Chemické kinetické faktory, poradie reakcií, aplikácie

chemická kinetika Je to štúdium rýchlostí reakcie. Vyvodzuje experimentálne alebo teoretické údaje o molekulárnom mechanizme prostredníctvom zákonov vyjadrených matematickými rovnicami. Mechanizmy pozostávajú zo série krokov, z ktorých niektoré sú rýchle a iné pomalé.

Najpomalšie z nich sa nazýva krok určovania rýchlosti. Preto poznanie intermediárnych druhov a operačného mechanizmu tohto kroku je veľmi dôležité z hľadiska kinetiky. Vizualizáciou vyššie uvedeného je predpokladať, že reagencie sú uzavreté vo fľaši a že pri reakcii produkty unikajú von..

Nakoniec, výrobky sa uvoľňujú voľne cez ústa fľaše bez ďalších kinetických prekážok. Z tohto hľadiska existujú fľaše mnohých veľkostí a vzorov. Všetci však majú jeden spoločný prvok: úzky krk, ukazovateľ rozhodujúceho kroku reakcie.

index

• 1 Čo je to štúdium chemickej kinetiky?
• 2 Rýchlosť reakcie
  • 2.1 Definícia
  • 2.2 Všeobecná rovnica
  • 2.3 Príklad dezertu
  • 2.4
• 3 Faktory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť reakcie
  • 3.1 Povaha chemických druhov
  • 3.2 Koncentrácia činidiel
  • 3.3 Teplota
• 4 Poradie reakcií v chemickej kinetike
  • 4.1 Reakcie nultého poriadku
  • 4.2 Reakcia prvého poriadku
  • 4.3 Reakcia druhého rádu
  • 4.4 Poradie reakcie vs. molekula
• 5 Aplikácie
• 6 Referencie

Čo sa zaoberá chemickou kinetikou?

Experimentálne táto oblasť chémie študuje variácie koncentrácie, ktoré sa podieľajú na chemickej reakcii, z merania špecifickej vlastnosti.

Chemická kinetika je oblasť chémie, ktorá je zodpovedná za štúdium všetkých informácií, ktoré môžu byť odvodené z rýchlosti reakcie. Jeho meno vás vyzýva, aby ste si predstavili vreckové hodinky, ktoré označujú čas procesu, bez ohľadu na to, kde k nemu dôjde: v reaktore, v oblaku, v rieke, v ľudskom tele atď..

Všetky chemické reakcie, a teda všetky transformácie, majú termodynamické, rovnovážné a kinetické aspekty. Termodynamika označuje, či je reakcia spontánna alebo nie; rovnováha jeho stupňa kvantifikácie; a kinetické podmienky, ktoré podporujú jeho rýchlosť, ako aj údaje o jeho mechanizme.

Mnohé zo základných aspektov chemickej kinetiky možno pozorovať v každodennom živote: v chladničke, ktorá zmrazuje potraviny, aby sa znížil jej rozklad zmrazením vody, ktorá je ich súčasťou. Tiež pri dozrievaní vín, ktorých starnutie im dáva príjemnú chuť.

Avšak "čas molekúl" je veľmi odlišný v jeho malých mierkach a mení sa enormne podľa mnohých faktorov (počet a typy väzieb, veľkosti, stavy hmoty atď.).

Pretože čas je život, a to sú aj peniaze, je veľmi dôležité vedieť, ktoré premenné umožňujú, aby chemická reakcia pokračovala čo najrýchlejšie. Niekedy je však potrebné opakovať: že reakcia prebieha veľmi pomaly, najmä ak je exotermická a existuje riziko explózie..

Aké sú tieto premenné? Niektoré sú fyzikálne, napríklad pri akom tlaku alebo teplote musí mať reaktor alebo systém; a iné sú chemické, ako je typ rozpúšťadla, pH, slanosť, molekulová štruktúra atď..

Avšak predtým, ako prídeme k týmto premenným, musíme najprv študovať kinetiku tejto reakcie.

Ako? Prostredníctvom variácie koncentrácie, ktorá môže byť nasledovaná, ak je určitá vlastnosť kvantifikovaná, ktorá je úmerná prvej. V priebehu histórie sa metódy stali sofistikovanejšie, čo umožňuje presnejšie a precíznejšie merania a so stále menšími intervalmi.

Reakčná rýchlosť

Aby sa určila rýchlosť chemickej reakcie, je potrebné vedieť, ako sa koncentrácia v čase mení v závislosti od akéhokoľvek druhu. Táto rýchlosť závisí do značnej miery od mnohých faktorov, ale najdôležitejšia vec je, že je merateľná pre tie reakcie, ktoré prebiehajú „pomaly“..

