KEMIJSKA KINETIKA: FAKTORI, REDOSLIJED REAKCIJE I PRIMJENE - KEMIJA - 2026

U kemijska kinetika je proučavanje reakcija stope. Izvedite eksperimentalne ili teorijske podatke o molekularnom mehanizmu pomoću zakona izraženih matematičkim jednadžbama. Mehanizmi se sastoje od niza koraka, od kojih su neki brzi, a neki spori.

Najsporiji od njih naziva se korak određivanja brzine. Stoga je poznavanje međupredmetnih vrsta i mehanizam rada ovog koraka vrlo važno u kinetičkom pogledu. Jedna vizualizacija gore navedenog jest pretpostaviti da su reagensi zatvoreni u bocu i da proizvodi, kada reagiraju, bježe prema van.

Napokon, proizvodi slobodno izlaze iz usta boce bez daljnjih kinetičkih prepreka. Iz ove perspektive, postoje boce različitih veličina i dizajna. Međutim, svi imaju jedan zajednički element: uski vrat, pokazatelj odlučujućeg koraka reakcije.

Što proučava kemijska kinetika?

Eksperimentalno, ova grana kemije proučava varijacije koncentracije koje su uključene u kemijsku reakciju na temelju mjerenja određenog svojstva.

Kemijska kinetika je grana kemije zadužena za proučavanje svih informacija koje se mogu izvesti iz brzine reakcije. Njegovo ime poziva vas da zamislite džepni sat koji označava vrijeme procesa, bez obzira gdje se događa: u reaktoru, oblaku, rijeci, ljudskom tijelu itd.

Sve kemijske reakcije, a time i transformacija, imaju termodinamički, ravnotežni i kinetički aspekt. Termodinamika označava je li reakcija spontana ili ne; izbalansirati njegov stupanj kvantifikacije; i kinetizira uvjete koji pogoduju njegovoj brzini te podatke o njegovom mehanizmu.

Mnogi svakodnevni aspekti kemijske kinetike mogu se primijetiti u svakodnevnom životu: u hladnjaku koji zamrzava hranu kako bi umanjio njezino raspadanje smrzavanjem vode koja je u njoj. Također, u sazrijevanju vina, čije starenje daje mu ugodne okuse.

Međutim, "vrijeme molekula" u svojim je sitnim ljestvicama vrlo različito i jako se razlikuje ovisno o mnogim čimbenicima (broj i vrsta veza, veličina, stanja materije itd.).

Jer vrijeme je život, a ujedno je i novac, najvažnije je znati koje varijable dopuštaju da se kemijska reakcija odvija što je brže moguće. Međutim, ponekad se želi suprotno: da se reakcija odvija vrlo sporo, posebno ako je egzotermna i ako postoji opasnost od eksplozije.

Koje su ove varijable? Neke su fizičke, poput tlaka ili temperature reaktora ili sustava; i druge su kemijske, poput vrste otapala, pH, slanosti, molekularne strukture itd.

No, prije nego što pronađemo ove varijable, prvo moramo proučiti kinetiku ove reakcije.

Kako? Kroz varijaciju koncentracije koja se može pratiti ako se kvantificira određeno svojstvo, proporcionalno prvom. Kroz povijest su metode postale sofisticiranije, omogućujući preciznija i preciznija mjerenja i sa sve kraćim intervalima.

Brzina reakcije

Da bi se utvrdila brzina kemijske reakcije, potrebno je znati kako koncentracija varira s vremenom bilo koje od uključenih vrsta. Ta brzina uvelike ovisi o mnogim čimbenicima, ali najvažnije je to što je mjerljiva za one reakcije koje se odvijaju "polako".

Ovdje je riječ "polako" relativna i definirana je za sve što se može mjeriti dostupnim instrumentalnim tehnikama. Ako je, na primjer, reakcija mnogo brža od mjernog kapaciteta opreme, tada neće biti kvantitativna i njezinu kinetiku nije moguće proučiti.

Zatim se brzina reakcije određuje na pragu bilo kojeg procesa prije nego što se postigne ravnoteža. Zašto? Jer je u ravnoteži brzina naprijed reakcije (nastajanje produkta) i reverzne reakcije (nastajanje reaktanata) jednaka.

Kontrolom varijabli koje djeluju na sustav, a samim tim i njegove kinetike ili brzine reakcije, mogu se izabrati idealni uvjeti za generiranje određene količine proizvoda u najpoželjnijem i sigurnijem vremenu.

