Czynniki chemicznej kinetyki, kolejność reakcji, zastosowania

The kinetyka chemiczna Jest to badanie prędkości reakcji. Wyprowadza dane eksperymentalne lub teoretyczne o mechanizmie molekularnym poprzez prawa wyrażone równaniami matematycznymi. Mechanizmy składają się z szeregu kroków, z których niektóre są szybkie, a inne spowolnione.

Najwolniejszy z nich nazywa się krokiem określania prędkości. Dlatego znajomość gatunków pośrednich i mechanizmu operantowego tego etapu jest bardzo ważna z punktu widzenia kinetyki. Wizualizacja powyższego polega na założeniu, że odczynniki są zamknięte w butelce i że podczas reakcji produkty uciekają na zewnątrz.

Wreszcie, produkty wyłaniają się swobodnie przez ujście butelki bez dalszych przeszkód kinetycznych. Z tej perspektywy są butelki o różnych rozmiarach i wzorach. Jednak wszystkie one mają jeden wspólny element: wąską szyjkę, wskaźnik determinującego etapu reakcji.

Indeks

• 1 Co bada kinetykę chemiczną?
• 2 Wskaźnik reakcji
  • 2.1 Definicja
  • 2.2 Ogólne równanie
  • 2.3 Przykład deseru
  • 2.4 Jak to określić
• 3 Czynniki wpływające na szybkość reakcji
  • 3.1 Charakter gatunków chemicznych
  • 3.2 Stężenie odczynników
  • 3.3 Temperatura
• 4 Kolejność reakcji w kinetyce chemicznej
  • 4.1 Reakcje rzędu zerowego
  • 4.2 Reakcja pierwszego rzędu
  • 4.3 Reakcja drugiego rzędu
  • 4.4 Kolejność reakcji a molekularność
• 5 Aplikacje
• 6 referencji

Co bada kinetykę chemiczną?

Eksperymentalnie, ta gałąź chemii bada zmiany stężeń zaangażowane w reakcję chemiczną, z pomiaru określonej właściwości.

Kinetyka chemiczna jest gałęzią chemii odpowiedzialną za badanie wszystkich informacji, które można uzyskać z prędkości reakcji. Jego imię zachęca do wyobrażenia sobie zegarka kieszonkowego oznaczającego czas procesu, bez względu na to, gdzie się on wydarzy: w reaktorze, w chmurze, w rzece, w ludzkim ciele itp..

Wszystkie reakcje chemiczne, a zatem wszystkie przemiany, mają aspekty termodynamiczne, równowagi i kinetyczne. Termodynamika wskazuje, czy reakcja jest spontaniczna, czy nie; równowaga jego stopnia kwantyfikacji; oraz warunki kinetyczne, które sprzyjają jego prędkości, a także dane dotyczące jego mechanizmu.

Wiele istotnych aspektów kinetyki chemicznej można zaobserwować w życiu codziennym: w lodówce, która zamraża żywność, aby zmniejszyć jej rozkład poprzez zamrożenie wody, która jest jej częścią. Również w dojrzewaniu win, których starzenie nadaje im przyjemny smak.

Jednak „czas cząsteczek” jest bardzo różny w swoich małych skalach i zmienia się ogromnie w zależności od wielu czynników (liczby i rodzajów połączeń, rozmiarów, stanów materii itp.).

Ponieważ czas jest życiem, a także pieniędzmi, bardzo ważne jest, aby wiedzieć, które zmienne pozwalają na jak najszybszą reakcję chemiczną. Czasami jednak pożądane jest przeciwieństwo: reakcja zachodzi bardzo powoli, zwłaszcza jeśli jest egzotermiczna i istnieje ryzyko wybuchu.

Jakie są te zmienne? Niektóre są fizyczne, takie jak ciśnienie lub temperatura, jaką musi posiadać reaktor lub system; a inne są chemiczne, takie jak rodzaj rozpuszczalnika, pH, zasolenie, struktura molekularna itp..