Tu je slovo „pomaly“ relatívne a je definované pre všetko, čo sa dá merať dostupnými inštrumentálnymi technikami. Ak je napríklad reakcia oveľa rýchlejšia ako merná kapacita zariadenia, potom nebude kvantitatívna ani jeho kinetika..

Potom sa rýchlosť reakcie stanoví na prahu akéhokoľvek procesu pred dosiahnutím rovnováhy. Prečo? Pretože v rovnováhe je rýchlosť priamej reakcie (tvorba produktov) a reverznej reakcie (tvorba reaktantov) rovnaká.

Riadenie premenných, ktoré pôsobia na systém, a teda jeho kinetika alebo rýchlosť reakcie, ideálne podmienky môžu byť zvolené tak, aby generovali určité množstvo produktu v najžiadanejšom a najbezpečnejšom čase..

Na druhej strane tieto poznatky odhaľujú molekulárny mechanizmus, ktorý je cenný pri zvyšovaní výkonu reakcie.

definícia

Rýchlosť je zmena veľkosti ako funkcie času. Pre tieto štúdie spočíva záujem pri určovaní variácie koncentrácie v hodinách, minútach; nano, vrchol alebo dokonca femtosekundy (10^-15s).

Môže mať veľa jednotiek, ale najjednoduchší a najjednoduchší zo všetkých je M · s^-1, alebo čo sa rovná mol / L · s. Bez ohľadu na svoje jednotky musí mať vždy kladnú hodnotu, pretože ide o fyzikálnu veličinu (napr. Rozmery alebo hmotnosť).

Na základe dohody však miera zániku činidla má záporné znamienko a výskyt vzhľadu produktu, pozitívny znak.

Ale ak majú reaktanty a produkty svoje vlastné rýchlosti, ako potom určiť rýchlosť celkovej reakcie? Odpoveď spočíva v stechiometrických koeficientoch.

Všeobecná rovnica

Nasledujúca chemická rovnica vyjadruje reakciu A a B na formu C a D:

na + bB => CC + dD

Molárne koncentrácie sú zvyčajne vyjadrené v zátvorkách, takže napríklad koncentrácia druhu A je uvedená ako [A]. Reakčná rýchlosť pre každý z uvedených chemických druhov je teda:

Podľa matematickej rovnice existujú štyri spôsoby, ako dosiahnuť rýchlosť reakcie: zmeria sa zmena koncentrácie ktoréhokoľvek z reaktantov (A alebo B) alebo produktov (C alebo D)..

Potom, s jednou z týchto hodnôt, a jej správnym stechiometrickým koeficientom, sa delí na tieto hodnoty a na získanie reakčnej rýchlosti rxn.

Pretože reakčná rýchlosť je kladné množstvo, záporné znamienko násobí záporné hodnoty rýchlosti reaktantov; z tohto dôvodu koeficienty na a b vynásobiť (-1).

Napríklad, ak je rýchlosť zániku A - (5M / s) a jeho stechiometrický koeficient na je 2, potom rýchlosť rxn je 2,5 M / s ((-1/2) x 5).

Príklad dezertu

Ak by výrobok bol dezertom, zložky by boli analogicky reaktanty; a chemická rovnica, recept:

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

A rýchlosť pre každú zo sladkých zložiek a rovnaký dezert sú:

Rýchlosť, s akou sa dezert vyrába, môže byť teda určená variáciou sušienok, sušienok, zmrzliny alebo celej sady; Rozdeľuje ho medzi svoje stechiometrické koeficienty (7, 3, 1 a 1). Jedna z ciest však môže byť jednoduchšia ako druhá.

Ak napríklad zmeráte, ako sa [Dezert] zvyšuje v rôznych časových intervaloch, tieto merania môžu byť komplikované.

Na druhej strane môže byť vhodnejšie a praktickejšie merať [cookies] kvôli ich počtu alebo niektorým ich vlastnostiam, ktoré uľahčujú ich koncentráciu, než je koncentrácia sušienok alebo zmrzliny..

Ako to určiť

Vzhľadom na jednoduchú reakciu A => B, ak A, napríklad vo vodnom roztoku, vykazuje zelené sfarbenie, potom to závisí od jeho koncentrácie. Tak, ako sa A stáva B, zelená farba zmizne, a ak je toto zmiznutie kvantifikované, potom možno získať krivku [A] vs t.

Na druhej strane, ak B je kyslý druh, pH roztoku klesne na hodnoty nižšie ako 7. Tak, zo zníženia pH získame [B] a následne graf [B] vs t. Prehodnotenie obidvoch grafov je teda nasledovné:

V grafe vidíte, ako [A] klesá s časom, pretože sa spotrebuje a ako krivka [B] rastie s pozitívnym sklonom, pretože ide o produkt.

Ukazuje tiež, že [A] má sklon k nule (ak neexistuje rovnováha) a že [B] dosahuje maximálnu hodnotu, ktorá sa riadi stechiometriou a ak je reakcia ukončená (všetky A sa spotrebujú).

