Vegyi kinetikai tényezők, reakciórendelés, alkalmazások

az kémiai kinetika A reakció sebességének tanulmányozása. Kísérleti vagy elméleti adatokat fogalmaz meg a molekuláris mechanizmusról a matematikai egyenletek által kifejezett törvények révén. A mechanizmusok egy sor sorozatból állnak, amelyek közül néhány gyors és mások lassúak.

Ezek közül a leglassabb a sebesség meghatározó lépés. Ezért a közbenső fajok és ezen lépés operáns mechanizmusának ismerete nagyon fontos a kinetika szempontjából. A fentiek szemléltetése azt feltételezi, hogy a reagensek egy üvegbe vannak zárva, és a reagáltatás során a termékek kifelé menekülnek.

Végül a termékek szabadon válnak ki a palack száján keresztül további kinetikai akadályok nélkül. Ebből a szempontból számos méretű és méretű palack van. Mindazonáltal ezek mindegyike egy közös elemmel rendelkezik: egy keskeny nyak, a reakció meghatározó lépésének mutatója.

index

• 1 Mit vizsgál a kémiai kinetika?
• 2 Reakciósebesség
  • 2.1 Meghatározás
  • 2.2 Általános egyenlet
  • 2.3 Példa a desszertre
  • 2.4 Hogyan határozzuk meg
• 3 A reakciósebességet befolyásoló tényezők
  • 3.1 A kémiai fajok jellege
  • 3.2 A reagensek koncentrációja
  • 3.3 Hőmérséklet
• 4 Reakciós sorrend a kémiai kinetikában
  • 4.1 A nulla sorrendű reakciók
  • 4.2 Első sorrendű reakció
  • 4.3 Második sorrendű reakció
  • 4.4 A reakciórendszer és a molekuláris viszony
• 5 Alkalmazások
• 6 Referenciák

Mi tanulmányozza a kémiai kinetikát??

Kísérletileg ez a kémiai ág vizsgálja a kémiai reakcióban bekövetkező koncentrációváltozásokat, egy adott tulajdonság mérésétől.

A kémiai kinetika a kémia ága, amely a reakció sebességéből származó összes információ tanulmányozásáért felelős. Nevét felkéri, hogy képzeljünk el egy zsebórát, amely jelzi a folyamat idejét, függetlenül attól, hogy mi történik: egy reaktorban, egy felhőben, egy folyóban, az emberi testben stb..

Minden kémiai reakciónak, és így minden átalakulásának termodinamikai, egyensúlyi és kinetikai szempontjai vannak. A termodinamika azt jelzi, hogy a reakció spontán vagy nem; az egyensúly mértéke mennyiségi meghatározás; és a sebességét kedvező kinetikai feltételeket, valamint a mechanizmus mechanizmusára vonatkozó adatokat.

A kémiai kinetika számos lényeges aspektusa megfigyelhető a mindennapi életben: a hűtőszekrényben, amely fagyasztja az ételt, hogy csökkentsék a bomlását azáltal, hogy befagyasztja a víz részét. Továbbá, a borok érlelése során, amelyek öregedése kellemes ízeket ad nekik.

Azonban a "molekulák ideje" apró méreteiben nagyon eltérő, és sok tényezőtől függően változik (a hivatkozások száma és típusai, méretek, anyagállapotok stb.)..

Mert az idő az élet, és ez is pénz, nagyon fontos tudni, hogy mely változók lehetővé teszik a kémiai reakciónak a lehető leggyorsabban folytatódni. Néha azonban az ellenkezője kívánatos: a reakció nagyon lassan fordul elő, különösen, ha exoterm és robbanásveszély áll fenn..

Mik ezek a változók? Egyesek fizikai jellegűek, mint amilyen nyomáson vagy hőmérsékleten egy reaktornak vagy rendszernek kell lennie; és mások kémiai jellegűek, például az oldószer típusa, a pH, a sótartalom, a molekuláris szerkezet stb..

Azonban, mielőtt ezekre a változókra jutnánk, először meg kell vizsgálnunk a jelen reakció kinetikáját.