Zanim jednak wymyślimy te zmienne, najpierw musimy zbadać kinetykę obecnej reakcji.

Jak? Poprzez zmienność stężenia, którą można śledzić, jeśli określona właściwość jest określona ilościowo, która jest proporcjonalna do pierwszej. W całej historii metody stały się bardziej wyrafinowane, pozwalając na bardziej dokładne i precyzyjne pomiary oraz w coraz mniejszych odstępach.

Szybkość reakcji

Aby określić szybkość reakcji chemicznej, należy wiedzieć, jak zmienia się stężenie w danym gatunku. Prędkość ta zależy w dużej mierze od wielu czynników, ale najważniejsze jest to, że jest ona mierzalna dla tych reakcji, które zachodzą „powoli”.

Tutaj słowo „powoli” jest względne i jest zdefiniowane dla wszystkiego, co można zmierzyć za pomocą dostępnych technik instrumentalnych. Jeśli na przykład reakcja jest znacznie szybsza niż zdolność pomiarowa sprzętu, to nie będzie ona ilościowa ani nie będzie można badać jej kinetyki..

Następnie szybkość reakcji określa się na progu dowolnego procesu, zanim osiągnie on równowagę. Dlaczego? Ponieważ w równowadze szybkość bezpośredniej reakcji (powstawanie produktów) i reakcji odwrotnej (tworzenie reagentów) są równe.

Kontrolując zmienne, które działają na system, aw konsekwencji jego kinetykę lub szybkość reakcji, można wybrać idealne warunki do wygenerowania pewnej ilości produktu w najbardziej pożądanym i bezpiecznym czasie.

Z drugiej strony wiedza ta ujawnia mechanizm molekularny, który jest cenny przy zwiększaniu wydajności reakcji.

Definicja

Prędkość jest zmianą wielkości w funkcji czasu. W tych badaniach zainteresowanie polega na określeniu zmienności stężenia w godzinach, minutach; nano, szczyt lub nawet femtosekundy (10^-15s).

Może mieć wiele jednostek, ale najprostszym i najłatwiejszym ze wszystkich jest M · s^-1, lub co jest równe mol / L · s. Niezależnie od jednostek, zawsze musi mieć wartość dodatnią, ponieważ jest to wielkość fizyczna (taka jak wymiary lub masa).

Jednak zgodnie z umową wskaźniki zaniku odczynnika mają znak ujemny, a wskaźniki pojawienia się produktu - znak pozytywny.

Ale jeśli reagenty i produkty mają swoje własne prędkości, jak określić szybkość ogólnej reakcji? Odpowiedź leży w współczynnikach stechiometrycznych.

Ogólne równanie

Poniższe równanie chemiczne wyraża reakcję A i B do postaci C i D:

aA + bB => cC + dD

Stężenia molowe są zwykle wyrażone w nawiasach, tak że, na przykład, stężenie gatunku A jest zapisane jako [A]. Zatem szybkość reakcji dla każdego z zaangażowanych związków chemicznych jest następująca:

Zgodnie z równaniem matematycznym istnieją cztery drogi do osiągnięcia prędkości reakcji: mierzona jest zmiana stężenia dowolnego z reagentów (A lub B) lub produktów (C lub D).

Następnie, przy jednej z tych wartości i jej prawidłowym współczynniku stechiometrycznym, jest on dzielony przez tę drugą i w celu uzyskania prędkości reakcji rxn.

Ponieważ szybkość reakcji jest ilością dodatnią, znak ujemny mnoży wartości prędkości ujemnej reagentów; z tego powodu współczynniki a i b pomnóż przez (-1).

Na przykład, jeśli prędkość znikania A wynosi - (5 M / s), a jej współczynnik stechiometryczny a wynosi 2, wtedy prędkość rxn jest równa 2,5 M / s ((-1/2) x 5).

