Čimbenici kemijske kinetike, redoslijed reakcija, primjene

kemijska kinetika To je proučavanje brzina reakcije. On zaključuje eksperimentalne ili teorijske podatke o molekularnom mehanizmu, kroz zakone izražene matematičkim jednadžbama. Mehanizmi se sastoje od niza koraka, od kojih su neki brzi, a drugi spori.

Najsporije se naziva korak određivanja brzine. Stoga je poznavanje posredne vrste i operantnog mehanizma ovog koraka vrlo važno u smislu kinetike. Vizualizacija gore navedenog je pretpostavka da su reagensi zatvoreni u boci i da, kada reagiraju, proizvodi pobjegnu van.

Konačno, produkti slobodno izlaze kroz usta boce bez daljnjih kinetičkih zapreka. Iz ove perspektive postoje boce raznih veličina i dizajna. Međutim, svi oni imaju jedan zajednički element: uski vrat, pokazatelj determinantnog koraka reakcije.

indeks

• 1 Što proučava kemijsku kinetiku?
• 2 Brzina reakcije
  • 2.1 Definicija
  • 2.2 Opća jednadžba
  • 2.3 Primjer deserta
  • 2.4 Kako ga odrediti
• 3 Čimbenici koji utječu na brzinu reakcije
  • 3.1 Priroda kemijskih vrsta
  • 3.2 Koncentracija reagensa
  • 3.3 Temperatura
• 4 Redoslijed reakcija u kemijskoj kinetici
  • 4.1 Reakcije nultog reda
  • 4.2 Reakcija prvog reda
  • 4.3 Reakcija drugog reda
  • 4.4 Redoslijed reakcija nasuprot molekularnosti
• 5 Aplikacije
• 6 Reference

Što proučava kemijsku kinetiku?

Eksperimentalno, ova grana kemije proučava varijacije koncentracije uključene u kemijsku reakciju, od mjerenja određenog svojstva.

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

Sve kemijske reakcije, a time i sve transformacije, imaju termodinamičke, ravnotežne i kinetičke aspekte. Termodinamika ukazuje je li reakcija spontana ili ne; bilanca stupnja kvantifikacije; i kinetičke uvjete koji pogoduju njegovoj brzini, kao i podatke o njegovom mehanizmu.

Mnogi bitni aspekti kemijske kinetike mogu se promatrati u svakodnevnom životu: u hladnjaku, koji zamrzava hranu kako bi se smanjila razgradnja zamrzavanjem vode koja je dio njih. Također, u sazrijevanju vina, čije starenje im daje ugodne okuse.

Međutim, "vrijeme molekula" je vrlo različito u svojim malim skalama, i jako varira u skladu s mnogim faktorima (broj i vrste veza, veličine, stanja materije, itd.).

Budući da je vrijeme život, a također i novac, vrlo je važno znati koje varijable dopuštaju kemijsku reakciju da nastavi što je brže moguće. Međutim, ponekad je poželjno suprotno: da se reakcija odvija vrlo sporo, osobito ako je egzotermna i postoje rizici od eksplozije..

Koje su to varijable? Neke su fizičke, kao što je tlak ili temperatura koje reaktor ili sustav moraju imati; i drugi su kemijski, kao što su vrsta otapala, pH, salinitet, molekularna struktura itd..

Međutim, prije nego što dođemo do tih varijabli, prvo moramo proučiti kinetiku sadašnje reakcije.

Kako? Kroz varijaciju koncentracije, koja se može pratiti ako se određeno svojstvo kvantificira i koje je proporcionalno prvom. Kroz povijest su metode postale sofisticiranije, omogućujući točnija i preciznija mjerenja, te sve manje intervale.

Brzina reakcije

Da bi se odredila brzina kemijske reakcije, potrebno je znati kako se koncentracija mijenja tijekom vremena bilo koje uključene vrste. Ta brzina u velikoj mjeri ovisi o mnogim čimbenicima, ali najvažnije je da je mjerljiva za one reakcije koje se odvijaju "polako"..

