Ķīmiskās kinētikas faktori, reakcijas kārtība, lietojumprogrammas

The ķīmiskā kinētika Tā ir reakcijas ātruma izpēte. Tā secina eksperimentālos vai teorētiskos datus par molekulāro mehānismu, izmantojot likumus, kas izteikti ar matemātiskiem vienādojumiem. Mehānismi sastāv no vairākiem soļiem, no kuriem daži ir ātri un citi lēni.

Vismazāko no tiem sauc par ātruma noteikšanas soli. Tāpēc starpposma sugu un šī posma operanta mehānisma izpratne ir ļoti svarīga kinētikas ziņā. Iepriekšminētā vizualizācija ļauj pieņemt, ka reaģenti ir ievietoti pudelē un ka reaģējot, produkti izplūst no ārpuses.

Visbeidzot, produkti brīvi izplūst caur pudeles muti bez papildu kinētiskiem traucējumiem. No šī viedokļa ir daudz izmēru un dizainu pudeles. Tomēr visiem tiem ir viens kopīgs elements: šaurs kakls, reakcijas noteicošā posma indikators.

Indekss

• 1 Kas studē ķīmisko kinētiku?
• 2 Reakcijas ātrums
  • 2.1. Definīcija
  • 2.2. Vispārējais vienādojums
  • 2.3. Deserta paraugs
  • 2.4 Kā to noteikt
• 3 Faktori, kas ietekmē reakcijas ātrumu
  • 3.1 Ķīmisko sugu būtība
  • 3.2 Reaģentu koncentrācija
  • 3.3 Temperatūra
• 4 Reakcijas secība ķīmiskajā kinētikā
  • 4.1 Nulles kārtas reakcijas
  • 4.2. Pirmā pasūtījuma reakcija
  • 4.3. Otrās kārtas reakcija
  • 4.4 Reakcijas kārtība pret molekulitāti
• 5 Pieteikumi
• 6 Atsauces

Kas studē ķīmisko kinētiku?

Eksperimentāli šī ķīmijas nozare analizē ķīmiskās reakcijas koncentrācijas variācijas no konkrētas īpašības mērīšanas.

Ķīmiskā kinētika ir ķīmijas nozare, kas atbild par visas informācijas izpēti, ko var iegūt no reakcijas ātruma. Viņa vārds aicina jūs iedomāties kabatas pulksteni, kas iezīmētu procesa laiku, neatkarīgi no tā, kur tas notiek: reaktorā, mākonī, upē, cilvēka ķermenī utt..

Visām ķīmiskajām reakcijām un līdz ar to visām transformācijām ir termodinamikas, līdzsvara un kinētiskie aspekti. Termodinamika norāda, vai reakcija ir spontāna vai nē; līdzsvars ar tā kvantitatīvās noteikšanas pakāpi; un kinētiskie apstākļi, kas atbalsta tā ātrumu, kā arī dati par tā mehānismu.

Daudzus būtiskos ķīmiskās kinētikas aspektus var novērot ikdienas dzīvē: ledusskapī, kas sasaldē pārtiku, lai samazinātu tā sadalīšanos, sasaldējot ūdeni, kas ir to daļa. Arī vīnu nogatavināšanas laikā, kuru novecošana dod viņiem patīkamu garšu.

Tomēr "molekulu laiks" ir ļoti atšķirīgs mazajos svaros, un tas ir ļoti atšķirīgs atkarībā no daudziem faktoriem (saišu skaits un veidi, izmēri, vielas stāvoklis utt.)..

Tā kā laiks ir dzīve, un tas ir arī nauda, ​​ir ļoti svarīgi zināt, kādi mainīgie lielumi ļauj ķīmiskajai reakcijai rīkoties pēc iespējas ātrāk. Tomēr dažreiz ir vēlams pretējs: ka reakcija notiek ļoti lēni, īpaši, ja tā ir eksotermiska un pastāv eksplozijas risks..

Kādi ir šie mainīgie? Daži no tiem ir fiziski, piemēram, kādā spiedienā vai temperatūrā reaktoram vai sistēmai jābūt; un citi ir ķīmiski, piemēram, šķīdinātāja veids, pH, sāļums, molekulārā struktūra utt..