Przykład deserowy

Gdyby produkt był deserem, składnikami analogicznymi byłyby reagenty; i równanie chemiczne, przepis:

7Cookies + 3Brownies + 1Salad => 1Postre

I prędkości każdego ze słodkich składników i tego samego deseru:

Tak więc prędkość, z jaką deser jest wytwarzany, można określić na podstawie różnych ciastek, ciastek, lodów lub całego zestawu; dzieląc ją między współczynniki stechiometryczne (7, 3, 1 i 1). Jednak jedna z tras może być łatwiejsza niż druga.

Na przykład, jeśli mierzysz, jak [Deser] wzrasta w różnych odstępach czasu, pomiary te mogą być skomplikowane.

Z drugiej strony, wygodniejsze i praktyczniejsze może być mierzenie [ciasteczek], ze względu na ich liczbę lub niektóre właściwości, które sprawiają, że ich koncentracja jest łatwiejsza do określenia niż w przypadku ciastek lub lodów.

Jak to określić

Biorąc pod uwagę prostą reakcję A => B, jeśli A, na przykład w roztworze wodnym, wykazuje zielone zabarwienie, to zależy to od jego stężenia. Tak więc, gdy A staje się B, zielony kolor znika, a jeśli to zniknięcie jest kwantyfikowane, to można uzyskać krzywą [A] vs t.

Z drugiej strony, jeśli B jest gatunkiem kwaśnym, pH roztworu spadnie do wartości poniżej 7. Zatem ze spadku pH otrzymujemy [B], a następnie wykres [B] vs t. Nakładając, ocenia się oba wykresy w następujący sposób:

Na wykresie można zobaczyć, jak [A] maleje z czasem, ponieważ jest zużywany i jak krzywa [B] wzrasta wraz z dodatnim nachyleniem, ponieważ jest to produkt.

Pokazuje również, że [A] dąży do zera (jeśli nie ma równowagi) i że [B] osiąga maksymalną wartość zarządzaną przez stechiometrię i jeśli reakcja jest zakończona (wszystkie A są zużywane).

Prędkość reakcji zarówno A, jak i B jest linią styczną na dowolnej z tych krzywych; innymi słowy, pochodna.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji

Charakter gatunków chemicznych

Gdyby wszystkie reakcje chemiczne były natychmiastowe, ich badania kinetyczne nie istniałyby. Wiele z nich ma tak wysokie prędkości, że nie można ich zmierzyć; to znaczy, że nie są mierzalne.

Zatem reakcje między jonami są zwykle bardzo szybkie i kompletne (z wydajnością około 100%). Z drugiej strony te, w których występują związki organiczne, wymagają pewnego czasu. Reakcją pierwszego typu jest:

H₂TAK₄ + 2 NaOH => Na₂TAK₄ + 2H₂O

Silne oddziaływania elektrostatyczne między jonami sprzyjają szybkiemu tworzeniu się wody i siarczanu sodu. W przeciwieństwie do tego reakcją drugiego typu jest na przykład estryfikacja kwasu octowego:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Chociaż tworzy się również woda, reakcja nie jest natychmiastowa; nawet w sprzyjających warunkach upływa kilka godzin.

Jednak inne zmienne mają większy wpływ na szybkość reakcji: stężenie reagentów, temperaturę, ciśnienie i obecność katalizatorów.

Stężenie odczynników

W kinetyce chemicznej badana przestrzeń oddzielona od nieskończoności nazywana jest układem. Na przykład reaktor, zlewkę, kolbę, chmurę, gwiazdę itp. Można uznać za badany system.

Zatem w systemie cząsteczki nie są statyczne, ale „przemieszczają się” do wszystkich rogów. W niektórych z tych przemieszczeń zderzają się z inną cząsteczką w celu odbicia lub powstania produktów.

Następnie liczba zderzeń jest proporcjonalna do stężenia reagentów. Górny obraz pokazuje, jak system zmienia się z niskich do wysokich stężeń.

Ponadto, tak długo, jak będzie więcej kolizji, szybkość reakcji będzie wyższa, ponieważ szanse na reakcję dwóch cząsteczek wzrastają.