Ovdje je riječ "polako" relativna i definirana je za sve što se može mjeriti raspoloživim instrumentalnim tehnikama. Ako je, na primjer, reakcija mnogo brža od mjernog kapaciteta opreme, tada ona neće biti kvantitativna niti će se proučavati njezina kinetika..

Zatim se brzina reakcije određuje na pragu bilo kojeg postupka prije nego što dostigne ravnotežu. Zašto? Budući da je u ravnoteži brzina izravne reakcije (stvaranje produkata) i obrnuta reakcija (stvaranje reaktanata) jednaka.

Kontroliranjem varijabli koje djeluju na sustav, a time i njegove kinetike ili brzine reakcije, mogu se odabrati idealni uvjeti za generiranje određene količine proizvoda u najpoželjnijem i najsigurnijem vremenu..

S druge strane, ovo znanje otkriva molekularni mehanizam, koji je vrijedan kada se povećava učinkovitost reakcije.

definicija

Brzina je promjena veličine kao funkcija vremena. Za ove studije, interes leži u određivanju varijacije koncentracije kao sati, minute prolaze; nano, vršni ili čak femtosekundi (10. \ t^-15e).

Može imati mnogo jedinica, ali najjednostavniji i najlakši od svega je M · s^-1, ili što je jednako mol / L · s. Bez obzira na njegove jedinice, ona mora uvijek imati pozitivnu vrijednost, jer je to fizička veličina (kao što su dimenzije ili masa).

Međutim, prema dogovoru, stope nestanka za reagens imaju negativan predznak, a stope pojavljivanja za proizvod, pozitivan znak.

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

Opća jednadžba

Sljedeća kemijska jednadžba izražava reakciju A i B u obliku C i D:

u + bB => cC + dD

Molarne koncentracije su obično izražene u zagradama, tako da je, na primjer, koncentracija vrste A zapisana kao [A]. Prema tome, brzina reakcije za svaku od uključenih kemijskih vrsta je:

Prema matematičkoj jednadžbi, postoje četiri smjera za postizanje brzine reakcije: izmjerena je koncentracija bilo kojeg od reaktanata (A ili B) ili proizvoda (C ili D)..

Zatim se, s jednom od tih vrijednosti, i njegovim ispravnim stehiometrijskim koeficijentom, dijeli s potonjim i kako bi se dobila brzina reakcije rxn.

Budući da je brzina reakcije pozitivna količina, negativni predznak množi negativne vrijednosti brzine reaktanata; zbog toga su koeficijenti u i b pomnoži se s (-1).

Na primjer, ako je brzina nestajanja A - (5M / s), i njezin stehiometrijski koeficijent u je 2, onda je brzina rxn jednaka 2.5M / s ((-1/2) x 5).

Primjer za desert

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

7Kolačići + 3Bronies + 1Salad => 1Postre

A brzine za svaki od slatkih sastojaka i isti desert su:

Tako se brzina kojom se desert može odrediti varijacijom kolačića, kolača, sladoleda ili čitavog seta; dijeleći ga između svojih stehiometrijskih koeficijenata (7, 3, 1 i 1). Međutim, jedna od ruta može biti lakša od druge.

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

S druge strane, može biti prikladnije i praktičnije izmjeriti [kolačiće], zbog njihovog broja ili nekih njihovih svojstava koja olakšavaju utvrđivanje njihove koncentracije nego kolačića ili sladoleda.

Kako to odrediti

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

S druge strane, ako je B kisela vrsta, pH otopine će pasti na vrijednosti ispod 7. Dakle, iz smanjenja pH dobivamo [B], a uzastopce, graf [B] vs t. Procjenjuje se obostrani grafički prikaz nešto poput sljedećeg:

U grafikonu možete vidjeti kako se [A] smanjuje s vremenom, jer se konzumira, te kako se krivulja [B] povećava s pozitivnim nagibom jer je proizvod.

Također pokazuje da [A] teži nuli (ako ne postoji ravnoteža) i da [B] dostiže maksimalnu vrijednost određenu stehiometrijom i ako je reakcija završena (sve se A troši).

Brzina reakcije oba A i B je tangenta na bilo kojoj od ovih krivulja; drugim riječima, derivat.

