KEMIJSKA KINETIKA: FAKTORJI, VRSTNI RED REAKCIJE IN APLIKACIJE - KEMIJA - 2026

V kemijske kinetike je študij reakcijskih stopenj. Izvedite eksperimentalne ali teoretične podatke o molekularnem mehanizmu z zakoni, izraženimi z matematičnimi enačbami. Mehanizmi so sestavljeni iz niza korakov, od katerih so nekateri hitri, nekateri pa počasni.

Najpočasnejši se imenuje korak določanja hitrosti. Zato je poznavanje vmesnih vrst in mehanizma delovanja tega koraka v kinetičnem smislu zelo pomembno. Ena od zgornjih predstavitev je domneva, da so reagenti zaprti v steklenico in da izdelki pri reagiranju uhajajo v zunanjo stran.

Končno proizvodi izstopajo iz ust plastenke brez nadaljnjih kinetičnih ovir. S tega vidika so steklenice različnih velikosti in dizajna. Vseeno pa imajo vsi en skupni element: ozek vrat, pokazatelj odločilnega koraka reakcije.

Kaj preučuje kemijska kinetika?

Eksperimentalno ta veja kemije proučuje variacije koncentracije, vpletene v kemijsko reakcijo, iz merjenja določene lastnosti.

Kemijska kinetika je veja kemije, zadolžena za preučevanje vseh informacij, ki jih lahko izpeljemo iz hitrosti reakcije. Njegovo ime vas vabi, da si predstavljate žepno uro, ki označuje čas procesa, ne glede na to, kje se zgodi: v reaktorju, oblaku, reki, človeškem telesu itd.

Vse kemijske reakcije in s tem vsa transformacija imajo termodinamični, ravnotežni in kinetični vidik. Termodinamika kaže, ali je reakcija spontana ali ne; uravnoteži stopnjo njegovega količinskega opredeljevanja; in kinetiko pogojev, ki favorizirajo njegovo hitrost, ter podatke o njegovem mehanizmu.

V vsakdanjem življenju je mogoče opaziti številne bistvene vidike kemijske kinetike: v hladilniku, ki zamrzne hrano, da zmanjša razgradnjo z zamrzovanjem vode, ki je del nje. Tudi pri zorenju vin, katerih staranje mu daje svoje prijetne okuse.

Vendar pa se "čas molekul" v svojih drobnih lestvicah zelo razlikuje in se močno razlikuje glede na številne dejavnike (število in vrste vezi, velikosti, stanja snovi itd.).

Ker je čas življenje in je tudi denar, je najpomembnejše vedeti, katere spremenljivke omogočajo čim hitrejšo kemično reakcijo. Vendar je včasih zaželeno ravno obratno: da reakcija poteka zelo počasi, še posebej, če je eksotermična in obstaja nevarnost eksplozije.

Kaj so te spremenljivke? Nekateri so fizični, na primer pri kakšnem tlaku ali temperaturi naj bi imel reaktor ali sistem; in druge so kemične, kot so vrsta topila, pH, slanost, molekularna struktura itd.

Preden najdemo te spremenljivke, moramo najprej preučiti kinetiko sedanje reakcije.

Kako? S spremembo koncentracije, ki jo lahko sledimo, če določimo določeno lastnost, ki je sorazmerna prvi. Skozi zgodovino so metode postale bolj izpopolnjene, kar omogoča natančnejše in natančnejše meritve ter z vedno krajšimi intervali.

Hitrost reakcije

Za določitev hitrosti kemične reakcije je treba vedeti, kako se koncentracija spreminja s časom katere koli od vpletenih vrst. Ta hitrost je v veliki meri odvisna od številnih dejavnikov, najpomembnejše pa je, da je merljiva za tiste reakcije, ki se odvijajo "počasi".

Tu je beseda "počasi" sorazmerna in je opredeljena za vse, kar je mogoče meriti z razpoložljivimi instrumentalnimi tehnikami. Če je na primer reakcija veliko hitrejša od merilne zmogljivosti opreme, potem ne bo kvantitativna in njene kinetike ni mogoče preučiti.

Nato se hitrost reakcije določi na pragu katerega koli postopka, preden doseže ravnovesje. Zakaj? Ker sta ravnotežja hitrost prednje reakcije (tvorba produkta) in obratne reakcije (tvorba reaktantov) enaka.

