KEMIALLINEN KINETIIKKA: TEKIJÄT, REAKTION JÄRJESTYS JA SOVELLUKSET - KEMIA - 2024

Kemiallinen kinetiikka on tutkimus reaktion hinnat. Johda kokeelliset tai teoreettiset tiedot molekyylimekanismista matemaattisten yhtälöiden avulla ilmaistujen lakien avulla. Mekanismit koostuvat sarjasta vaiheita, joista osa on nopea ja osa hidas.

Näistä hitainta kutsutaan nopeuden määritysvaiheeksi. Siksi välimuotolajien ja tämän vaiheen toimintamekanismin tunteminen on kineettisen kannalta erittäin tärkeää. Yksi yllä esitetyistä visuaalioista on olettaa, että reagenssit suljetaan pullossa ja että reagoidessaan tuotteet poistuvat ulkopuolelta.

Lopuksi, tuotteet nousevat vapaasti pullon suusta ilman uusia kineettisiä esteitä. Tästä näkökulmasta on olemassa erikokoisia ja -malleja pulloja. Niillä kaikilla on kuitenkin yksi yhteinen elementti: kapea kaula, osoitus reaktion ratkaisevasta vaiheesta.

Mitä kemiallinen kinetiikka tutkii?

Kokeellisesti tämä kemian haara tutkii kemialliseen reaktioon liittyviä konsentraatiovaihteluita tietyn ominaisuuden mittaamisen perusteella.

Kemiallinen kinetiikka on kemia, jonka tehtävänä on tutkia kaikkia tietoja, jotka voidaan johtaa reaktion nopeudesta. Sen nimi kutsuu sinut kuvittelemaan taskukellon, joka merkitsee prosessin ajankohtaa riippumatta siitä, missä se tapahtuu: reaktorissa, pilvessä, joessa, ihmiskehossa jne.

Kaikilla kemiallisilla reaktioilla ja siten kaikilla muutoksilla on termodynaamisia, tasapainoisia ja kineettisiä näkökohtia. Termodynamiikka osoittaa onko reaktio spontaani vai ei; tasapainottaa sen määrällisyysastetta; ja kinetiikka olosuhteet, jotka suosivat sen nopeutta, sekä tiedot mekanismista.

Monet kemiallisen kinetiikan olennaiset näkökohdat voidaan havaita päivittäisessä elämässä: jääkaapissa, joka jäädyttää ruokaa vähentämään sen hajoamista jäädyttämällä siihen kuuluvaa vettä. Myös viinien kypsymisessä, joiden vanhentaminen antaa sille miellyttävän maun.

"Molekyylien aika" on kuitenkin hyvin erilainen pienissä mittakaavoissaan, ja se vaihtelee huomattavasti monien tekijöiden (sidosten lukumäärä ja tyyppi, koko, ainetila jne.) Mukaan.

Koska aika on elämää ja se on myös rahaa, on äärimmäisen tärkeää tietää, mitkä muuttujat sallivat kemiallisen reaktion tapahtua mahdollisimman nopeasti. Toisinaan kuitenkin halutaan päinvastoin: että reaktio tapahtuu erittäin hitaasti, varsinkin jos se on eksoterminen ja siinä on räjähdysvaara.

Mitä nämä muuttujat ovat? Jotkut ovat fyysisiä, kuten missä paineessa tai lämpötilassa reaktorin tai järjestelmän pitäisi olla; ja muut ovat kemiallisia, kuten liuottimen tyyppi, pH, suolapitoisuus, molekyylirakenne jne.

Ennen näiden muuttujien löytämistä meidän on ensin tutkittava tämän reaktion kinetiikka.

Miten? Pitoisuuden muutoksen avulla, jota voidaan seurata, jos tietty tietty ominaisuus, joka on verrannollinen ensimmäiseen, määritetään. Koko historian ajan menetelmät ovat kehittyneet kehittyneemmiksi, mahdollistaen tarkempia ja tarkempia mittauksia ja yhä lyhyemmin väliajoin.

Reaktionopeus

Kemiallisen reaktion nopeuden määrittämiseksi on välttämätöntä tietää, kuinka pitoisuudet vaihtelevat minkä tahansa kyseessä olevan lajin ajan myötä. Tämä nopeus riippuu suurelta osin monista tekijöistä, mutta tärkeintä on, että se on mitattavissa "hitaasti" tapahtuville reaktioille.