S druge strane, ovo znanje otkriva molekulski mehanizam, koji je dragocjen kod povećanja prinosa reakcije.

Definicija

Brzina je promjena veličine kao funkcija vremena. Za ove studije interes je utvrđivanje varijacije koncentracije kako sati i minuta prolaze; nano, pico, ili čak femtosekunde (10 ^-15 s).

Može imati mnogo jedinica, ali najjednostavniji i najlakši od svih je M · s ^-1, ili ono što je jednako mol / L · s. Bez obzira na njegove jedinice, uvijek bi trebao imati pozitivnu vrijednost, jer je to fizička količina (poput dimenzija ili mase).

Međutim, prema dogovoru, stope nestajanja reaktanata imaju negativan predznak, a one pojave proizvoda imaju pozitivan predznak.

Ali ako reaktanti i proizvodi imaju svoje brzine, kako onda odrediti ukupnu brzinu reakcije? Odgovor je u stehiometrijskim koeficijentima.

Opća jednadžba

Sljedeća kemijska jednadžba izražava reakciju A i B na C i D:

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

Molarne koncentracije obično se izražavaju u uglatim zagradama, pa je, na primjer, koncentracija vrsta A zapisana kao. Dakle, brzina reakcije za svaku od uključenih kemijskih vrsta je:

Prema matematičkoj jednadžbi postoje četiri načina postizanja brzine reakcije: mjeri se odstupanje koncentracije bilo kojeg reaktanata (A ili B) ili proizvoda (C ili D).

Zatim se s jednom od tih vrijednosti i njenim ispravnim stehiometrijskim koeficijentom podijeli na potonju i tako se dobije brzina reakcije rxn.

Kako je brzina reakcije pozitivna količina, negativni znak umnožava vrijednosti negativne brzine reaktanata; Iz tog razloga se koeficijenti a i b množe sa (-1).

Na primjer, ako je brzina nestanka A jednaka (5M / s), a njen stehiometrijski koeficijent a je 2, tada je brzina rxn jednaka 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Primjer deserta

Ako bi proizvod bio desert, sastojci po analogiji bili bi reagensi; i kemijska jednadžba, recept:

7 kolačića + 3 Brownies + 1 sladoled => 1 desert

A brzina svakog od slatkih sastojaka, kao i sama slastica, su:

Dakle, brzina kojom se pravi desert može se odrediti varijacijom bilo kolača, kolača, sladoleda, bilo samog skupa; a zatim ga podijeli sa svojim stehiometrijskim koeficijentima (7, 3, 1 i 1). Međutim, jedan od ruta može biti lakši od drugog.

Na primjer, ako izmjerite kako se povećava u različitim vremenskim intervalima, ta mjerenja mogu biti komplicirana.

S druge strane, možda će biti prikladnije i praktičnije izmjeriti, zbog broja ili nekih svojstava koja njihovu koncentraciju lakše određuju nego koncentraciju kolača ili sladoleda.

Kako to odrediti

S obzirom na jednostavnu reakciju A => B, ako A, na primjer, u vodenoj otopini, pokaže zelenu boju, to ovisi o njegovoj koncentraciji. Dakle, kako A postaje B, zelena boja nestaje, a ako je taj nestanak kvantificiran, tada se može dobiti vs t krivulja.

S druge strane, ako je B kisela vrsta, pH otopine će pasti na vrijednosti ispod 7. Dakle, od smanjenja pH, grafikon vs t dobiva se uzastopno. Zatim prekrivajući oba grafa možemo vidjeti nešto poput sljedećeg:

Grafikon pokazuje kako se s vremenom smanjuje, jer se troši i kako se krivulja povećava pozitivnim nagibom, jer je proizvod.

Također se podrazumijeva da ima tendenciju do nule (ako nema ravnoteže) i da dostiže maksimalnu vrijednost upravljanu stehiometrijom i ako je reakcija potpuna (sve A se troši).

Brzina reakcije i A i B je tangencijska linija na bilo kojoj od ovih krivulja; drugim riječima, izvedenica.

Čimbenici koji utječu na brzinu reakcije

Priroda kemijskih vrsta

Da su sve kemijske reakcije bile trenutne, njihova kinetička ispitivanja ne bi postojala. Mnogi imaju brzinu tako visoku da se ne mogu mjeriti; to jest, nisu mjerljivi.

