Dejavniki kemijske kinetike, reakcijski red, aplikacije

The kemična kinetika Gre za preučevanje hitrosti reakcije. Izsledi eksperimentalne ali teoretične podatke o molekularnem mehanizmu s pomočjo zakonov, izraženih z matematičnimi enačbami. Mehanizmi so sestavljeni iz vrste korakov, od katerih so nekateri hitri, drugi pa počasni.

Najpočasnejši se imenuje korak določanja hitrosti. Zato je poznavanje vmesne vrste in operantnega mehanizma tega koraka zelo pomembno v smislu kinetike. Vizualizacija zgoraj navedenega je, da se domneva, da so reagenti zaprti v steklenici in da pri reakciji proizvodi pobegnejo ven..

Nazadnje, proizvodi se brez dodatnega kinetičnega oviranja prosto razlivajo skozi usta steklenice. S tega vidika obstajajo steklenice različnih velikosti in modelov. Vendar imajo vsi skupen en element: ozek vrat, indikator odločilnega koraka reakcije.

Indeks

• 1 Kaj preučuje kemijska kinetika?
• 2 Hitrost reakcije
  • 2.1 Opredelitev
  • 2.2 Splošna enačba
  • 2.3 Primer sladice
  • 2.4 Kako ga določiti
• 3 Dejavniki, ki vplivajo na hitrost reakcije
  • 3.1 Narava kemičnih vrst
  • 3.2 Koncentracija reagentov
  • 3.3 Temperatura
• 4 Odziv reda v kemijski kinetiki
  • 4.1 Reakcije ničelnega reda
  • 4.2 Reakcija prvega reda
  • 4.3 Reakcija drugega reda
  • 4.4 Vrstni red reakcije proti molekularnosti
• 5 Aplikacije
• 6 Reference

Kaj študira kemijska kinetika?

Eksperimentalno, ta veja kemije preučuje spremembe koncentracij, ki so vključene v kemično reakcijo, od merjenja določene lastnosti.

Kemijska kinetika je veja kemije, ki je odgovorna za proučevanje vseh informacij, ki jih je mogoče izpeljati iz hitrosti reakcije. Njegovo ime vas vabi, da si zamislite žepno uro, ki označuje čas procesa, ne glede na to, kje se pojavi: v reaktorju, v oblaku, v reki, v človeškem telesu itd..

Vse kemijske reakcije, torej vse transformacije, imajo termodinamične, ravnotežne in kinetične vidike. Termodinamika kaže, ali je reakcija spontana ali ne; ravnotežje med stopnjo kvantifikacije; in kinetični pogoji, ki dajejo prednost njegovi hitrosti, in podatki o njenem mehanizmu.

V vsakdanjem življenju je mogoče opaziti številne bistvene vidike kemijske kinetike: v hladilniku, ki zamrzne hrano, da se zmanjša razgradnja z zamrzovanjem vode, ki je del njih. Tudi pri dozorevanju vin, katerih staranje jim daje svoje prijetne okuse.

Vendar pa je "čas molekul" v svojih majhnih lestvicah zelo različen in se močno spreminja glede na številne dejavnike (število in vrste povezav, velikosti, stanje snovi itd.).

Ker je čas življenje in je tudi denar, je zelo pomembno vedeti, katere spremenljivke omogočajo čim hitrejšo kemično reakcijo. Vendar pa je včasih zaželeno nasprotno: reakcija se pojavi zelo počasi, zlasti če je eksotermna in obstaja nevarnost eksplozije..

Kaj so te spremenljivke? Nekateri so fizični, na primer pod kakšnim tlakom ali temperaturo mora imeti reaktor ali sistem; in drugi so kemični, kot so vrsta topila, pH, slanost, molekularna struktura itd..

Vendar, preden se lotimo teh spremenljivk, moramo najprej preučiti kinetiko sedanje reakcije.

Kako? Skozi spremembo koncentracije, ki se lahko uporabi, če je določena lastnost kvantificirana, ki je sorazmerna s prvo. Skozi zgodovino so metode postale bolj sofisticirane, kar omogoča natančnejše in natančnejše meritve ter z vedno manjšimi intervali.