Tomēr, pirms nonākam pie šiem mainīgajiem lielumiem, vispirms mums ir jāizpēta šīs reakcijas kinētika.

Kā? Ar koncentrācijas variāciju, ko var sekot, ja konkrēta īpašība ir kvantitatīva, kas ir proporcionāla pirmajai. Vēstures gaitā metodes ir kļuvušas sarežģītākas, ļaujot precīzākus un precīzākus mērījumus, un ar arvien mazākiem intervāliem.

Reakcijas ātrums

Lai noteiktu ķīmiskās reakcijas ātrumu, ir jāzina, kā koncentrācija laika gaitā mainās attiecībā uz kādu no iesaistītajām sugām. Šis ātrums lielā mērā ir atkarīgs no daudziem faktoriem, bet vissvarīgākais ir tas, ka tas ir izmērāms tām reakcijām, kas notiek "lēni".

Šeit vārds "lēni" ir relatīvs un definēts visam, ko var izmērīt ar pieejamajām instrumentālajām metodēm. Piemēram, ja reakcija ir daudz ātrāka par iekārtas mērīšanas jaudu, tad tā nebūs kvantitatīva, kā arī tās kinētiku nevar pētīt..

Tad reakcijas ātrumu nosaka pēc jebkura procesa sliekšņa, pirms tas sasniedz līdzsvaru. Kāpēc? Tā kā līdzsvara apstākļos tiešās reakcijas ātrums (produktu veidošanās) un atgriezeniskās reakcijas ātrums (reaģentu veidošanās) ir vienāds.

Kontrolējot mainīgos lielumus, kas darbojas sistēmā, un līdz ar to tās kinētiku vai reakcijas ātrumu, var izvēlēties ideālus apstākļus, lai radītu noteiktu daudzumu produkta vēlamajā un drošākajā laikā.

No otras puses, šīs zināšanas atklāj molekulāro mehānismu, kas ir vērtīgs, palielinot reakcijas izpildi.

Definīcija

Ātrums ir lieluma maiņa kā laika funkcija. Šiem pētījumiem interese ir koncentrācijas izmaiņu noteikšana stundās, minūtēs; nano, pīķa vai pat femtosekundes (10. \ t^-15s).

Tam var būt daudz vienību, bet visvienkāršākais un vienkāršākais no visiem ir M · s^-1, vai kas ir vienāds ar mol / L · s. Neatkarīgi no tā vienībām vienmēr jābūt pozitīvai vērtībai, jo tas ir fizisks daudzums (piemēram, izmēri vai masa)..

Tomēr, vienojoties, reaģenta pazušanas rādītājiem ir negatīva zīme un produkta izskatu līmenis, pozitīva zīme.

Bet, ja reaģentiem un produktiem ir savi ātrumi, kā tad noteikt vispārējās reakcijas ātrumu? Atbilde ir stehiometriskajos koeficientos.

Vispārējais vienādojums

Nākamais ķīmiskais vienādojums izsaka A un B reakciju uz C un D formu:

aA + bB => cC + dD

Molārā koncentrācija parasti tiek izteikta iekavās, lai, piemēram, A sugas koncentrācija būtu rakstīta kā [A]. Tādējādi katras iesaistītās ķīmiskās vielas reakcijas ātrums ir:

Saskaņā ar matemātisko vienādojumu reakcijas ātruma sasniegšanai ir četri ceļi: tiek mērīta jebkura reaģenta (A vai B) vai produktu (C vai D) koncentrācijas izmaiņas..

Tad ar vienu no šīm vērtībām un pareizu stehiometrisko koeficientu to dala ar pēdējo un lai iegūtu reakcijas ātrumu rxn.

Tā kā reakcijas ātrums ir pozitīvs daudzums, negatīvā zīme reizina reaģentu negatīvās ātruma vērtības; šī iemesla dēļ koeficienti a un b reizināt ar (-1).