Rýchlosť reakcie oboch A a B je dotyčnica na ktorejkoľvek z týchto kriviek; inými slovami, derivát.

Faktory, ktoré ovplyvňujú rýchlosť reakcie

Povaha chemických druhov

Ak by všetky chemické reakcie boli okamžité, ich kinetické štúdie by neexistovali. Mnohé z nich majú také vysoké rýchlosti, že ich nemožno merať; to znamená, že nie sú merateľné.

Reakcie medzi iónmi sú teda zvyčajne veľmi rýchle a úplné (s výťažkom okolo 100%). Na druhej strane si tí, ktorí používajú organické zlúčeniny, vyžadujú určitý čas. Reakcia prvého typu je:

H₂SW₄ + 2NaOH => Na₂SW₄ + 2H₂O

Silné elektrostatické interakcie medzi iónmi podporujú rýchlu tvorbu vody a síranu sodného. Naopak, reakciou druhého typu je napríklad esterifikácia kyseliny octovej:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃Cooch₂CH₃ + H₂O

Aj keď sa tiež tvorí voda, reakcia nie je okamžitá; Dokonca aj za priaznivých podmienok uplynie niekoľko hodín.

Iné premenné však majú väčší vplyv na rýchlosť reakcie: koncentrácia reaktantov, teplota, tlak a prítomnosť katalyzátorov.

Koncentrácia činidiel

V chemickej kinetike sa študovaný priestor, oddelený od nekonečného, ​​nazýva systém. Napríklad reaktor, kadička, banka, oblak, hviezda atď..

Takže v systéme molekuly nie sú statické, ale "cestujú" do všetkých kútov. V niektorých z týchto posunov koliduje s inou molekulou, aby odrazila alebo vytvorila produkty.

Potom je počet kolízií úmerný koncentrácii reaktantov. Horný obrázok znázorňuje, ako sa systém mení z nízkych na vysoké koncentrácie.

Tiež, pokiaľ existuje viac kolízií, rýchlosť reakcie bude vyššia, pretože sa zvýšia šance dvoch molekúl reagujúcich.

Ak sú reaktanty plynné, potom sa s variabilným tlakom zaobchádza a súvisí s koncentráciou plynu za predpokladu, že existuje ktorákoľvek z mnohých existujúcich rovníc (napríklad ideálny plyn); alebo tiež, objem systému je znížený, aby sa zvýšila pravdepodobnosť kolízie molekúl plynu.

teplota

Hoci sa počet kolízií zvyšuje, nie všetky molekuly majú energiu potrebnú na prekonanie aktivačnej energie procesu.

Tu hrá dôležitú úlohu teplota: plní funkciu tepelného urýchľovania molekúl tak, aby sa zrazili s väčšou energiou.

Všeobecne sa teda reakčná rýchlosť zdvojnásobuje na každých 10 ° C zvýšenia teploty systému. Avšak pre všetky reakcie to tak nie je vždy. Ako predpovedať tento nárast? Arrheniova rovnica odpovedá na otázku:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K je konštanta rýchlosti pri teplote T, R je konštanta plynov a E je aktivačná energia. Táto energia indikuje energetickú bariéru, ktorú musia reagencie merať, aby reagovali.

Na uskutočnenie kinetickej štúdie je potrebné udržiavať konštantnú teplotu a bez katalyzátorov. Aké sú katalyzátory? Sú to vonkajšie druhy, ktoré zasahujú do reakcie, ale nie sú konzumované, a ktoré znižujú aktivačnú energiu.

Pojem katalýza pre reakciu glukózy s kyslíkom je znázornený na obrázku vyššie. Červená čiara predstavuje aktivačnú energiu bez enzýmu (biologický katalyzátor), zatiaľ čo modrá čiara ukazuje pokles aktivačnej energie.

Poradie reakcií v chemickej kinetike

V chemickej rovnici nie sú stechiometrické indexy súvisiace s mechanizmom reakcie rovné indexom rovnakého poradia. Chemické reakcie majú zvyčajne prvé alebo druhé poradie, zriedka tretie alebo vyššie.

Prečo je to? To, že kolízie troch energeticky excitovaných molekúl je nepravdepodobné a ešte viac, sú štvornásobné alebo päťnásobné kolízie, kde je pravdepodobnosť nekonečná. Možné sú aj frakčné reakcie. Napríklad:

NH₄cl <=>NH₃ + HCl

Reakcia je v prvom poradí v jednom smere (zľava doprava) a druhá v druhom (sprava doľava), ak je považovaná za rovnováhu. Kým nasledujúci zostatok je v druhom poradí v oboch smeroch:

2HI <=> H₂ + ja₂

Molekularita a poradie reakcií sú rovnaké? Molekularita je počet molekúl, ktoré reagujú na vznik produktov, a poradie globálnej reakcie je rovnaké poradie činidiel, ktoré sú zahrnuté v kroku, ktorý určuje rýchlosť..