Čimbenici koji utječu na brzinu reakcije

Priroda kemijskih vrsta

Ako bi sve kemijske reakcije bile trenutne, njihove kinetičke studije ne bi postojale. Mnogi imaju brzine tako visoke da se ne mogu mjeriti; to jest, oni nisu mjerljivi.

Prema tome, reakcije između iona su obično vrlo brze i potpune (s prinosom od oko 100%). S druge strane, oni koji uključuju organske spojeve zahtijevaju određeno vrijeme. Prva vrsta reakcije je:

H₂SW₄ + NaOH => Na₂SW₄ + 2H₂O

Jake elektrostatske interakcije između iona pogoduju brzom stvaranju vode i natrijevog sulfata. Nasuprot tome, reakcija drugog tipa je, na primjer, esterifikacija octene kiseline:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

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

Međutim, druge varijable imaju veći utjecaj na brzinu reakcije: koncentracija reaktanata, temperatura, tlak i prisutnost katalizatora..

Koncentracija reagensa

U kemijskoj kinetici proučavani prostor, odvojen od beskonačnog, naziva se sustavom. Na primjer, reaktor, čaša, tikvica, oblak, zvijezda, itd., Mogu se smatrati sustavom koji se ispituje.

Dakle, unutar sustava molekule nisu statične već "putuju" u sve kutove. U nekim od tih premještanja se sudaraju s drugom molekulom kako bi odskočili ili potaknuli proizvode.

Zatim je broj sudara proporcionalan koncentraciji reaktanata. Gornja slika prikazuje kako se sustav mijenja od niske do visoke koncentracije.

Isto tako, sve dok postoji više sudara, brzina reakcije će biti veća, budući da se šanse da dvije molekule reagiraju povećavaju.

Ako su reaktanti plinoviti, tada se upravlja promjenjivim tlakom i odnosi se na koncentraciju plina uz pretpostavku bilo koje od postojećih jednadžbi (kao što je idealan plin); ili također, volumen sustava se smanjuje kako bi se povećala vjerojatnost sudara plinskih molekula.

temperatura

Iako se broj sudara povećava, sve molekule nemaju energiju potrebnu za prevladavanje energije aktivacije procesa.

Ovdje temperatura igra važnu ulogu: ona ispunjava funkciju toplinskog ubrzavanja molekula tako da se sudaraju s više energije.

Tako se općenito brzina reakcije udvostručuje za svakih 10 ° C porasta temperature sustava. Međutim, za sve reakcije nije uvijek tako. Kako predvidjeti ovo povećanje? Arrheniusova jednadžba odgovara na pitanje:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

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

Da bi se izvršila kinetička studija, potrebno je održati konstantnu temperaturu i bez katalizatora. Koji su katalizatori? Oni su vanjske vrste koje interveniraju u reakciji, ali se ne konzumiraju, a one smanjuju aktivacijsku energiju.

Koncept katalize za reakciju glukoze s kisikom ilustriran je na gornjoj slici. Crvena linija predstavlja energiju aktivacije bez enzima (biološki katalizator), dok s tim, plava crta pokazuje smanjenje energije aktivacije.

Redoslijed reakcija u kemijskoj kinetici

U kemijskoj jednadžbi stehiometrijski indeksi povezani s mehanizmom reakcije nisu jednaki indeksima reda istih. Kemijske reakcije obično imaju prvi ili drugi poredak, rijetko treći ili više.

Zašto? Da su kolizije triju energetski pobuđenih molekula malo vjerojatne, a još više četverostruki ili peterostruki sudari, gdje je vjerojatnost beskonačno mala. Mogući su i frakcijski nalozi. Na primjer:

NH₄cl <=>NH₃ + HCl

Reakcija je prvi poredak u jednom smjeru (s lijeva na desno) i drugi poredak u drugom (desno na lijevo) ako se smatra da je ravnoteža. Dok je sljedeći saldo drugog reda u oba smjera:

2HI <=> H₂ + ja₂

Molekularnost i redoslijed reakcija su isti? Molekularnost je broj molekula koje reagiraju na nastanak produkata, a redoslijed globalne reakcije je isti redoslijed reagensa uključenih u korak koji određuje brzinu.