Piemēram, ja A izzušanas ātrums ir - (5M / s) un tā stehiometriskais koeficients a ir 2, tad ātrums rxn ir vienāds ar 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Deserta paraugs

Ja produkts būtu deserts, pēc analoģijas sastāvdaļas būtu reaģenti; un ķīmisko vienādojumu, recepte:

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

Un ātrums katrai no saldajām sastāvdaļām un tas pats deserts ir:

Tādējādi ātrumu, ar kādu tiek gatavots deserts, var noteikt, izmantojot sīkdatnes, cepumus, saldējumu vai visu komplektu; sadalot to starp stehiometriskajiem koeficientiem (7, 3, 1 un 1). Tomēr viens no maršrutiem var būt vieglāks nekā otrs.

Piemēram, ja mēra, kā [deserts] palielinās dažādos laika intervālos, šie mērījumi var būt sarežģīti.

No otras puses, var būt ērtāk un praktiskāk izmērīt [sīkdatnes] to skaita vai to īpašību dēļ, kas padara to koncentrāciju vieglāk nosakāmu nekā cepumi vai saldējums.

Kā to noteikt

Ņemot vērā vienkāršo reakciju A => B, ja A, piemēram, ūdens šķīdumā, ir zaļā krāsa, tad tas ir atkarīgs no tā koncentrācijas. Tādējādi, tā kā A kļūst par B, zaļā krāsa pazūd, un, ja šī izzušana ir kvantitatīva, tad var iegūt [A] pret t līkni.

No otras puses, ja B ir skāba suga, šķīduma pH samazināsies līdz vērtībām, kas zemākas par 7. Tādējādi no pH samazinājuma mēs iegūstam [B] un secīgi grafiku [B] pret t. Pārklāšana, tad abi grafiki tiek novērtēti šādi:

Grafikā var redzēt, kā [A] laika gaitā samazinās, jo tas tiek patērēts un kā līkne [B] palielinās ar pozitīvu slīpumu, jo tas ir produkts..

Tas arī parāda, ka [A] mēdz būt nulle (ja nav līdzsvara) un ka [B] sasniedz maksimālo vērtību, ko regulē stehiometrija, un ja reakcija ir pabeigta (viss A tiek patērēts).

A un B reakcijas ātrums ir tangens līnija jebkurā no šīm līknēm; citiem vārdiem sakot, atvasinājums.

Faktori, kas ietekmē reakcijas ātrumu

Ķīmisko sugu veids

Ja visas ķīmiskās reakcijas būtu tūlītējas, to kinētiskie pētījumi nepastāvētu. Daudziem ir tik liels ātrums, ka tos nevar izmērīt; tas ir, tie nav izmērāmi.

Tādējādi reakcijas starp joniem parasti ir ļoti ātras un pilnīgas (ar iznākumu aptuveni 100%). No otras puses, tiem, kas saistīti ar organiskajiem savienojumiem, vajadzīgs zināms laiks. Pirmā veida reakcija ir:

H₂SO₄ + 2NaOH => Na₂SO₄ + 2H₂O

Spēcīgā elektrostatiskā mijiedarbība starp joniem veicina ātru ūdens un nātrija sulfāta veidošanos. Turpretim otrā tipa reakcija ir, piemēram, etiķskābes esterifikācija:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Lai arī arī veidojas ūdens, reakcija nav tūlītēja; pat labvēlīgos apstākļos, vairākas stundas paiet.

Tomēr citiem mainīgajiem lielumiem ir lielāka ietekme uz reakcijas ātrumu: reaģentu koncentrācija, temperatūra, spiediens un katalizatoru klātbūtne..

Reaģentu koncentrācija

Ķīmiskajā kinētikā pētāmo telpu, kas atdalīta no bezgalības, sauc par sistēmu. Piemēram, reaktoru, vārglāzi, kolbu, mākoni, zvaigzni utt. Var uzskatīt par pētāmo sistēmu..

Tādējādi sistēmā molekulas nav statiskas, bet "pārvietojas" uz visiem stūriem. Dažās no šīm pārvietojumiem saduras ar citu molekulu, lai atlētu vai radītu produktus.

Tad sadursmju skaits ir proporcionāls reaģentu koncentrācijai. Augšējais attēls parāda, kā sistēma mainās no zemas līdz augstām koncentrācijām.