Tässä sana "hitaasti" on suhteellinen ja määritellään kaikelle, joka voidaan mitata käytettävissä olevilla instrumentaalitekniikoilla. Jos esimerkiksi reaktio on paljon nopeampaa kuin laitteen mittauskapasiteetti, niin se ei ole kvantitatiivinen eikä sen kinetiikkaa voida tutkia.

Sitten reaktionopeus määritetään minkä tahansa prosessin kynnyksellä, ennen kuin se saavuttaa tasapainon. Miksi? Koska tasapainossa eteenpäinreaktion (tuotteen muodostuminen) ja käänteisen reaktion (reagenssin muodostuminen) nopeus on yhtä suuri.

Ohjaamalla järjestelmään vaikuttavia muuttujia ja sen seurauksena sen kinetiikkaa tai reaktionopeutta, ihanteelliset olosuhteet voidaan valita tuottamaan tietty määrä tuotetta halutuimpaan ja turvallisimpaan aikaan.

Toisaalta, tämä tieto paljastaa molekyylimekanismin, joka on arvokas, kun lisätään reaktion saantoa.

Määritelmä

Nopeus on suuruuden muutos ajan funktiona. Näiden tutkimusten kannalta on kiinnostavaa määrittää pitoisuuden variaatio tuntien ja minuuttien kuluessa; nano, pico tai jopa femtosekuntia (^10-15 sekuntia).

Sillä voi olla monia yksiköitä, mutta yksinkertaisin ja helpoin on M · s ^-1 tai mikä on yhtä suuri kuin mol / L · s. Yksiköistä riippumatta sillä tulisi aina olla positiivinen arvo, koska se on fyysinen määrä (kuten mitat tai massa).

Kuitenkin tavanomaisesti reagenssin katoamisnopeuksilla on negatiivinen merkki, ja tuotteen ulkonäön nopeuksilla on positiivinen merkki.

Mutta jos reagensseilla ja tuotteilla on omat nopeutensa, niin miten määritetään kokonaisreaktionopeus? Vastaus on stoikiometrisissä kertoimissa.

Yleinen yhtälö

Seuraava kemiallinen yhtälö kuvaa A: n ja B: n reaktiota C: n ja D: n muodostamiseksi:

a A + b B => c C + dD

Molaariset pitoisuudet ilmaistaan ​​yleensä hakasulkeissa, joten esimerkiksi lajien A konsentraatio kirjoitetaan. Siten reaktionopeus kullekin mukana olevalle kemialliselle lajille on:

Matemaattisen yhtälön mukaan reaktionopeuden saavuttamiseksi on neljä tapaa: mitataan minkä tahansa reagenssin (A tai B) tai tuotteen (C tai D) pitoisuuden vaihtelu.

Sitten jakaa yhdellä näistä arvoista ja sen oikealla stoikiometrisellä kertoimella jälkimmäisellä ja saada siten reaktionopeus rxn.

Koska reaktionopeus on positiivinen määrä, negatiivinen merkki moninkertaistaa reagenssien negatiiviset nopeusarvot; tästä syystä kertoimet a ja b kerrotaan (-1).

Esimerkiksi, jos A: n katoamisnopeus on - (5 M / s) ja sen stoikiometrinen kerroin a on 2, niin nopeus rxn on yhtä suuri kuin 2,5 M / s ((-1 / 2) x 5).

Jälkiruoka-esimerkki

Jos tuote olisi jälkiruoka, aineosat analogisesti olisivat reagensseja; ja kemiallinen yhtälö, resepti:

7 evästettä + 3 leivonnaista + 1 jäätelö => 1 jälkiruoka

Ja nopeudet jokaiselle makealle aineosalle ja itse jälkiruoka ovat:

Siten jälkiruoan valmistusnopeus voidaan määrittää muuttamalla joko evästeitä, leivonnaisia, jäätelöä tai itse pakkausta; sitten jakamalla se stoikiometrisillä kertoimilla (7, 3, 1 ja 1). Yksi reiteistä voi kuitenkin olla helpompaa kuin toinen.