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

Táto reakcia, napriek tomu, že má vysoké stechiometrické indexy (molekula), je vlastne reakciou druhého rádu. Inými slovami, určujúcim krokom rýchlosti je druhý poriadok.

Reakcie nultého rádu

Vyskytujú sa v prípade heterogénnych reakcií. Napríklad: medzi kvapalinou a pevnou látkou. Rýchlosť je teda nezávislá od koncentrácií reaktantov.

Podobne, ak činidlo má poradie reakcií nula, znamená to, že sa nepodieľa na určujúcom kroku rýchlosti, ale na rýchlom kroku..

Reakcia prvého poriadku

A => B

Reakcia prvého poriadku sa riadi nasledujúcim zákonom o rýchlosti:

V = k [A]

Ak sa koncentrácia A zdvojnásobí, tak aj reakčná rýchlosť V. Preto je rýchlosť úmerná koncentrácii činidla v kroku, ktorý určuje reakciu.

Reakcia druhého rádu

2A => B

A + B => C

V tomto type reakcie zasahujú dva druhy, ako v dvoch napísaných chemických rovniciach. Zákony rýchlosti pre reakcie sú:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

V prvej je rýchlosť reakcie úmerná štvorcu koncentrácie A, zatiaľ čo v druhom je to isté ako v reakciách prvého rádu: rýchlosť je priamo úmerná koncentráciám A aj B.

Poradie reakcií vs molekula

Podľa predchádzajúceho príkladu sa stechiometrické koeficienty môžu alebo nemusia zhodovať s poradím reakcie.

Toto však nastáva pri elementárnych reakciách, ktoré určujú molekulárny mechanizmus ktoréhokoľvek kroku reakcie. V týchto reakciách sú koeficienty rovné počtu zúčastnených molekúl.

Napríklad molekula A reaguje s jedným z B za vzniku molekuly C. Tu je molekula 1 pre reaktanty a potom vo vyjadrení zákona rýchlosti sa zhodujú s poradím reakcií.

Z toho vyplýva, že molekula musí byť vždy celé číslo a pravdepodobnostne menej ako štyri.

Prečo? Pretože pri prechode mechanizmu je veľmi nepravdepodobné, že by sa štyri molekuly zúčastňovali súčasne; by mohli reagovať dva z nich a potom by ostatní dvaja reagovali s týmto produktom.

Matematicky je to jeden z hlavných rozdielov medzi poradím reakcií a molekulou: poradie reakcií môže mať zlomkové hodnoty (1/2, 5/2 atď.).

Je to preto, že prvá odráža len to, ako koncentrácia druhu ovplyvňuje rýchlosť, ale nie ako ich molekuly zasahujú do procesu.

aplikácie

- Umožňuje určiť čas, po ktorý liek zostáva v organizme pred jeho úplnou metabolizáciou. Aj vďaka kinetickým štúdiám môže byť enzymatická katalýza nasledovaná zelenými metódami proti iným katalyzátorom s negatívnymi vplyvmi na životné prostredie; alebo tiež na použitie v nespočetných priemyselných procesoch.

- V automobilovom priemysle, najmä v motoroch, kde sa musia elektrochemické reakcie uskutočniť rýchlo, aby vozidlo mohlo začať. Tiež v jeho výfuku, ktoré majú katalyzátory na transformáciu škodlivých plynov CO, NO a NO_x v CO₂, H₂O, N₂ a O₂ počas optimálneho času.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(G)

-Je to reakcia, prečo sú airbagy nafúknuté, keď sa vozidlá zrazia. Keď sa pneumatiky prudko zabrzdia, detektor elektricky odpáli azid sodný, NaN₃. Toto činidlo "exploduje" uvoľnením N₂, ktorý rýchlo zaberá celý objem vaku.

Kovový sodík potom reaguje s ďalšími zložkami, aby ho neutralizoval, pretože v čistom stave je jedovatý.

referencie

1. Walter J. Moore. (1963). Fyzikálna chémia v Chemická kinetika. Štvrté vydanie, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Zásady fyzikálno-chemickej. Šieste vydanie, strana 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23. decembra 2011). Molekulárna kolízie-je. [FIGUI]. Získané 30. apríla 2018, z: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Učebnica fyzikálnej chémie. v Chemická kinetika. Druhé vydanie. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8. marec 2017). Definícia chemickej kinetiky. Získané 30. apríla 2018, z: thoughtco.com
6. Khan Academy. (2018). Zákony o reakčných rýchlostiach a sadzbách. Získané 30. apríla 2018, z: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26. júl 2010). Chemická kinetika Získané 30. apríla 2018, z: quimicafisica.com