Jeśli reagenty są gazowe, to zmienne ciśnienie jest obsługiwane i związane ze stężeniem gazu przy założeniu dowolnego z wielu istniejących równań (takich jak idealny gaz); lub też zmniejsza się objętość systemu, aby zwiększyć prawdopodobieństwo kolizji cząsteczek gazu.

Temperatura

Chociaż liczba zderzeń wzrasta, nie wszystkie cząsteczki mają energię potrzebną do pokonania energii aktywacji procesu.

Tutaj właśnie temperatura odgrywa ważną rolę: spełnia funkcję przyspieszania termicznego cząsteczek, tak że zderzają się z większą energią.

Zatem na ogół szybkość reakcji podwaja się na każde 10 ° C wzrostu temperatury układu. Jednak dla wszystkich reakcji nie zawsze tak jest. Jak przewidzieć ten wzrost? Równanie Arrheniusa odpowiada na pytanie:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K jest stałą prędkości w temperaturze T, R jest stałą gazów, a E jest energią aktywacji. Ta energia wskazuje na barierę energetyczną, którą reagenty muszą skalować, aby reagować.

W celu przeprowadzenia badania kinetycznego konieczne jest utrzymanie stałej temperatury i bez katalizatorów. Jakie są katalizatory? Są to gatunki zewnętrzne, które ingerują w reakcję, ale nie są zużywane, a to zmniejsza energię aktywacji.

Koncepcja katalizy dla reakcji glukozy z tlenem jest zilustrowana na powyższym obrazku. Czerwona linia reprezentuje energię aktywacji bez enzymu (katalizator biologiczny), podczas gdy niebieska linia pokazuje spadek energii aktywacji.

Kolejność reakcji w kinetyce chemicznej

W równaniu chemicznym wskaźniki stechiometryczne związane z mechanizmem reakcji nie są równe indeksom rzędu tego samego. Reakcje chemiczne zwykle mają pierwsze lub drugie zamówienia, rzadko trzeci lub wyższy.

Dlaczego tak jest To, że zderzenia trzech energetycznie wzbudzonych cząsteczek są mało prawdopodobne, a jeszcze bardziej są to poczwórne lub pięciokrotne zderzenia, gdzie prawdopodobieństwo jest nieskończenie małe. Możliwe są również rozkazy reakcji ułamkowych. Na przykład:

NH₄Cl <=>NH₃ + HCl

Reakcja jest pierwszej kolejności w jednym kierunku (od lewej do prawej) i drugiej kolejności w drugiej (od prawej do lewej), jeśli uważa się to za równowagę. Podczas gdy następująca równowaga jest drugiego rzędu w obu kierunkach:

2HI <=> H₂ + Ja₂

Kolejność molekularna i kolejność reakcji są takie same? Nie. Cząsteczkowość to liczba cząsteczek, które reagują na powstanie produktów, a kolejność reakcji globalnej jest taka sama, jak w przypadku reagentów biorących udział w etapie, który określa prędkość.

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂TAK₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂TAK₄ + 8H₂O

Ta reakcja, pomimo wysokich wskaźników stechiometrycznych (molekularności), jest w rzeczywistości reakcją drugiego rzędu. Innymi słowy, decydującym krokiem prędkości jest druga kolejność.

Reakcje zerowego rzędu

Występują w przypadku reakcji heterogenicznych. Na przykład: między cieczą a ciałem stałym. Zatem prędkość jest niezależna od stężeń reagentów.

Podobnie, jeśli odczynnik ma rząd reakcji zerowy, oznacza to, że nie bierze udziału w określaniu kroku prędkości, ale w szybkim.

Reakcja pierwszego rzędu

A => B

Reakcja pierwszego rzędu podlega następującym przepisom dotyczącym prędkości:

V = k [A]

Jeśli stężenie A podwaja się, szybkość reakcji V również się zmienia. Dlatego prędkość jest proporcjonalna do stężenia odczynnika w etapie, który określa reakcję.

