Faktory chemické kinetiky, reakční pořadí, aplikace

chemická kinetika Je to studium rychlostí reakce. Odvozuje experimentální nebo teoretická data o molekulárním mechanismu prostřednictvím zákonů vyjádřených matematickými rovnicemi. Mechanismy se skládají z řady kroků, z nichž některé jsou rychlé a jiné pomalé.

Nejpomalejší z nich se nazývá krok určování rychlosti. Znalost zprostředkujících druhů a operativního mechanismu tohoto kroku je proto velmi důležitá z hlediska kinetiky. Vizualizace výše uvedeného je předpokladem, že reagencie jsou uzavřeny v láhvi a že při reakci produkty unikají ven..

Konečně, produkty se uvolňují volně ústy láhve bez dalších kinetických překážek. Z tohoto pohledu existují lahve mnoha velikostí a provedení. Všechny však mají jeden společný prvek: úzký krk, indikátor rozhodujícího kroku reakce.

Index

• 1 Co studuje chemická kinetika?
• 2 Rychlost reakce
  • 2.1 Definice
  • 2.2 Obecná rovnice
  • 2.3 Příklad dezertu
  • 2.4 Jak to určit
• 3 Faktory ovlivňující rychlost reakce
  • 3.1 Povaha chemických druhů
  • 3.2 Koncentrace činidel
  • 3.3 Teplota
• 4 Pořadí reakcí v chemické kinetice
  • 4.1 Reakce nultého řádu
  • 4.2 Reakce prvního řádu
  • 4.3 Reakce druhého řádu
  • 4.4 Pořadí reakce vs. molekula
• 5 Aplikace
• 6 Odkazy

Co studuje chemická kinetika?

Experimentálně, toto odvětví chemie studuje změny koncentrace zapojené do chemické reakce, od měření specifické vlastnosti.

Chemická kinetika je obor chemie zodpovědný za studium všech informací, které mohou být odvozeny z rychlosti reakce. Jeho jméno vás vyzývá k představě kapesních hodinek označujících čas procesu, bez ohledu na to, kde k němu dochází: v reaktoru, v oblaku, v řece, v lidském těle atd..

Všechny chemické reakce, a tedy celá transformace, mají termodynamické, rovnovážné a kinetické aspekty. Termodynamika indikuje, zda je reakce spontánní nebo ne; rovnováha jeho stupně kvantifikace; a kinetické podmínky, které zvýhodňují jeho rychlost a také údaje o jeho mechanismu.

Mnoho základních aspektů chemické kinetiky lze pozorovat v každodenním životě: v chladničce, která zmrazuje potraviny, aby se snížil její rozklad zmrazením vody, která je jejich součástí. Také při zrání vín, jejichž stárnutí jim dodává příjemnou chuť.

"Doba molekul" je však ve svých malých měřítcích velmi odlišná a velmi se mění v závislosti na mnoha faktorech (počet a typy vazeb, velikosti, stavy hmoty atd.).

Protože čas je život a je to také peníze, je velmi důležité vědět, které proměnné umožňují, aby chemická reakce probíhala co nejrychleji. Někdy je však žádoucí opak: reakce probíhá velmi pomalu, zejména pokud je exotermická a existuje riziko výbuchu.

Jaké jsou tyto proměnné? Některé z nich jsou fyzikální, např. Při jakém tlaku nebo teplotě musí mít reaktor nebo systém; a další jsou chemické, jako je typ rozpouštědla, pH, slanost, molekulární struktura atd..

Než však přijdeme s těmito proměnnými, musíme nejprve studovat kinetiku této reakce.

Jak? Přes koncentrační variaci, kterou lze sledovat, pokud je určitá vlastnost kvantifikována, která je úměrná první. V průběhu historie se tyto metody staly sofistikovanějšími, umožňujícími přesnější a přesnější měření a se stále menšími intervaly.

Reakční rychlost

Pro určení rychlosti chemické reakce je nutné vědět, jak se koncentrace v průběhu času mění u kteréhokoliv z dotčených druhů. Tato rychlost závisí do značné míry na mnoha faktorech, ale nejdůležitější je, že je měřitelná pro ty reakce, které probíhají „pomalu“..

Zde je slovo „pomalu“ relativní a je definováno pro vše, co lze měřit dostupnými instrumentálními technikami. Pokud je například reakce mnohem rychlejší než měřicí kapacita zařízení, pak nebude kvantitativní ani nebude možné studovat jeho kinetiku..