Hitrost reakcije

Da bi določili hitrost kemijske reakcije, je treba vedeti, kako se koncentracija spreminja v času katere koli vrste. Ta hitrost je v veliki meri odvisna od mnogih dejavnikov, vendar je najpomembnejše, da je merljiva za tiste reakcije, ki se dogajajo "počasi"..

Tu je beseda "počasi" relativna in je definirana za vse, kar je mogoče izmeriti z razpoložljivimi instrumentalnimi tehnikami. Če je na primer reakcija veliko hitrejša od merilne zmogljivosti opreme, potem to ne bo kvantitativno niti se ne bo proučevala njena kinetika..

Nato se hitrost reakcije določi na pragu katerega koli postopka, preden doseže ravnotežje. Zakaj? Ker je v ravnovesju hitrost neposredne reakcije (tvorba produktov) in hitrost reverzne reakcije (tvorba reaktantov) enaka.

Za nadzorovanje spremenljivk, ki delujejo na sistem, in posledično na njegovo kinetiko ali hitrost reakcije, se lahko izberejo idealni pogoji za ustvarjanje določene količine izdelka v najbolj zaželenem in varnem času..

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

Opredelitev

Hitrost je sprememba velikosti kot funkcija časa. Za te študije se zanimanje nanaša na določanje variacije koncentracije v urah, minutah; nano, vrh ali celo femtosekunde (10. \ t^-15s).

Lahko ima veliko enot, vendar je najpreprostejši in najlažji od vseh M · s^-1, ali kaj je enako mol / L · s. Ne glede na enote mora imeti vedno pozitivno vrednost, ker je fizikalna količina (kot so dimenzije ali masa)..

Po dogovoru imajo stopnje izginotja reagenta negativen predznak, stopnja videza izdelka pa pozitiven znak.

Toda če imajo reaktanti in izdelki lastne hitrosti, kako potem določiti hitrost celotne reakcije? Odgovor je v stehiometričnih koeficientih.

Splošna enačba

Naslednja kemijska enačba izraža reakcijo A in B v obliki C in D:

aA + bB => cC + dD

Molarne koncentracije so običajno izražene v oklepajih, tako da je na primer koncentracija vrste A zapisana kot [A]. Tako je stopnja reakcije za vsako od zadevnih kemijskih vrst:

Glede na matematično enačbo obstajajo štiri poti za dosego hitrosti reakcije: spreminjanje koncentracije katerega koli od reaktantov (A ali B) ali proizvodov (C ali D) se meri..

Nato se z eno od teh vrednosti in njenim pravilnim stehiometričnim koeficientom deli s slednjim in da bi dobili reakcijsko hitrost rxn.

Ker je hitrost reakcije pozitivna količina, negativni znak pomnoži negativne vrednosti hitrosti reaktantov; iz tega razloga koeficienti a in b pomnožite z (-1).

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

Primer sladice

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

7Piškotki + 3Pošlji + 1Salad => 1Postre

Hitrost vsake sladke sestavine in ista sladica sta:

Tako se lahko hitrost, s katero se pripravi sladica, določi s spremembo piškotkov, piškotov, sladoleda ali celotnega kompleta; delimo ga med njenimi stehiometričnimi koeficienti (7, 3, 1 in 1). Vendar pa je lahko ena od poti lažja od druge.

Na primer, če merite, kako se [sladica] povečuje v različnih časovnih intervalih, so lahko te meritve zapletene.

Po drugi strani pa je lahko primernejše in bolj praktično meriti [piškotke] zaradi njihovega števila ali nekaterih njihovih lastnosti, zaradi katerih je lažje ugotoviti njihovo koncentracijo kot piškote ali sladoleda..

Kako jo določiti

Glede na preprosto reakcijo A => B, če ima A, na primer v vodni raztopini, zeleno obarvanje, je to odvisno od njegove koncentracije. Tako, ko A postane B, zelena barva izgine, in če je to izginotje kvantificirano, lahko dobimo krivuljo [A] vs t..

Po drugi strani, če je B kisla vrsta, bo pH raztopine padel na vrednosti pod 7. Tako se iz zmanjšanja pH dobimo [B] in zaporedoma graf [B] proti t. Ocenjeno je prekrivanje obeh grafov, kot je naslednje:

V grafu lahko vidite, kako se [A] zmanjšuje s časom, ker je porabljen in kako se krivulja [B] povečuje s pozitivnim nagibom, ker je proizvod.