Z nadzorom spremenljivk, ki delujejo na sistem, in posledično njegove kinetike ali hitrosti reakcije, se lahko izberejo idealni pogoji, ki ustvarijo določeno količino izdelka v najbolj želenem in varnem času.

Po drugi strani pa to znanje razkriva molekulski mehanizem, ki je dragocen pri povečanju izkoristka reakcije.

Opredelitev

Hitrost je sprememba veličine kot funkcije vremena. Za te študije je zanimanje za določanje variacije koncentracije, ki mineva ure in minute; nano, pico ali celo femtosekunde (10 ^-15 s).

Lahko ima veliko enot, toda najpreprostejša in najpreprostejša od vseh je M · s ^-1 , ali kar je enako mol / L · s. Ne glede na njegove enote mora imeti vedno pozitivno vrednost, saj gre za fizikalno količino (kot so dimenzije ali masa).

Vendar pa po dogovoru stopnja izginotja reaktanta negativno vpliva, stopnja izginotja pa za izdelek pozitiven predznak.

Če pa imajo reaktanti in produkti svojo hitrost, kako potem določiti skupno hitrost reakcije? Odgovor je v stehiometričnih koeficientih.

Splošna enačba

Naslednja kemijska enačba izraža reakcijo A in B na tvorbo C in D:

a A + b B => c C + d D

Molarne koncentracije so ponavadi izražene v oglatih oklepajih, zato je na primer koncentracija vrst A zapisana kot. Tako je stopnja reakcije za vsako vpleteno kemično vrsto:

Po matematični enačbi obstajajo štiri poti, da dosežemo reakcijsko hitrost: izmerimo variacijo koncentracije katerega koli od reaktantov (A ali B) ali produktov (C ali D).

Nato z eno od teh vrednosti in njenim pravilnim stehiometričnim koeficientom delimo slednjo in tako dobimo hitrost reakcije rxn.

Ker je hitrost reakcije pozitivna količina, negativni znak pomnoži vrednosti negativnih hitrosti reaktantov; zato sta koeficienta a in b pomnožena s (-1).

Na primer, če je hitrost izginotja A - (5M / s) in je njen stehiometrični koeficient a 2, potem je hitrost rxn enaka 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Primer sladice

Če bi bil izdelek sladica, bi bile po analogiji sestavine reagenti; in kemijska enačba, recept:

7 piškotkov + 3 brskalnika + 1 sladoled => 1 sladica

In hitrosti vsake sladke sestavine in same sladice so:

Tako lahko hitrost, s katero se sladica pripravi, določimo z variacijo bodisi piškotov, ocvirkov, sladoleda ali samega nabora; nato ga razdelimo s svojimi stehiometričnimi koeficienti (7, 3, 1 in 1). Vendar je lahko ena od poti lažja kot druga.

Če na primer merite, kako se poveča v različnih časovnih intervalih, so te meritve lahko zapletene.

Po drugi strani pa je morda bolj priročno in praktično meriti zaradi njihovega števila ali nekaterih lastnosti, zaradi katerih je njihova koncentracija lažja za določitev kot pri rjavkah ali sladoledu.

Kako to določiti

Glede na preprosto reakcijo A => B, če A, na primer v vodni raztopini, pokaže zeleno obarvanost, je to odvisno od njegove koncentracije. Tako, ko A postane B, zelena barva izgine in če to izginotje določimo količinsko, lahko dobimo krivuljo vs t.

Po drugi strani pa je, če je B kisla vrsta, pH raztopine padel na vrednosti pod 7. Torej, od znižanja pH se graf proti t dobi zaporedno. Potem, ko obložimo oba grafa, lahko vidimo nekaj takega:

Graf prikazuje, kako se sčasoma zmanjšuje, ker se porabi, in kako se krivulja povečuje s pozitivnim naklonom, ker je izdelek.

Vidimo tudi, da se nagiba k nič (če ni ravnotežja) in da doseže največjo vrednost, ki jo ureja stehiometrija, in če je reakcija končana (porabi se vse A).

Hitrost reakcije A in B je tangenta na vsaki od teh krivulj; z drugimi besedami, izpeljanka.

Dejavniki, ki vplivajo na stopnjo reakcije

Narava kemičnih vrst

Če bi bile vse kemijske reakcije trenutne, njihove kinetične študije ne bi obstajale. Mnogi imajo hitrosti tako visoke, da jih ni mogoče izmeriti; torej niso merljivi.