Pak je rychlost reakce stanovena na prahu jakéhokoliv procesu před dosažením rovnováhy. Proč? Protože v rovnováze je rychlost přímé reakce (tvorba produktů) a reverzní reakce (tvorba reaktantů) stejná.

Ovládání proměnných, které působí na systém, a následně jeho kinetika nebo rychlost reakce, ideální podmínky mohou být zvoleny tak, aby generovaly určité množství produktu v nejžádanějším a nejbezpečnějším čase..

Na druhé straně tyto znalosti odhalují molekulární mechanismus, který je cenný při zvyšování výkonu reakce.

Definice

Rychlost je změna velikosti jako funkce času. V těchto studiích spočívá zájem při stanovení změny koncentrace v hodinách, minutách; nano, vrchol nebo dokonce femtosekundy (10^-15s).

Může mít mnoho jednotek, ale nejjednodušší a nejjednodušší ze všech je M · s^-1, nebo co se rovná mol / L · s. Bez ohledu na své jednotky musí mít vždy kladnou hodnotu, protože se jedná o fyzikální veličinu (například rozměry nebo hmotnost)..

Po dohodě však míra vymizení činidla má negativní znaménko a poměr vzhledu produktu, pozitivní znak.

Pokud ale reaktanty a produkty mají své vlastní rychlosti, jak tedy určit rychlost celkové reakce? Odpověď spočívá ve stechiometrických koeficientech.

Obecná rovnice

Následující chemická rovnice vyjadřuje reakci A a B na formu C a D:

aA + bB => cC + dD

Molární koncentrace jsou obvykle vyjádřeny v závorkách, takže například koncentrace druhu A je psána jako [A]. Reakční rychlost pro každý z použitých chemických druhů je tedy:

Podle matematické rovnice existují čtyři cesty k dosažení rychlosti reakce: měří se koncentrace koncentrací kteréhokoliv z reaktantů (A nebo B) nebo produktů (C nebo D)..

Poté, s jednou z těchto hodnot a jejím správným stechiometrickým koeficientem, je tato hodnota rozdělena a pro dosažení reakční rychlosti rxn.

Protože reakční rychlost je kladné množství, záporné znaménko násobí záporné hodnoty rychlosti reaktantů; z tohoto důvodu koeficienty a a b vynásobit (-1).

Například, pokud je rychlost zmizení A - (5M / s) a jeho stechiometrický koeficient a je 2, pak je rychlost rxn rovna 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Příklad dezert

Pokud by byl produkt dezertem, byly by obdobnými složkami reaktanty; a chemická rovnice, recept:

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

A rychlost pro každou ze sladkých složek a stejný dezert jsou:

Rychlost, s jakou je dezert vyroben, tak může být určena změnou cookies, sušenek, zmrzliny nebo celé sady; rozděluje ji dále mezi své stechiometrické koeficienty (7, 3, 1 a 1). Jedna z cest však může být jednodušší než druhá.

Pokud například změříte, jak [Dezert] roste v různých časových intervalech, tato měření mohou být komplikovaná.

Na druhou stranu může být pohodlnější a praktičtější měřit [cookies], vzhledem k jejich počtu nebo některým jejich vlastnostem, které usnadňují určení jejich koncentrace než koncentrace sušenek nebo zmrzliny..

Jak to určit

Vzhledem k jednoduché reakci A => B, jestliže A, například ve vodném roztoku, vykazuje zelené zbarvení, pak to závisí na jeho koncentraci. Tak, jak A se stane B, zelená barva zmizí, a jestliže toto zmizení je kvantifikováno, pak křivka [A] vs t může být získána \ t.

Na druhé straně, pokud B je kyselý druh, pH roztoku klesne na hodnoty nižší než 7. Tak, ze snížení pH získáme [B] a následně graf [B] vs t. Překrývání pak oba grafy hodnotí takto:

V grafu vidíte, jak [A] s časem klesá, protože se spotřebovává a jak se křivka [B] zvyšuje s pozitivním sklonem, protože se jedná o produkt.

To také ukáže, že [A] inklinuje k nule (jestliže tam je žádná rovnováha) a že [B] dosáhne maximální hodnoty řízené stechiometry a jestliže reakce je kompletní (všichni A je spotřebován) \ t.