Hogyan? A koncentrációváltozás révén, amely akkor követhető, ha egy adott tulajdonságot számszerűsítünk, az az elsővel arányos. A történelem során a módszerek kifinomultabbá váltak, pontosabb és pontosabb méréseket tesznek lehetővé, és egyre kisebb időközönként.

Reakciósebesség

A kémiai reakció sebességének meghatározásához meg kell tudni, hogy a koncentráció milyen mértékben változik az érintett fajok bármelyikében. Ez a sebesség nagymértékben sok tényezőtől függ, de a legfontosabb dolog az, hogy mérhető azoknak a reakcióknak, amelyek "lassan" történnek..

Itt a "lassan" szó viszonylagos, és mindenre meghatározható, amit a rendelkezésre álló instrumentális technikákkal lehet mérni. Ha például a reakció sokkal gyorsabb, mint a berendezés mérési kapacitása, akkor nem lesz mennyiségi, sem kinetikája nem vizsgálható..

Ezután a reakciósebességet bármely folyamat küszöbén határozzuk meg, mielőtt eléri az egyensúlyt. Miért? Mivel az egyensúlyban a közvetlen reakció sebessége (termékek képződése) és a fordított reakció (reaktánsok képződése) egyenlő..

A rendszerre ható változók, következésképpen a reakció kinetikája vagy sebessége szabályozása révén az ideális körülmények választhatók úgy, hogy egy bizonyos mennyiségű terméket hozzanak létre a leginkább kívánt és biztonságos időben.

Másrészt, ez a tudás feltárja a molekuláris mechanizmust, amely értékes, ha növeli a reakció teljesítményét.

meghatározás

A sebesség az idő függvényében változás. Ezeknek a vizsgálatoknak az érdeklődése abban rejlik, hogy meghatározzuk a koncentráció változását órákban, percekig; a nano, a csúcs vagy akár a femtoszekundumok (10. \ t^-15s).

Sok egysége lehet, de a legegyszerűbb és legegyszerűbb az M · s^-1, vagy ami egyenlő mol / L · s-vel. Az egységektől függetlenül mindig pozitív értékkel kell rendelkeznie, mivel fizikai mennyiség (például méretek vagy tömeg).

Megállapodás szerint azonban egy reagens eltűnési aránya negatív, a termék megjelenési aránya pedig pozitív jel.

De ha a reagensek és a termékek saját sebességgel rendelkeznek, akkor hogyan határozzák meg az általános reakció sebességét? A válasz a sztöchiometrikus együtthatókban rejlik.

Általános egyenlet

A következő kémiai egyenlet az A és B reakciót C és D alakra fejezi ki:

hogyA + bB => cC + dD

A moláris koncentrációkat általában zárójelben fejezik ki, így például az A fajta koncentrációja [A]. Így az egyes vegyi anyagok reakciósebessége:

A matematikai egyenlet szerint négy reakcióút van a reakció sebességének eléréséhez: a reagensek (A vagy B) vagy a termékek (C vagy D) koncentrációjának változását mérjük..

Ezután az egyik ilyen értékkel és helyes sztöchiometriai együtthatójával az utóbbival megoszlik és az rxn reakciósebesség elérése érdekében..

Mivel a reakciósebesség pozitív mennyiség, a negatív jel szorozza meg a reagensek negatív sebességértékeit; ezért az együtthatók hogy és b szorozzák meg (-1).

Például, ha az A eltűnési sebessége - (5M / s), és sztöchiometrikus együtthatója hogy 2, akkor az rxn sebessége 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Desszert példa

Ha a termék desszert, az összetevők analóg módon a reagensek; és a kémiai egyenlet, a recept:

7Cookie-k + 3Brownies + 1Salad => 1Postre

És az egyes édes összetevők és ugyanaz a desszert sebessége:

Így a desszert készítésének sebessége meghatározható a cookie-k, a brownie, a fagylalt vagy az egész készlet változásával; a sztöchiometriai együtthatók (7, 3, 1 és 1) között ezt elválasztva. Az egyik útvonal azonban könnyebb lehet, mint a másik.

Például, ha a [Desszert] különböző időintervallumokkal növekszik, ezek a mérések bonyolultak lehetnek.