Tāpat, kamēr ir vairāk sadursmju, reakcijas ātrums būs lielāks, jo divu molekulu izredzes palielināties.

Ja reaģenti ir gāzveida, tad mainīgais spiediens tiek apstrādāts un saistīts ar gāzes koncentrāciju, pieņemot kādu no daudzajiem esošajiem vienādojumiem (piemēram, ideālā gāze); vai arī sistēmas apjoms tiek samazināts, lai palielinātu gāzes molekulu sadursmes iespējamību.

Temperatūra

Kaut arī sadursmju skaits palielinās, ne visām molekulām ir vajadzīgā enerģija, lai pārvarētu procesa aktivizācijas enerģiju.

Tas ir, ja temperatūrai ir svarīga loma: tā pilda molekulu termiskās paātrināšanas funkciju, lai tās saduras ar lielāku enerģiju.

Tādējādi parasti reakcijas ātrums katram 10 ° C temperatūrai palielinās sistēmas temperatūras pieaugumam. Tomēr visām reakcijām tā ne vienmēr ir tāda. Kā prognozēt šo pieaugumu? Arrhenius vienādojums atbild uz jautājumu:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K ir ātruma konstante temperatūrā T, R ir gāzu konstante un E ir aktivācijas enerģija. Šī enerģija norāda uz enerģijas barjeru, kas reaģentiem ir jāregulē.

Lai veiktu kinētisko pētījumu, ir nepieciešams uzturēt temperatūru nemainīgu un bez katalizatoriem. Kādi ir katalizatori? Tās ir ārējās sugas, kas iejaucas reakcijā, bet netiek patērētas un kas samazina aktivācijas enerģiju.

Katalīzes jēdziens glikozes reakcijai ar skābekli ir parādīts attēlā. Sarkanā līnija attēlo aktivācijas enerģiju bez fermenta (bioloģiskais katalizators), bet ar to zilā līnija uzrāda aktivācijas enerģijas samazinājumu..

Reakcijas secība ķīmiskajā kinētikā

Ķīmiskā vienādojumā stehiometriskie rādītāji, kas saistīti ar reakcijas mehānismu, nav vienādi ar to secības indeksiem. Ķīmiskajām reakcijām parasti ir pirmais vai otrais pasūtījums, reti trešā vai lielākā kārtībā.

Kāpēc tas ir? Tas, ka triju enerģiski ierosinātu molekulu sadursmes ir maz ticamas, un vēl jo vairāk ir četrkāršas vai kvintveida sadursmes, kur varbūtība ir bezgalīga. Iespējamas arī daļējas reakcijas. Piemēram:

NH₄Cl <=>NH₃ + HCl

Reakcija ir pirmā kārtība vienā virzienā (no kreisās uz labo pusi) un otrā kārtība otrajā (pa labi no kreisās), ja to uzskata par līdzsvaru. Lai gan šāds atlikums abos virzienos ir otrās kārtas:

2HI <=> H₂ + I₂

Molekulitātes un reakcijas secība ir vienāda? Nē. Molekulitāte ir to molekulu skaits, kas reaģē, lai radītu produktus, un globālās reakcijas secība ir tāda pati reaģentu secība, kas iesaistīts solī, kas nosaka ātrumu.

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

Šī reakcija, neraugoties uz augstiem stehiometriskajiem rādītājiem (molekulitāte), faktiski ir otrās kārtas reakcija. Citiem vārdiem sakot, ātruma noteikšanas solis ir otrā kārtība.

Nulles kārtas reakcijas

Tās rodas heterogēnu reakciju gadījumā. Piemēram: starp šķidrumu un cietu vielu. Tādējādi ātrums nav atkarīgs no reaģentu koncentrācijas.

Tāpat, ja reaģenta reakcijas secība ir nulle, tas nozīmē, ka tas nepiedalās ātruma noteikšanas stadijā, bet ātrās reakcijās.

Pirmā pasūtījuma reakcija

A => B

Pirmās kārtas reakciju regulē šāds likums par ātrumu:

V = k [A]

Ja A divkāršojas, tad arī reakcijas ātrums V. Tāpēc ātrums ir proporcionāls reaģenta koncentrācijai solī, kas nosaka reakciju.