Tako so reakcije med ioni običajno zelo hitre in popolne (s približno 100% donosom). Po drugi strani pa tiste, ki vključujejo organske spojine, zahtevajo nekaj časa. Reakcija prve vrste je:

H ₂ SO ₄ + 2NaOH => Na ₂ SO ₄ + 2H ₂ O

Močne elektrostatične interakcije med ioni ugodno tvorijo vodo in natrijev sulfat. Namesto tega je druga reakcija na primer esterifikacija ocetne kisline:

CH ₃ COOH + CH ₃ CH ₂ OH => CH ₃ COOCH ₂ CH ₃ + H ₂ O

Čeprav nastaja tudi voda, reakcija ni trenutna; tudi pod ugodnimi pogoji traja nekaj ur.

Druge spremenljivke pa bolj vplivajo na hitrost reakcije: koncentracija reaktantov, temperatura, tlak in prisotnost katalizatorjev.

Koncentracija reagenta

V kemijski kinetiki proučevani prostor, ločen od neskončnosti, imenujemo sistem. Na primer, reaktor, čaša, bučka, oblak, zvezda itd. Se lahko obravnavajo kot preiskovani sistem.

Tako molekule znotraj sistema niso statične, ampak "potujejo" v vse njegove vogale. V nekaterih od teh premikov trči z drugo molekulo, da se odbije nazaj ali ustvari izdelke.

Nato je število trkov sorazmerno s koncentracijo reaktantov. Zgornja slika ponazarja, kako se sistem spreminja iz nizkih v visoke koncentracije.

Prav tako je več kolizij, večja je hitrost reakcije, saj se povečujejo možnosti dveh molekul.

Če so reaktanti plinasti, potem se obdeluje tlačna spremenljivka in je povezana s koncentracijo plina, ki prevzame katero od številnih obstoječih enačb (na primer koncentracije idealnega plina); Ali se prostornina sistema zmanjša, da se poveča možnost, da plinske molekule trčijo.

Temperatura

Čeprav se število trkov poveča, nimajo vse molekule potrebne energije, da bi presegle aktivacijsko energijo postopka.

Tu igra temperatura pomembno vlogo: opravlja funkcijo termičnega pospeševanja molekul, tako da se trčijo z več energije.

Tako se reakcijska hitrost običajno podvoji za vsakih 10 ° C zvišanja sistemske temperature. Vendar za vse reakcije to ni vedno tako. Kako napovedati to povečanje? Arrenijeva enačba odgovori na vprašanje:

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

K je konstanta hitrosti pri temperaturi T, R je plinska konstanta in E je energija aktivacije. Ta energija kaže na energetsko oviro, ki jo morajo reaktanti meriti, da reagirajo.

Za izvedbo kinetične študije je treba vzdrževati stalno temperaturo in brez katalizatorjev. Kaj so katalizatorji? So zunanje vrste, ki sodelujejo v reakciji, vendar se ne porabijo in zmanjšujejo aktivacijsko energijo.

Zgornja slika ponazarja koncept katalize reakcije glukoze s kisikom. Rdeča črta predstavlja aktivacijsko energijo brez encima (biološki katalizator), medtem ko z njo modra črta kaže zmanjšanje aktivacijske energije.

Reakcijski vrstni red v kemijski kinetiki

V kemijski enačbi stehiometrični indeksi, povezani z reakcijskim mehanizmom, niso enaki indeksom vrstnega reda enakega. Kemične reakcije imajo navadno prvega ali drugega reda, redko tretjega ali višjega.

Kaj je to? Ker trki treh energijsko vzbujenih molekul niso verjetni, četrti ali štirioglati trki pa še toliko bolj, kjer je verjetnost neskončna. Možni so tudi ukazi frakcijske reakcije. Na primer:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCI

Reakcija je prvi vrstni red v eni smeri (od leve proti desni) in v drugem vrstnem redu v drugi (od desne proti levi), če velja za ravnotežje. Medtem ko je naslednje ravnovesje drugega reda v obe smeri:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Molekularnost in reakcija naročajo isto? Ne. Molekularnost je število molekul, ki reagirajo na proizvodnjo produktov, skupni reakcijski vrstni red pa je enak vrstnem redu reaktantov, ki sodelujejo v koraku določanja hitrosti.

2KMnO ₄ + 10KI + 8H ₂ SO ₄ => 2MnSO ₄ + 5I ₂ + 6K ₂ SO ₄ + 8H ₂ O

Ta reakcija je kljub visokim stehiometričnim indeksom (molekularnostjo) pravzaprav reakcija drugega reda. Z drugimi besedami, korak za določanje hitrosti je drugega reda.

