
Likewise, compare Experiments 5 and 6:when [NO2-] doubles, the initial rate doubles.
14_T02a
image-100.tiff                                                 0030DB78magic_metal                    B74677AA:
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Chemical
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Concentration and Rate
This equation is called the rate law,and k is the rate constant.
image-100.tiff                                                 0030DB78magic_metal                    B74677AA:
image-101.tiff                                                 0030DB78magic_metal                    B74677AA:
image-102.tiff                                                 0030DB78magic_metal                    B74677AA:
image-103.tiff                                                 0030DB78magic_metal                    B74677AA:
image-104.tiff                                                 0030DB78magic_metal                    B74677AA:
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Chemical
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Rate Laws
A rate law shows the relationship between the reactionrate and the concentrations of reactants.
k is a constant that has a specific value for each reaction.
The value of k is determined experimentally.
“Constant” is relative here-
k is unique for each rxn
k changes with T
image-105.tiff                                                 0030DB78magic_metal                    B74677AA:
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Chemical
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Rate Laws
Exponents tell the order of the reaction withrespect to each reactant.
This reaction is
First-order in [NH4+]
First-order in [NO2]
The overall reaction order can be found byadding the exponents on the reactants in therate law.
This reaction is second-order overall.
image-106.tiff                                                 0030DB78magic_metal                    B74677AA:
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Chemical
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Temperature and Rate
Generally, as temperatureincreases, so does thereaction rate.
This is because k istemperature dependent.
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Chemical
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The Collision Model
In a chemical reaction, bonds arebroken and new bonds are formed.
Molecules can only react if they collidewith each other.
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Chemical
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The Collision Model
Furthermore, molecules must collide with thecorrect orientation and with enough energy tocause bond breakage and formation.
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Chemical
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Activation Energy
In other words, there is a minimum amount of energyrequired for reaction:  the activation energyEa.
Just as a ball cannot get over a hill if it does not rollup the hill with enough energy, a reaction cannotoccur unless the molecules possess sufficient energyto get over the activation energy barrier.
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Chemical
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Reaction Coordinate Diagrams
It is helpful tovisualize energychangesthroughout aprocess on areaction coordinatediagram like thisone for therearrangement ofmethyl isonitrile.
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Chemical
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Reaction Coordinate Diagrams
It shows the energy ofthe reactants andproducts (and,therefore, E).
The high point on thediagram is the transitionstate.
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The species present at the transition state iscalled the activated complex.
The energy gap between the reactants and theactivated complex is the activation energybarrier.
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Chemical
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MaxwellBoltzmann Distributions
Temperature isdefined as ameasure of theaverage kineticenergy of themolecules in asample.
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At any temperature there is a widedistribution of kinetic energies.
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Chemical
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MaxwellBoltzmann Distributions
As the temperatureincreases, the curveflattens andbroadens.
Thus at highertemperatures, alarger population ofmolecules hashigher energy.
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Chemical
Kinetics
MaxwellBoltzmann Distributions
If the dotted line represents the activationenergy, as the temperature increases, so doesthe fraction of molecules that can overcomethe activation energy barrier.
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As a result, thereaction rateincreases.
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Chemical
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Reaction Mechanisms
The sequence of events that describesthe actual process by which reactantsbecome products is called the reactionmechanism.
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Chemical
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Reaction Mechanisms
Reactions may occur all at once orthrough several discrete steps.
Each of these processes is known as anelementary reaction or elementaryprocess.
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Reaction Mechanisms
The molecularity of a process tells how manymolecules are involved in the process.
The rate law for an elementary step is writtendirectly from that step.
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Chemical
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Multistep Mechanisms
In a multistep process, one of the steps willbe slower than all others.
The overall reaction cannot occur faster thanthis slowest, rate-determining step.
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Chemical
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Slow Initial Step
The rate law for this reaction is foundexperimentally to be
Rate = k [NO2]2
CO is necessary for this reaction to occur, but therate of the reaction does not depend on itsconcentration.
This suggests the reaction occurs in two steps.
NO2 (g) + CO (g)  NO (g) + CO2 (g)
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Chemical
Kinetics
Slow Initial Step
A proposed mechanism for this reaction is
Step 1:  NO2 + NO2  NO3 + NO   (slow)
Step 2:  NO3 + CO   NO2 + CO2  (fast)
The NO3 intermediate is consumed in the second step.
As CO is not involved in the slow, rate-determining step, it doesnot appear in the rate law.
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Chemical
Kinetics
Catalysts
Catalysts increase the rate of a reaction bydecreasing the activation energy of thereaction.
Catalysts change the mechanism by whichthe process occurs.
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Chemical
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Catalysts
One way acatalyst canspeed up areaction is byholding thereactants togetherand helping bondsto break.
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Chemical
Kinetics
Enzymes
Enzymes arecatalysts inbiological systems.
The substrate fitsinto the active site ofthe enzyme muchlike a key fits into alock.
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