Reakční rychlost A a B je tečná přímka na kterékoli z těchto křivek; jinými slovy, derivát.

Faktory ovlivňující rychlost reakce

Povaha chemických druhů

Pokud by všechny chemické reakce byly okamžité, jejich kinetické studie by neexistovaly. Mnoho z nich má takové rychlosti, že je nelze měřit; to znamená, že nejsou měřitelné.

Reakce mezi ionty jsou obvykle velmi rychlé a úplné (s výtěžkem kolem 100%). Na druhou stranu, ty, které se týkají organických sloučenin, vyžadují určitý čas. Reakce prvního typu je:

H₂SO₄ + 2NaOH => Na₂SO₄ + 2H₂O

Silné elektrostatické interakce mezi ionty napomáhají rychlé tvorbě vody a síranu sodného. Naproti tomu reakce druhého typu je například esterifikace kyseliny octové:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

I když se také tvoří voda, reakce není okamžitá; Dokonce i za příznivých podmínek uplyne několik hodin.

Další proměnné mají však větší vliv na rychlost reakce: koncentrace reaktantů, teplota, tlak a přítomnost katalyzátorů.

Koncentrace činidel

V chemické kinetice, prostor pod studiem, oddělený od nekonečný, je volán systém. Například reaktor, kádinka, baňka, mrak, hvězda, atd. Mohou být považovány za studovaný systém.

V systému tedy molekuly nejsou statické, ale „cestují“ do všech koutů. V některých z těchto kolizí kolize s jinou molekulou odrazit nebo vytvořit produkty.

Potom je počet kolizí úměrný koncentraci reaktantů. Horní obrázek ukazuje, jak se systém mění z nízkých na vysoké koncentrace.

Také pokud existuje více kolizí, rychlost reakce bude vyšší, protože se zvýší šance dvou molekul, které reagují.

Jestliže reaktanty jsou plynné, pak se s proměnlivým tlakem zachází a souvisí s koncentrací plynu za předpokladu, že existuje některá z existujících rovnic (jako je ideální plyn); nebo také, objem systému je redukován zvětšit pravděpodobnost molekul plynu kolidovat.

Teplota

I když se počet kolizí zvyšuje, ne všechny molekuly mají energii potřebnou k překonání aktivační energie procesu.

Zde hraje významnou roli teplota: plní funkci tepelného zrychlení molekul tak, aby se srazily s větší energií.

Obecně se reakční rychlost zdvojnásobuje pro každých 10 ° C zvýšení teploty systému. Nicméně, pro všechny reakce to není vždy tak. Jak tento nárůst předpovědět? Arrheniova rovnice odpovídá na otázku:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K je konstanta rychlosti při teplotě T, R je konstanta plynů a E je aktivační energie. Tato energie udává energetickou bariéru, kterou reagencie musí reagovat, aby reagovaly.

Pro provedení kinetické studie je nutné udržovat konstantní teplotu a bez katalyzátorů. Jaké jsou katalyzátory? Jsou to vnější druhy, které zasahují do reakce, ale nejsou konzumovány, a které snižují aktivační energii.

Koncept katalýzy pro reakci glukózy s kyslíkem je znázorněn na obrázku výše. Červená čára představuje aktivační energii bez enzymu (biologický katalyzátor), zatímco modrá čára ukazuje snížení aktivační energie.

Pořadí reakcí v chemické kinetice

V chemické rovnici nejsou stechiometrické indexy, vztahující se k mechanismu reakce, rovny indexům stejného řádu. Chemické reakce mají obvykle první nebo druhé řády, zřídka třetí nebo vyšší.

Proč je to? Že kolize tří energeticky excitovaných molekul je nepravděpodobná, a ještě více jsou to čtyřnásobné nebo pětinásobné kolize, kde je pravděpodobnost nekonečná. Možné jsou také frakční reakce. Například:

NH₄Cl <=>NH₃ + HC1

Reakce je první řád v jednom směru (zleva doprava) a druhý řád v druhém (zprava doleva), pokud je považován za rovnováhu. Zatímco následující zůstatek je druhého řádu v obou směrech:

2HI <=> H₂ + Já₂

Molekularita a pořadí reakce jsou stejné? Ne. Molekularita je počet molekul, které reagují, aby vznikly produkty, a pořadí globální reakce je stejné pořadí reakčních činidel zapojených do kroku, který určuje rychlost..