Másrészt kényelmesebb és praktikusabb lehet a [cookie-k] mérése a számuk vagy a tulajdonságaik miatt, amelyek megkönnyítik koncentrációjuk meghatározását, mint a sütemények vagy fagylaltok..

Hogyan határozzuk meg

Az A => B egyszerű reakció esetén, ha A például vizes oldatban zöld színnel rendelkezik, akkor ez a koncentrációtól függ. Így, ahogy az A B lesz, a zöld szín eltűnik, és ha ez az eltűnés számszerűsítve van, akkor [A] és t görbét kaphatunk.

Másrészt, ha B savas sav, akkor az oldat pH-ja 7 alá csökken. Így a pH csökkenéséből [B] -et kapunk, és egymás után a [B] grafikon t. Átfedés, majd mindkét grafikon az alábbiakat értékeli:

A grafikonon láthatja, hogy az [A] hogyan csökken az idővel, mivel az elfogy, és a [B] görbe pozitív emelkedéssel nő, mert ez a termék..

Azt is mutatja, hogy az [A] nulla (ha nincs egyensúly), és hogy a [B] eléri a sztöchiometria által szabályozott maximális értéket, és ha a reakció teljes (minden A-t fogyaszt).

Az A és B reakciósebessége ezen görbék bármelyikének érintővonala; más szóval, a származék.

A reakciósebességet befolyásoló tényezők

A kémiai fajok jellege

Ha az összes kémiai reakció pillanatnyi, akkor kinetikai vizsgálataik nem léteznek. Sokan olyan nagy sebességgel rendelkeznek, hogy nem mérhetők; azaz nem mérhetőek.

Így az ionok közötti reakciók általában nagyon gyorsak és teljesek (100% -os hozammal). Másrészről, a szerves vegyületeket igénylő anyagok egy kis időt igényelnek. Az első típusú reakció:

H₂SW₄ + 2NaOH => Na₂SW₄ + 2H₂O

Az ionok közötti erős elektrosztatikus kölcsönhatások elősegítik a víz és a nátrium-szulfát gyors kialakulását. Ezzel szemben a második típusú reakció például ecetsav észterezése:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Bár a víz is képződik, a reakció nem pillanatnyi; még kedvező körülmények között is, több óra eltelt a befejezésig.

Más változók azonban nagyobb mértékben befolyásolják a reakció sebességét: a reagensek koncentrációja, a hőmérséklet, a nyomás és a katalizátorok jelenléte.

A reagensek koncentrációja

A kémiai kinetikában a végtelenektől elválasztott területet rendszernek nevezzük. Például egy reaktor, egy főzőpohár, egy lombik, egy felhő, egy csillag stb. Tekinthető a vizsgált rendszernek..

Tehát a rendszeren belül a molekulák nem statikusak, hanem minden sarkon "utaznak". Néhány ilyen elmozdulás ütközik egy másik molekulával a termékek ugratására vagy eredetére.

Ezután az ütközések száma arányos a reagensek koncentrációjával. A felső kép azt mutatja, hogy a rendszer alacsony és magas koncentrációk között változik.

Mindaddig, amíg több ütközés tapasztalható, a reakciósebesség magasabb lesz, mivel a két molekula valószínűsége növekedni fog.

Ha a reagensek gázhalmazállapotúak, akkor a változó nyomást kezelik és a gázkoncentrációhoz kapcsolódik, feltételezve a számos létező egyenlet (például az ideális gáz) bármelyikét; vagy a rendszer térfogata csökken, hogy növelje a gázmolekulák ütközésének valószínűségét.

hőmérséklet

Annak ellenére, hogy az ütközések száma nő, nem minden molekula rendelkezik az energia aktiválásához szükséges energiával.

Ez az a hely, ahol a hőmérséklet fontos szerepet játszik: teljesíti a molekulák termikus felgyorsítását, így több energiával ütközik..