Reakcja drugiego rzędu

2A => B

A + B => C

W tego typu reakcji interweniują dwa gatunki, jak w dwóch właśnie opisanych równaniach chemicznych. Prawa prędkości reakcji są następujące:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

Po pierwsze, szybkość reakcji jest proporcjonalna do kwadratu stężenia A, podczas gdy w drugim dzieje się tak samo, jak w reakcjach pierwszego rzędu: prędkość jest wprost proporcjonalna do stężenia zarówno A, jak i B.

Kolejność reakcji a molekularność

Zgodnie z poprzednim przykładem, współczynniki stechiometryczne mogą lub nie mogą pokrywać się z kolejnością reakcji.

Ma to jednak miejsce w przypadku reakcji elementarnych, które określają mechanizm molekularny dowolnego etapu reakcji. W tych reakcjach współczynniki są równe liczbie uczestniczących cząsteczek.

Na przykład cząsteczka A reaguje z jednym z B tworząc cząsteczkę C. Tutaj molekularność wynosi 1 dla reagentów, a następnie w wyrażeniu prawa prędkości pokrywają się z kolejnością reakcji.

Wynika z tego, że molekularność musi być zawsze liczbą całkowitą, a probabilistycznie mniejszą niż cztery.

Dlaczego? Ponieważ w przejściu mechanizmu jest bardzo mało prawdopodobne, aby cztery cząsteczki uczestniczyły w tym samym czasie; może najpierw zareagować na dwa, a potem dwa pozostałe zareagują tym produktem.

Matematycznie jest to jedna z głównych różnic między kolejnością reakcji a molekularnością: kolejność reakcji może przyjmować wartości ułamkowe (1/2, 5/2 itd.).

Dzieje się tak, ponieważ pierwsze odzwierciedla tylko to, jak stężenie gatunku wpływa na prędkość, ale nie, jak ich cząsteczki wpływają na proces.

Aplikacje

- Pozwala określić czas, w którym lek pozostaje w organizmie przed jego całkowitym metabolizmem. Ponadto, dzięki badaniom kinetycznym, katalizę enzymatyczną można śledzić jako zielone metody przeciwko innym katalizatorom o negatywnym wpływie na środowisko; lub też do wykorzystania w niezliczonych procesach przemysłowych.

- W przemyśle motoryzacyjnym, szczególnie w silnikach, gdzie reakcje elektrochemiczne muszą być przeprowadzane szybko, aby pojazd mógł się uruchomić. Również w rurach wydechowych, które mają katalizatory do przekształcania szkodliwych gazów CO, NO i NO_x w CO₂, H₂O, N₂ i O₂ w optymalnym czasie.

2NNN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(g)

-Jest to reakcja za to, dlaczego poduszki powietrzne są napompowane, gdy pojazdy zderzają się. Gdy opony gwałtownie hamują, detektor elektrycznie detonuje azydek sodu NaN₃. Ten odczynnik „eksploduje” uwalniając N₂, który szybko zajmuje całą objętość torby.

Metaliczny sód następnie reaguje z innymi składnikami, aby go zneutralizować, ponieważ w stanie czystym jest trujący.

Referencje

1. Walter J. Moore. (1963). Chemia fizyczna W Kinetyka chemiczna. Czwarta edycja, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Zasady fizykochemii. Szósta edycja, strona 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki (23 grudnia 2011 r.). Molecular-collisions-en [Figua] Pobrane 30 kwietnia 2018 r. Z: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Podręcznik chemii fizycznej. W Kinetyka chemiczna. Druga edycja. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8 marca 2017). Definicja kinetyki chemicznej. Pobrano 30 kwietnia 2018 r. Z: thoughtco.com
6. Khan Academy. (2018). Wskaźniki reakcji i przepisy dotyczące stawek. Źródło: 30 kwietnia 2018 r. Z: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26 lipca 2010). Kinetyka chemiczna Źródło: 30 kwietnia 2018 r. Z: quimicafisica.com