Jos esimerkiksi mitataan kuinka se kasvaa eri aikaväleillä, nämä mittaukset voivat olla monimutkaisia.

Toisaalta voi olla ajankohtaisempaa ja käytännöllisempi mitata niiden lukumäärän tai joidenkin ominaisuuksien vuoksi, jotka helpottavat niiden pitoisuuden määrittämistä kuin kypsien tai jäätelön pitoisuus.

Kuinka selvittää se

Ottaen huomioon yksinkertainen reaktio A => B, jos esimerkiksi vesiliuoksessa A esiintyy vihreää väriä, tämä riippuu sen pitoisuudesta. Siten kun A: sta tulee B, vihreä väri katoaa ja jos tämä häviäminen määritetään kvantitatiivisesti, voidaan saada vs t-käyrä.

Toisaalta, jos B on hapan tyyppi, liuoksen pH laskee arvoihin alle 7. Siten pH: n laskusta saadaan peräkkäin kuvaaja vs t. Sitten päällekkäin molemmat kuvaajat näemme seuraavanlaisen:

Kaavio näyttää kuinka se vähenee ajan myötä, koska se kuluu, ja kuinka käyrä kasvaa positiivisella kaltevuudella, koska se on tuote.

On myös ymmärrettävää, että sillä on taipumus nolla (jos tasapainoa ei ole) ja että se saavuttaa maksimiarvon, jota säätelee stökiometria, ja jos reaktio on mennyt loppuun (kaikki A kulutetaan).

Sekä A: n että B: n reaktionopeus on tangenttiviiva kummassakin näistä käyristä; toisin sanoen johdannainen.

Reaktionopeuteen vaikuttavat tekijät

Kemiallisten lajien luonne

Jos kaikki kemialliset reaktiot olisivat välittömiä, niiden kineettisiä tutkimuksia ei olisi olemassa. Monilla on nopeudet niin korkeat, ettei niitä voida mitata; ts. ne eivät ole mitattavissa.

Siten ionien väliset reaktiot ovat yleensä erittäin nopeita ja täydellisiä (saanto noin 100%). Toisaalta ne, joissa on orgaanisia yhdisteitä, vaativat jonkin aikaa. Ensimmäisen tyyppinen reaktio on:

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

Ionien voimakkaat sähköstaattiset vuorovaikutukset edistävät veden ja natriumsulfaatin nopeaa muodostumista. Sen sijaan toisen tyyppinen reaktio on esimerkiksi etikkahapon esteröinti:

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

Vaikka muodostuu myös vettä, reaktio ei ole välitön; edes suotuisissa olosuhteissa se kestää useita tunteja.

Muilla muuttujilla on kuitenkin enemmän vaikutusta reaktion nopeuteen: reagenssien konsentraatio, lämpötila, paine ja katalyyttien läsnäolo.

Reagenssipitoisuus

Kemiallisessa kinetiikassa tutkittua tilaa, joka on erotettu äärettömyydestä, kutsutaan järjestelmäksi. Esimerkiksi reaktoria, dekantterilasi, pullo, pilvi, tähti jne. Voidaan pitää tutkittavana järjestelmänä.

Siten järjestelmän sisällä molekyylit eivät ole staattisia, vaan "kulkevat" sen kaikkiin kulmiin. Joissakin näistä siirtymistä se törmää yhteen toisen molekyylin kanssa palautuakseen takaisin tai tuottaa tuotteita.

Sitten törmäysten lukumäärä on verrannollinen reagenssien pitoisuuteen. Yllä oleva kuva kuvaa kuinka järjestelmä muuttuu pienistä konsentraatioista korkeisiin.

Lisäksi mitä enemmän törmäyksiä on, sitä suurempi on reaktionopeus, koska kahden molekyylin reagointimahdollisuudet kasvavat.

Jos reagenssit ovat kaasumaisia, silloin painemuuttujaa käsitellään ja se liittyy kaasun konsentraatioon olettaen jonkin monista olemassa olevista yhtälöistä (kuten esimerkiksi ideaalikaasu); Tai järjestelmän tilavuutta pienennetään lisäämään mahdollisuuksia, että kaasumaiset molekyylit törmäävät.