Stoga su reakcije između iona obično vrlo brze i potpune (s prinosom oko 100%). S druge strane, onima koji uključuju organske spojeve potrebno je neko vrijeme. Prva vrsta reakcije je:

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

Jake elektrostatičke interakcije između iona pogoduju brzom stvaranju vode i natrijevog sulfata. Umjesto toga, reakcija drugog tipa je, na primjer, esterifikacija octene kiseline:

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

Iako se također formira voda, reakcija nije trenutna; čak i pod povoljnim uvjetima potrebno je nekoliko sati.

Međutim, ostale varijable imaju veći utjecaj na brzinu reakcije: koncentraciju reaktanata, temperaturu, tlak i prisutnost katalizatora.

Koncentracija reagensa

U kemijskoj kinetiki proučavani prostor, odvojen od beskonačnosti, naziva se sustavom. Na primjer, reaktor, čaša, tikvica, oblak, zvijezda itd. Mogu se smatrati proučavajućim sustavom.

Dakle, molekule unutar sustava nisu statične, već "putuju" u sve njegove uglove. U nekim se tim pomacima sudara s drugom molekulom kako bi odbio natrag ili proizveo proizvode.

Tada je broj sudara proporcionalan koncentraciji reaktanata. Slika iznad ilustrira kako se sustav mijenja iz niske u visoku koncentraciju.

Također, što je više sudara to je veća brzina reakcije jer se povećavaju šanse da dvije molekule reagiraju.

Ako su reaktanti plinoviti, tada se obrađuje varijabla tlaka i ona se odnosi na koncentraciju plina koja pretpostavlja bilo koju od mnogih postojećih jednadžbi (poput one idealnog plina); Ili se smanjuje volumen sustava kako bi se povećala vjerojatnost da se plinovite molekule sudaraju.

Temperatura

Iako se broj sudara povećava, nemaju sve molekule potrebnu energiju da premaši aktivacijsku energiju procesa.

Tu igra važnu ulogu temperatura: ona obavlja funkciju termičkog ubrzavanja molekula tako da se sudaraju s više energije.

Stoga se brzina reakcije obično udvostručuje za svako povećanje temperature sustava od 10 ° C. Međutim, za sve reakcije to nije uvijek slučaj. Kako predvidjeti ovo povećanje? Arrenijeva jednadžba odgovara na pitanje:

d (lnK) / dT = E / (RT ²)

K je konstanta brzine pri temperaturi T, R je konstanta brzine plina i E je energija aktivacije. Ta energija ukazuje na energetsku barijeru koju reaktanti moraju skalirati kako bi reagirali.

Za provođenje kinetičke studije potrebno je održavati temperaturu konstantnom i bez katalizatora. Što su katalizatori? Oni su vanjske vrste koje sudjeluju u reakciji, ali se ne konzumiraju i smanjuju aktivacijsku energiju.

Gornja slika ilustrira koncept katalize reakcije glukoze s kisikom. Crvena linija predstavlja aktivacijsku energiju bez enzima (biološki katalizator), dok s njom plava linija pokazuje smanjenje aktivacijske energije.

Redoslijed reakcije u kemijskoj kinetiki

U kemijskoj jednadžbi stehiometrijski indeksi, povezani s reakcijskim mehanizmom, nisu jednaki indeksima reda istog. Kemijske reakcije obično imaju prvog ili drugog reda, rijetko trećeg ili višeg reda.

Jer što je ovo? Budući da su sudari triju energetski pobuđenih molekula malo vjerojatni, a još više četverostručni ili četverostruki sudari, gdje je vjerojatnost neograničena. Mogući su i redovni redoslijedi reakcija. Na primjer:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

Reakcija je prvog reda u jednom smjeru (s lijeva na desno) i drugog reda u drugom (s desna na lijevo) ako se smatra ravnotežom. Dok je sljedeća ravnoteža drugog reda u oba smjera:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Molekularnost i reakcija su isti? Ne. Molekularnost je broj molekula koje reagiraju na proizvodnju proizvoda, a sveukupni redoslijed reakcija je isti redoslijed reaktanata koji su uključeni u korak određivanja brzine.

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

Ova reakcija, iako ima visoke stehiometrijske indekse (molekularnost), zapravo je reakcija drugog reda. Drugim riječima, korak određivanja brzine je drugog reda.