Otrās kārtas reakcija

2A => B

A + B => C

Šāda veida reakcijā iesaistās divas sugas, tāpat kā tikai tikko rakstītie ķīmiskie vienādojumi. Reakcijas ātruma likumi ir:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

Pirmajā reakcijas ātrums ir proporcionāls A koncentrācijas laukumam, bet otrajā gadījumā tas notiek tāpat kā pirmajā kārtībā: ātrums ir tieši proporcionāls gan A, gan B koncentrācijai..

Reakcijas secība pret molekulitāti

Saskaņā ar iepriekšējo piemēru stehiometriskie koeficienti var sakrist vai nesakrist ar reakcijas rīkojumiem.

Tomēr tas notiek elementārām reakcijām, kas nosaka jebkura reakcijas posma molekulāro mehānismu. Šajās reakcijās koeficienti ir vienādi ar iesaistīto molekulu skaitu.

Piemēram, A molekula reaģē ar vienu no B, lai izveidotu C. molekulu. Šeit molekulitāte ir 1 reaktīviem un pēc tam ātruma tiesību izteiksmē tie sakrīt ar reakcijas rīkojumiem.

No tā izriet, ka molekulitātei vienmēr jābūt veselam skaitlim un varbūtiski mazākam par četriem.

Kāpēc? Tā kā mehānisma gaitā ir maz ticams, ka tajā pašā laikā piedalās četras molekulas; vispirms varētu reaģēt divas no tām, un pārējās divas reaģēs ar šo produktu.

Matemātiski šī ir viena no galvenajām atšķirībām starp reakciju rīkojumiem un molekulitāti: reakcijas secībā var būt daļējas vērtības (1/2, 5/2 utt.).

Tas ir tāpēc, ka pirmais atspoguļo tikai to, kā sugas koncentrācija ietekmē ātrumu, bet ne to, kā to molekulas iejaucas procesā.

Programmas

- Tas ļauj noteikt laiku, kad zāles paliek organismā pirms tās pilnīgas metabolizācijas. Turklāt, pateicoties kinētiskajiem pētījumiem, fermentu katalīzi var sekot kā zaļām metodēm pret citiem katalizatoriem ar negatīvu ietekmi uz vidi; vai arī to var izmantot neskaitāmos rūpnieciskos procesos.

- Automobiļu rūpniecībā, jo īpaši motoros, kur elektrokemijas reakcijas jāveic ātri, lai transportlīdzeklis sāktu darbu. Arī tās izplūdes caurulēs, kurās ir katalītiskie pārveidotāji kaitīgo gāzu CO, NO un NO pārveidošanai_x CO₂, H₂O, N₂ un O₂ optimālā laikā.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(g)

-Tā ir reakcija, kādēļ gaisa spilveni tiek piepumpēti, kad transportlīdzekļi saduras. Kad riepas pēkšņi bremzē, detektors elektriski detonē nātrija azīdu NaN₃. Šis reaģents "eksplodē" atbrīvojot N₂, ātri aizņem visu maisiņu.

Tad metāla nātrijs reaģē ar citiem komponentiem, lai to neitralizētu, jo tīrā stāvoklī tas ir indīgs.

Atsauces

1. Walter J. Moore. (1963). Fiziskā ķīmija In Ķīmiskā kinētika. Ceturtais izdevums, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Fizikāli ķīmijas principi. Sestais izdevums, 479.-540. Lpp. Mc Graw kalns.
3. UAwiki (2011. gada 23. decembris). Molekulārās sadursmes-en [Figua] Saturs iegūts 2018. gada 30. aprīlī no: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Fizikālās ķīmijas mācību grāmata. In Ķīmiskā kinētika. Otrais izdevums. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (2017. gada 8. marts). Ķīmiskās kinētikas definīcija. Saturs iegūts 2018. gada 30. aprīlī no: thinkco.com
6. Khan akadēmija. (2018). Reakcijas likmes un likumi. Saturs iegūts 2018. gada 30. aprīlī no: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (2010. gada 26. jūlijs). Ķīmiskā kinētika Saturs iegūts 2018. gada 30. aprīlī no: quimicafisica.com