Prav tako kaže, da se [A] nagiba k ničli (če ni ravnovesja) in da [B] doseže največjo vrednost, ki jo določa stehiometrija, in če je reakcija končana (vse A se porabi).

Hitrost reakcije obeh A in B je tangenta na kateri koli od teh krivulj; z drugimi besedami, izvedenka.

Dejavniki, ki vplivajo na hitrost reakcije

Narava kemičnih vrst

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

Tako so reakcije med ioni običajno zelo hitre in popolne (z donosom okoli 100%). Po drugi strani pa tisti, ki vključujejo organske spojine, zahtevajo nekaj časa. Prva vrsta reakcije je:

H₂SO₄ + 2NaOH => Na₂SO₄ + 2H₂O

Močne elektrostatične interakcije med ioni spodbujajo hitro tvorbo vode in natrijevega sulfata. Nasprotno pa je reakcija druge vrste, na primer, esterifikacija ocetne kisline:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Čeprav nastaja tudi voda, reakcija ni trenutna; tudi pod ugodnimi pogoji lahko poteče več ur.

Druge spremenljivke imajo večji vpliv na hitrost reakcije: koncentracija reaktantov, temperatura, tlak in prisotnost katalizatorjev..

Koncentracija reagentov

V kemijski kinetiki se proučevani prostor, ločen od neskončnega, imenuje sistem. Reaktor, čaša, bučka, oblak, zvezda itd. Se lahko na primer obravnavajo kot sistem, ki ga proučujemo.

Tako v sistemu molekule niso statične, ampak "potujejo" v vse vogale. V nekaterih od teh premikov trči z drugo molekulo, da odbijajo ali izvirajo izdelki.

Nato je število trkov sorazmerno koncentraciji reaktantov. Zgornja slika prikazuje, kako se sistem spreminja iz nizkih v visoke koncentracije.

Tudi, dokler obstaja več trkov, bo hitrost reakcije višja, saj se možnosti reakcije dveh molekul povečajo.

Če so reaktanti plinasti, potem se spremenljivi tlak obravnava in se nanaša na koncentracijo plina ob predpostavki katere koli od številnih obstoječih enačb (kot je idealen plin); ali pa se zmanjša tudi prostornina sistema, da se poveča verjetnost trčenja plinskih molekul.

Temperatura

Čeprav se število trkov poveča, vse molekule nimajo energije, potrebne za premagovanje aktivacijske energije procesa.

Tu igra pomembno vlogo temperatura: izpolnjuje funkcijo termičnega pospeševanja molekul, tako da trčijo z večjo energijo..

Tako se na splošno reakcijska hitrost podvoji za vsakih 10 ° C povišanja temperature sistema. Vendar za vse reakcije ni vedno tako. Kako napovedati to povečanje? Arrheniusova enačba odgovarja na vprašanje:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K je konstanta hitrosti pri temperaturi T, R je konstanta plinov in E aktivacijska energija. Ta energija kaže na energetsko oviro, ki jo morajo reagenti prilagoditi.

Za izvedbo kinetične študije je potrebno ohraniti konstantno temperaturo in brez katalizatorjev. Kateri katalizatorji so? So zunanja vrsta, ki posega v reakcijo, vendar se ne porabi in zmanjšuje aktivacijsko energijo.

Koncept katalize za reakcijo glukoze s kisikom je prikazan na zgornji sliki. Rdeča črta predstavlja energijo aktiviranja brez encima (biološki katalizator), pri čemer modra črta kaže zmanjšanje aktivacijske energije..

Odziv reda v kemijski kinetiki

V kemijski enačbi stehiometrični indeksi, povezani z mehanizmom reakcije, niso enaki indeksom reda istega. Kemijske reakcije imajo običajno prvi ali drugi red, redko tretji ali več.

Zakaj? Da so trki treh energetsko vzbujenih molekul malo verjetni, še bolj pa so štirikratni ali petkratni trki, kjer je verjetnost neskončno majhna. Možni so tudi frakcijski reakcijski ukazi. Na primer:

NH₄Cl <=>NH₃ + HCl

Reakcija je prvi vrstni red v eno smer (od leve proti desni) in drugi vrstni red v drugi (desno na levo), če se šteje, da je bilanca. Medtem ko je naslednje stanje drugega reda v obeh smereh:

2HI <=> H₂ + I₂

Molekularnost in reakcijski red sta enaka? Ne. Molekularnost je število molekul, ki reagirajo, da povzročijo produkte, in vrstni red globalne reakcije je enak vrstni red reagentov, ki sodelujejo v koraku, ki določa hitrost..