Reakcije nula reda

Javljaju se u slučaju heterogenih reakcija. Na primjer: između tekućine i krute tvari. Stoga brzina nije ovisna o koncentracijama reaktanata.

Isto tako, ako reaktant ima nulti redoslijed reakcije, to znači da ne sudjeluje u koraku utvrđivanja brzine, nego u brzom.

Reakcija prvog reda

A => B

Reakcija prvog reda regulirana je sljedećim zakonom o stopi:

V = k

Ako se koncentracija A udvostruči, brzina reakcije V se udvostručuje. Stoga je brzina proporcionalna koncentraciji reagensa u odlučujućem koraku reakcije.

Reakcija drugog reda

2A => B

A + B => C

Dvije vrste su uključene u ovu vrstu reakcije, baš kao i u dvije napisane kemijske jednadžbe. Zakoni brzine reakcija su:

V = k ²

V = k

U prvom je brzina reakcije proporcionalna kvadraturi koncentracije A, dok se u drugom događa isto kao i u reakcijama prvog reda: brzina je izravno proporcionalna koncentracijama i A i B.

Redoslijed reakcije vs molekularnost

Prema prethodnom primjeru, stehiometrijski koeficijenti mogu se podudarati s redoslijedima reakcija ili ne moraju.

Međutim, to se događa za elementarne reakcije, koje određuju molekularni mehanizam bilo kojeg koraka reakcije. U tim reakcijama koeficijenti su jednaki broju molekula koje sudjeluju.

Na primjer, molekula A reagira s jednim od B da tvori molekulu C. Ovdje je molekularnost 1 za reaktante, te se prema tome u izrazu zakona brzine podudaraju s reakcijskim redoslijedima.

Iz toga proizlazi da molekularnost mora uvijek biti cijeli, a vjerojatno i manje od četiri.

Zašto? Jer u prolazu mehanizma vrlo je vjerojatno da istovremeno sudjeluju četiri molekule; prvo su njih dvoje mogli reagirati, a zatim su preostala dva reagirala s ovim proizvodom.

Matematički je to jedna od glavnih razlika između reakcijskih redoslijeda i molekularnosti: reakcijski redoslijed može uzeti frakcijske vrijednosti (1/2, 5/2, itd.).

To je zato što prva odražava samo kako koncentracija vrsta utječe na brzinu, ali ne i kako njihove molekule interveniraju u proces.

Prijave

- Omogućuje određivanje vremena koje lijek ostaje u tijelu prije njegova potpunog metabolizma. Isto tako, zahvaljujući kinetičkim istraživanjima, enzimska kataliza se može slijediti kao zelena metoda u usporedbi s drugim katalizatorima s negativnim utjecajima na okoliš; ili da se koristi u bezbroj industrijskih procesa.

- U automobilskoj industriji, posebno u motorima, gdje se moraju brzo provesti elektrokemijske reakcije kako bi se vozilo pokrenulo. Također u svojim ispušne cijevi, koje imaju katalizatore transformacije štetnih plinova CO, NO i _X u CO ₂, H ₂ O, N ₂ i O ₂ vrijeme optimalne.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

-Reakcija je zašto se zračni jastuci napuhuju, "zračni jastuci", kada se vozila sudaraju. Kada je guma kočnice teško, detektor električno detonira natrijev azid, NaN ₃. Ovaj reagens "eksplodira" oslobađajući N ₂, koji brzo zauzima cjelokupni volumen vrećice.

Metalni natrij tada reagira s ostalim komponentama kako bi ga neutralizirao, jer je u svom čistom stanju otrovan.

Reference

1. Walter J. Moore. (1963). Fizička kemija. U Kemijskoj kinetici. Četvrto izdanje, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Načela fizikohemije. Šesto izdanje, str. 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23. prosinca 2011.). Molekulsko sudara jest., Preuzeto 30. travnja 2018. s: es.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Udžbenik fizičke kemije. U Kemijskoj kinetici. Drugo izdanje. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, dr. Sc. (8. ožujka 2017.). Definicija kemijske kinetike. Preuzeto 30. travnja 2018. s: thinkco.com
6. Khan Akademija. (2018.). Zakoni o reakcijama i zakoni o stopi. Preuzeto 30. travnja 2018. s: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26. srpnja 2010.). Kemijska kinetika. Preuzeto 30. travnja 2018. s: quimicafisica.com