Lämpötila

Vaikka törmäysten lukumäärä kasvaa, kaikilla molekyyleillä ei ole tarvittavaa energiaa prosessin aktivointienergian ylittämiseksi.

Tässä lämpötilalla on tärkeä rooli: se suorittaa molekyylien lämpökiihdyttämisen, jotta ne törmäävät enemmän energiaa.

Siten reaktionopeus kaksinkertaistuu jokaisessa 10 ° C: n nousussa järjestelmän lämpötilassa. Kaikissa reaktioissa tämä ei kuitenkaan ole aina tilanne. Kuinka ennustaa kasvua? Arrhenius-yhtälö vastaa kysymykseen:

d (lnK) / dT = E / (RT ²)

K on nopeusvakio lämpötilassa T, R on kaasuvakio ja E on aktivointienergia. Tämä energia osoittaa energiaesteen, jonka reagenssien on mitoitettava reagoidakseen.

Kineettisen tutkimuksen suorittamiseksi on tarpeen pitää lämpötila vakiona ilman katalyyttejä. Mitä katalyytit ovat? Ne ovat ulkoisia lajeja, jotka osallistuvat reaktioon, mutta joita ei kuluteta, ja jotka vähentävät aktivointienergiaa.

Yllä oleva kuva kuvaa katalyytin käsitettä glukoosin reaktiolle hapen kanssa. Punainen viiva edustaa aktivointienergiaa ilman entsyymiä (biologinen katalyytti), kun taas sininen viiva osoittaa aktivointienergian laskua.

Reaktiojärjestys kemiallisessa kinetiikassa

Kemiallisessa yhtälössä reaktiomekanismiin liittyvät stökiometriset indeksit eivät ole yhtä suuret kuin saman luokan indeksit. Kemiallisilla reaktioilla on yleensä ensimmäinen tai toinen järjestys, harvoin kolmas tai korkeampi.

Mitä tämä on? Koska kolmen energeettisesti viritetyn molekyylin törmäykset ovat epätodennäköisiä, ja vielä enemmän nelinkertaiset tai neliosaiset törmäykset, joissa todennäköisyys on ääretön. Jakeelliset reaktiomääräykset ovat myös mahdollisia. Esimerkiksi:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCI:

Reaktio on ensimmäisessä järjestyksessä yhdessä mielessä (vasemmalta oikealle) ja toisessa järjestyksessä (oikealta vasemmalle), jos sitä pidetään tasapainona. Vaikka seuraava tasapaino on toisen asteen molemmissa suunnissa:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Molekyylisyys ja reaktiojärjestys sama? Ei. Molekyylisyys on niiden molekyylien lukumäärä, jotka reagoivat tuottaakseen tuotteita, ja kokonaisreaktiojärjestys on sama kuin reagoivien aineiden, jotka osallistuvat nopeuden määrittämisvaiheeseen.

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

Tämä reaktio, tosin huolimatta siitä, että sillä on korkeat stökiometriset indeksit (molekyyli), on itse asiassa toisen asteen reaktio. Toisin sanoen nopeuden määrittämisvaihe on toisen asteen.

Nollajärjestysreaktiot

Niitä esiintyy heterogeenisten reaktioiden tapauksessa. Esimerkiksi: nesteen ja kiinteän aineen välillä. Siten nopeus on riippumaton reagenssien pitoisuuksista.

Samoin, jos reagenssin reaktiojärjestys on nolla, se tarkoittaa, että se ei osallistu nopeuden määrittämisvaiheeseen, vaan nopeaan.

Ensimmäisen asteen reaktio

A => B

Ensimmäisen asteen reaktiota säätelee seuraava korolaki:

V = k

Jos A: n pitoisuus kaksinkertaistuu, reaktionopeus V kaksinkertaistuu. Siksi nopeus on verrannollinen reagenssin konsentraatioon reaktion määritysvaiheessa.

Toisen asteen reaktio

2A => B

A + B => C

Kaksi lajia ovat mukana tämän tyyppisissä reaktioissa, kuten kahdessa juuri kirjoitetussa kemiallisessa yhtälössä. Reaktioiden nopeuslait ovat:

V = k ²

V = k

Ensimmäisessä reaktionopeus on verrannollinen A: n pitoisuuden neliöön, kun taas toisessa tapahtuu sama kuin ensimmäisen asteen reaktioissa: nopeus on suoraan verrannollinen sekä A: n että B: n pitoisuuksiin.