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂SO₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂SO₄ + 8H₂O

Ta reakcija, kljub visokim stehiometričnim indeksom (molekularnosti), je dejansko reakcija drugega reda. Z drugimi besedami, odločilni korak hitrosti je drugi vrstni red.

Reakcije z ničelnim naročilom

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

Podobno, če reagent ima reakcijski red nič, to pomeni, da ne sodeluje pri določanju hitrosti, ampak v hitrih korakih..

Reakcija prvega reda

A => B

Reakcijo prvega reda ureja naslednji zakon o hitrosti:

V = k [A]

Če se koncentracija A podvoji, to doseže tudi hitrost reakcije V. Zato je hitrost sorazmerna koncentraciji reagenta v koraku, ki določa reakcijo.

Reakcija drugega reda

2A => B

A + B => C

Pri tej vrsti reakcije posredujeta dve vrsti, kot v pravkar zapisani kemijski enačbi. Zakoni hitrosti za reakcije so:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

V prvem je hitrost reakcije sorazmerna s kvadratom koncentracije A, v drugem pa se enako kot pri reakcijah prvega reda: hitrost je neposredno sorazmerna koncentracijam obeh A in B..

Naredba reakcije vs molekularnost

V skladu s prejšnjim primerom lahko stehiometrični koeficienti sovpadajo z ukazi reakcije ali pa tudi ne.

Vendar pa se to dogaja 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, da tvori molekulo C. Tu je molekularnost 1 za reaktante in nato v izrazu zakona hitrosti sovpadata z reakcijskimi ukazi..

Iz tega sledi, da mora biti molekularnost vedno celo število in verjetnostno manj kot štiri.

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

Matematično je to ena od glavnih razlik med reakcijskimi vrstami in molekularnostjo: reakcijski vrstni red ima lahko delne vrednosti (1/2, 5/2 itd.).

To je zato, ker prvi odraža samo to, kako koncentracija vrste vpliva na hitrost, ne pa na to, kako njihove molekule posežejo v proces.

Aplikacije

- Omogoča določitev časa, ko zdravilo ostane v organizmu pred njegovo popolno presnovo. Zaradi kinetičnih študij lahko enzimsko katalizo sledimo kot zelene metode proti drugim katalizatorjem z negativnimi vplivi na okolje; ali pa se uporablja tudi v neštetih industrijskih procesih.

- V avtomobilski industriji, zlasti v motorjih, kjer je treba elektrokemične reakcije izvesti hitro, da se vozilo lahko začne. Tudi v izpušnih ceveh, ki imajo katalizatorje za pretvorbo škodljivih plinov CO, NO in NO_x v CO₂, H₂O, N₂ in O₂ v optimalnem času.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(g)

-Reakcija je, zakaj so zračne blazine napihnjene, ko vozila trčijo. Ko se pnevmatike naglo zavrejo, detektor električno detonira natrijev azid, NaN₃. Ta reagent "eksplodira" in sprošča N₂, ki hitro zasede celoten volumen vreče.

Kovinski natrij nato reagira z drugimi sestavinami, da ga nevtralizira, ker je v čistem stanju strupen.

Reference

1. Walter J. Moore. (1963). Fizikalna kemija V Kemijska kinetika. Četrta izdaja, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Načela fizikalne kemije. Šesta izdaja, stran 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki (23. december 2011). Molekularne-kolizije-sl [Figua] Pridobljeno 30. aprila 2018 od: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Učbenik fizikalne kemije. V Kemijska kinetika. Druga izdaja. D. Van Nostrand, Company, Inc..
5. Anne Marie Helmenstine, dr. (8. marec 2017). Definicija kemijske kinetike. Vzpostavljeno 30. aprila 2018, iz: thoughtco.com
6. Khan Akademija. (2018). Zakoni o stopnji in stopnji reakcij. Pridobljeno 30. aprila 2018, od: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26. julij 2010). Kemijska kinetika Vzpostavljeno 30. aprila 2018, iz: quimicafisica.com