Reakcije ničelnega reda

Pojavijo se v primeru heterogenih reakcij. Na primer: med tekočino in trdno snovjo. Tako je hitrost neodvisna od koncentracij reaktantov.

Če ima reaktant enak nič, to pomeni, da ne sodeluje v koraku določanja hitrosti, temveč v hitrem.

Reakcija prvega reda

A => B

Reakcijo prvega reda ureja naslednji zakon o stopnjah:

V = k

Če se koncentracija A podvoji, se reakcijska hitrost V podvoji. Zato je hitrost sorazmerna s koncentracijo reagenta v določevalnem koraku reakcije.

Reakcija drugega reda

2A => B

A + B => C

V tovrstno reakcijo sodelujeta dve vrsti, tako kot v pravkar napisanih dveh kemijskih enačbah. Zakoni hitrosti reakcij so:

V = k ²

V = k

V prvem je reakcijska hitrost sorazmerna s kvadratom koncentracije A, v drugem pa se zgodi isto kot pri reakcijah prvega reda: hitrost je neposredno sorazmerna s koncentracijama A in B.

Reakcijski vrstni red v primerjavi z molekularnostjo

Po prejšnjem primeru lahko stehiometrični koeficienti sovpadajo z zaporedji reakcije ali ne.

Vendar se to zgodi za elementarne reakcije, ki določajo molekularni mehanizem katerega koli koraka reakcije. V teh reakcijah so koeficienti enaki številu sodelujočih molekul.

Na primer, molekula A reagira z enim od B in tvori molekulo C. Tu je molekularna vrednost 1 za reaktante, zato se v izražanju hitrostnega zakona ujemajo z reakcijskimi redosledi.

Iz tega sledi, da mora biti molekularna vrednost vedno celo število, verjetno pa tudi manj kot štiri.

Zakaj? Ker je pri prehodu mehanizma zelo malo verjetno, da hkrati sodelujejo štiri molekule; dva sta lahko najprej reagirala, nato pa bi preostala dva reagirala s tem izdelkom.

Matematično je to ena glavnih razlik med zaporedji reakcij in molekularnostjo: reakcijski vrstni red lahko sprejme delne vrednosti (1/2, 5/2 itd.).

To je zato, ker prva odraža le, kako koncentracija vrst vpliva na hitrost, ne pa tudi, kako njihove molekule posegajo v postopek.

Prijave

- Omogoča določitev časa, ko zdravilo ostane v telesu, pred njegovo popolno presnovo. Zahvaljujoč kinetičnim raziskavam lahko encimski katalizi sledimo kot zelene metode v primerjavi z drugimi katalizatorji z negativnimi vplivi na okolje; ali pa tudi za uporabo v neštetih industrijskih postopkih.

- v avtomobilski industriji, zlasti v motorjih, kjer je treba hitro zagnati elektrokemične reakcije, da se vozilo zažene. Tudi v svojih izpušnih ceveh, ki imajo katalitične pretvornike za pretvorbo škodljivih plinov CO, NO in NO _x v CO ₂ , H ₂ O, N ₂ in O ₂ v optimalnem času.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

-Reakcija je, zakaj se zračne blazine napihnejo, "zračne blazine", ko se vozila trčijo. Ko pnevmatike močno zavirajo, detektor električno detonira natrijev azid, NaN ₃ . Ta reagent "eksplodira", pri čemer se sprosti N ₂ , ki hitro zasede celoten volumen vrečke.

Kovinski natrij nato reagira z drugimi sestavnimi deli, da ga nevtralizira, saj je v svojem čistem stanju strupen.

Reference

1. Walter J. Moore. (1963). Fizikalna kemija. V kemijski kinetiki. Četrta izdaja, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Načela fizikalne kemije. Šesta izdaja, str. 479–540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23. december 2011). Molekularni trki-je. . Pridobljeno 30. aprila 2018 z: es.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Učbenik fizikalne kemije. V kemijski kinetiki. Druga izdaja D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, dr. (8. marec 2017). Definicija kemijske kinetike. Pridobljeno 30. aprila 2018 z: thinkco.com
6. Akademija Khan. (2018). Reakcijske stopnje in zakoni o hitrostih. Pridobljeno 30. aprila 2018 z: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26. julij 2010). Kemijska kinetika. Pridobljeno 30. aprila 2018 z: quimicafisica.com