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

Tato reakce, přestože má vysoké stechiometrické indexy (molekula), je vlastně reakce druhého řádu. Jinými slovy, určujícím krokem rychlosti je druhý řád.

Reakce nultého řádu

Vyskytují se v případě heterogenních reakcí. Například: mezi kapalinou a pevnou látkou. Rychlost je tedy nezávislá na koncentracích reaktantů.

Stejně tak, pokud má reakční činidlo nulový sled reakcí, znamená to, že se nepodílí na určujícím kroku rychlosti, ale na rychlém kroku..

Reakce prvního řádu

A => B

Reakce prvního řádu se řídí následujícím zákonem o rychlosti:

V = k [A]

Pokud se koncentrace A zdvojnásobí, tak také reakční rychlost V. Proto je rychlost úměrná koncentraci činidla v kroku, který určuje reakci.

Reakce druhého řádu

2A => B

A + B => C

V tomto typu reakce zasahují dva druhy, jak je tomu u dvou chemických rovnic. Zákony rychlosti pro reakce jsou:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

V první je rychlost reakce úměrná čtverci koncentrace A, zatímco ve druhém je to stejné jako v reakcích prvního řádu: rychlost je přímo úměrná koncentracím A i B.

Reakční pořadí vs. molekula

Podle předchozího příkladu se stechiometrické koeficienty mohou nebo nemusí shodovat s řády reakce.

K tomu však dochází u elementárních reakcí, které určují molekulární mechanismus jakéhokoliv kroku reakce. V těchto reakcích jsou koeficienty rovny počtu zúčastněných molekul.

Například, molekula A reaguje s jedním B tvořit molekulu C. Zde molekula je 1 pro reaktanty a pak ve vyjádření zákona rychlosti oni se shodují s objednávkami reakce \ t.

Z toho vyplývá, že molekula musí být vždy celé číslo a pravděpodobnostně menší než čtyři.

Proč? Protože při průchodu mechanismem je velmi nepravděpodobné, že by se čtyři molekuly účastnily současně; Mohli by reagovat první z nich, a pak by ostatní dva reagovali s tímto produktem.

Matematicky je to jeden z hlavních rozdílů mezi řády reakcí a molekulární charakteristika: pořadí reakce může mít zlomkové hodnoty (1/2, 5/2 atd.).

Je to proto, že první z nich odráží pouze to, jak koncentrace druhu ovlivňuje rychlost, ale ne jak jejich molekuly zasahují do procesu.

Aplikace

- Umožňuje určit dobu, po kterou lék zůstává v organismu před jeho úplnou metabolizací. Také díky kinetickým studiím může být enzymatická katalýza následována zelenými metodami proti jiným katalyzátorům s negativními dopady na životní prostředí; nebo také pro nesčetné průmyslové procesy.

- V automobilovém průmyslu, konkrétně v motorech, kde musí být elektrochemické reakce prováděny rychle, aby vozidlo mohlo začít. Také v jeho výfukových trubkách, které mají katalyzátory pro transformaci škodlivých plynů CO, NO a NO_x v CO₂, H₂O, N₂ a O₂ během optimálního času.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(g)

-Je to reakce, proč jsou airbagy nahuštěny, když se vozidla srazí. Když se pneumatiky prudce zabrzdí, detektor elektricky odpálí azid sodný, NaN₃. Toto činidlo "exploduje" uvolňujícím N₂, který rychle zabírá celý objem sáčku.

Kovový sodík pak reaguje s dalšími složkami, aby ho neutralizoval, protože v čistém stavu je jedovatý.

Odkazy

1. Walter J. Moore. (1963). Fyzikální chemie In Chemická kinetika. Čtvrté vydání, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Principy fyzikální chemie. Šesté vydání, strana 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki (23. prosince 2011). Molekulární srážky-en [Figua] Získáno 30. dubna 2018, z: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Učebnice fyzikální chemie. In Chemická kinetika. Druhé vydání. D. Van Nostrand, Company, Inc..
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8. března 2017). Definice chemické kinetiky. Získáno 30. dubna 2018, z: thoughtco.com
6. Khan Academy. (2018). Zákony o rychlostech a rychlostech reakce. Získáno 30. dubna 2018, z: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26. července 2010). Chemická kinetika Získáno 30. dubna 2018, z: quimicafisica.com