Reaktiojärjestys vs. molekyyli

Edellisen esimerkin mukaan stökiömetriset kertoimet saattavat olla samoja kuin reaktion järjestykset.

Tätä tapahtuu kuitenkin alkuainereaktioissa, jotka määrittävät reaktion minkä tahansa vaiheen molekyylimekanismin. Näissä reaktioissa kertoimet ovat yhtä suuret kuin osallistuvien molekyylien lukumäärä.

Esimerkiksi A-molekyyli reagoi yhden B: n kanssa muodostaen C: n molekyylin. Tässä molekyylisyys on 1 reagensseille, ja siksi nopeuslain ilmaisussa ne vastaavat reaktiokäskyjä.

Tästä seuraa, että molekyylin on aina oltava kokonaisluku ja todennäköisyyden mukaan alle neljä.

Miksi? Koska mekanismin kulkiessa on hyvin epätodennäköistä, että neljä molekyyliä osallistuu samanaikaisesti; kaksi heistä pystyi reagoimaan ensin, ja sitten kaksi muuta reagoivat tämän tuotteen kanssa.

Matemaattisesti tämä on yksi tärkeimmistä eroista reaktiojärjestöjen ja molekyylin välillä: reaktiojärjestyksessä voi olla murto-arvot (1/2, 5/2 jne.).

Tämä johtuu siitä, että entinen heijastaa vain sitä, kuinka lajien konsentraatio vaikuttaa nopeuteen, mutta ei miten niiden molekyylit vaikuttavat prosessiin.

Sovellukset

- Sen avulla voidaan määrittää aika, joka lääke pysyy kehossa ennen sen täydellistä metaboliaa. Kineettisten tutkimusten ansiosta entsymaattista katalyysiä voidaan myös seurata vihreinä menetelmin verrattuna muihin katalyytteihin, joilla on negatiivisia ympäristövaikutuksia; tai myös käytettäväksi lukemattomissa teollisuusprosesseissa.

- Autoteollisuudessa, erityisesti moottoreissa, joissa sähkökemialliset reaktiot on suoritettava nopeasti ajoneuvon käynnistymiseksi. Myös sen pakoputkissa, joissa on katalysaattoreita haitallisten kaasujen CO, NO ja NO _x muuttamiseksi CO _{2: ksi}, H ₂ O: ksi, N _{2: ksi} ja O ₂: ksi optimaalisen ajanjakson aikana.

2NaN ₃ (s) = 2Na (t) + 3N ₂ (g)

-Tämä on reaktio, jonka takia turvatyynyt täyttyvät, ”turvatyynyt”, kun ajoneuvot törmäävät. Kun renkaat jarruttavat voimakkaasti, ilmaisin räjäyttää sähköisesti natriumatsidia, NaN ₃. Tämä reagenssi "räjähtää" vapauttaa N ₂, joka sijaitsee koko tilavuus pussin nopeasti.

Sitten metallinen natrium reagoi muiden komponenttien kanssa sen neutraloimiseksi, koska puhtaassa tilassaan se on myrkyllinen.

Viitteet

1. Walter J. Moore. (1963). Fysikaalinen kemia. Kemiallisessa kinetiikassa. Neljäs painos, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Fysikakemian periaatteet. Kuudes painos, s. 479–540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23. joulukuuta 2011). Molecular-törmäyksiä-on.. Haettu 30. huhtikuuta 2018, osoitteesta: es.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Fysikaalisen kemian oppikirja. Kemiallisessa kinetiikassa. Toinen painos. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, FT (8. maaliskuuta 2017). Kemiallisen kinetiikan määritelmä. Haettu 30. huhtikuuta 2018, osoitteesta: thinkco.com
6. Khan-akatemia. (2018). Reaktioasteet ja nopeuslait. Haettu 30. huhtikuuta 2018, osoitteesta: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26. heinäkuuta 2010). Kemiallinen kinetiikka. Haettu 30. huhtikuuta 2018, osoitteesta: quimicafisica.com