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂SW₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂SW₄ + 8H₂O

Ova reakcija, unatoč visokim stehiometrijskim indeksima (molekularnost), zapravo je reakcija drugog reda. Drugim riječima, odlučujući korak brzine je drugi poredak.

Reakcije nulte narudžbe

Pojavljuju se u slučaju heterogenih reakcija. Na primjer: između tekućine i krute tvari. Stoga je brzina neovisna o koncentracijama reaktanata.

Isto tako, ako reagens ima redoslijed reakcije od nule, to znači da ne sudjeluje u određivanju koraka brzine, već u brzinama.

Reakcija prvog reda

A => B

Reakcija prvog reda uređena je sljedećim zakonom o brzini:

V = k [A]

Ako se koncentracija A udvostruči, brzina reakcije V također to čini. Stoga je brzina proporcionalna koncentraciji reagensa u koraku koji određuje reakciju.

Reakcija drugog reda

2A => B

A + B => C

U ovoj vrsti reakcije interveniraju dvije vrste, kao u upravo napisanim kemijskim jednadžbama. Zakoni brzine za reakcije su:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

U prvoj je brzina reakcije proporcionalna kvadratu koncentracije A, dok se u drugome isto događa kao u reakcijama prvog reda: brzina je izravno proporcionalna koncentracijama i A i B..

Redoslijed reakcija naspram molekularnosti

Prema prethodnom primjeru, stehiometrijski koeficijenti se mogu ili ne moraju podudarati s redovima reakcije.

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

Primjerice, molekula A reagira s jednim od B kako bi tvorila molekulu C. Ovdje je molekularnost 1 za reaktante, a zatim se u izrazu zakona brzine poklapaju s redoslijedom reakcije..

Slijedi da molekularnost mora uvijek biti cijeli broj, a vjerojatno i manje od četiri.

Zašto? Budući da je u prolazu mehanizma vrlo malo vjerojatno da četiri molekule sudjeluju u isto vrijeme; mogli bi reagirati dva od njih, a onda bi druga dva reagirala s ovim proizvodom.

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

To je zato što prvo odražava samo kako koncentracija vrste utječe na brzinu, ali ne i na to kako njihove molekule interveniraju u procesu.

aplikacije

- Omogućuje određivanje vremena kada lijek ostaje u organizmu prije njegove potpune metabolizacije. Također, zahvaljujući kinetičkim studijama, enzimska kataliza može se pratiti kao zelena metoda protiv drugih katalizatora s negativnim utjecajima na okoliš; ili da se koristi u bezbrojnim industrijskim procesima.

- U automobilskoj industriji, posebno unutar motora, gdje se elektrokemijske reakcije moraju provesti brzo kako bi vozilo počelo. Također u ispušnim cijevima, koje imaju katalizatore za pretvaranje štetnih plinova CO, NO i NO_x u CO₂, H₂O, N₂ i O₂ tijekom optimalnog vremena.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(G)

-Reakcija je zašto se zračni jastuci napuhuju kada se vozila sudaraju. Kada gume naglo koče, detektor električno detonira natrijev azid, NaN₃. Ovaj reagens "eksplodira" oslobađajući N₂, koji brzo zauzima cijeli volumen vrećice.

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

reference

1. Walter J. Moore. (1963). Fizikalna kemija u Kemijska kinetika. Četvrto izdanje, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Principi fizikohemije. Šesto izdanje, str. 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23. prosinca 2011.) Molekularni sudara jest. [Figua]. Preuzeto 30. travnja 2018. s adrese: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Udžbenik fizikalne kemije. u Kemijska kinetika. Drugo izdanje. D. Van Nostrand, Company, Inc..
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8. ožujka 2017.) Definicija kemijske kinetike. Preuzeto 30. travnja 2018. godine s adrese: thoughtco.com
6. Khan Akademija. (2018.). Zakoni o stopama i stopama reakcija. Preuzeto 30. travnja 2018., s adrese: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26. srpnja 2010.) Kemijska kinetika Preuzeto 30. travnja 2018., s adrese: quimicafisica.com