Így általában a reakciósebesség minden 10 ° C-on megduplázódik a rendszer hőmérsékletének növekedésével. Azonban minden reakció esetében nem mindig ilyen. Hogyan lehet megjósolni ezt a növekedést? Az Arrhenius egyenlet válaszol a kérdésre:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K a T hőmérsékleti sebesség állandója, R a gázok állandója és E az aktiválási energia. Ez az energia arra utal, hogy a reagenseknek mérlegelniük kell az energiát.

A kinetikai vizsgálat elvégzéséhez szükséges a hőmérséklet állandó és katalizátorok nélkül tartása. Melyek a katalizátorok? Olyan külső fajok, amelyek a reakcióba beavatkoznak, de fogyasztás nélkül, és csökkentik az aktiválási energiát.

A glükóz és az oxigén reakciójának katalízisét a fenti ábrán mutatjuk be. A piros vonal az aktiválási energiát jelenti az enzim nélkül (biológiai katalizátor), míg ezzel a kék vonal az aktiválási energia csökkenését mutatja..

Kémiai kinetikában a reakció sorrendje

Kémiai egyenletben a reakciómechanizmushoz kapcsolódó sztöchiometriai indexek nem egyeznek meg az azonos sorrendű indexekkel. A kémiai reakciók rendszerint első vagy második megrendeléssel rendelkeznek, ritkán harmadik sorrendben vagy annál magasabb.

Miért van ez? A három energetikailag izgatott molekula ütközése valószínűtlen, és még inkább négyszeres vagy négyszögletes ütközések, ahol a valószínűség végtelen. A frakcionált reakciók is lehetségesek. Például:

NH₄Cl <=>NH₃ + HCl

A reakció az első sorrend az egyik irányban (balról jobbra) és a második sorrend a másikban (jobbra balra), ha egyensúlynak tekintik. Bár a következő egyenleg mindkét irányban másodrendű:

2HI <=> H₂ + én₂

A molekuláris és a reakciórendek azonosak? A molekulitás a molekulák száma, amelyek reakcióba lépnek, hogy termékeket termeljenek, és a globális reakció sorrendje ugyanolyan sorrendű, mint a reagensek, amelyek meghatározzák a sebességet..

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

Ez a reakció, annak ellenére, hogy magas sztöchiometriai indexekkel rendelkezik (molekuláris), valójában egy másodrendű reakció. Más szóval, a sebesség meghatározó lépése a második sorrend.

Nulla rendű reakciók

Ezek heterogén reakciók esetén fordulnak elő. Például: folyadék és szilárd anyag között. A sebesség tehát független a reagensek koncentrációjától.

Hasonlóképpen, ha egy reagens nulla reakciósorozata van, azt jelenti, hogy nem vesz részt a sebesség meghatározó lépésében, hanem a gyorsakban.

Első sorrendű reakció

A => B

Az elsőrendű reakciót a következő sebesség törvény szabályozza:

V = k [A]

Ha az A koncentrációja megduplázódik, akkor a V reakciósebesség is megtörténik. Ezért a sebesség arányos a reagens koncentrációjával a reakciót meghatározó lépésben.

Második sorrendű reakció

2A => B

A + B => C

Ebben a fajta reakcióban két faj beavatkozik, ahogy a két írott kémiai egyenlet. A reakciók sebességének törvényei:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

Az első esetben a reakciósebesség arányos az A koncentráció négyzetével, míg a másodikban ugyanaz történik, mint az első sorrendű reakciókban: a sebesség közvetlenül arányos az A és B koncentrációival..

Reakciós sorrend vs molekuláris

Az előző példa szerint a sztöchiometriai együtthatók egybeeshetnek vagy nem egyeznek meg a reakció sorrendjével.

Ez azonban az elemi reakciók esetében történik, amelyek meghatározzák a reakció bármely lépésének molekuláris mechanizmusát. Ezekben a reakciókban az együtthatók megegyeznek a résztvevő molekulák számával.

Például egy A molekula B-val reagál egy C molekulára, ahol a molekula a reaktánsok számára 1, majd a sebesség törvényének kifejezésében egybeesik a reakciórendelésekkel..

Ebből az következik, hogy a molekuláris tulajdonságoknak mindig egész számnak és valószínűleg kevesebbnek kell lenniük.

Miért? Mert egy mechanizmus áthaladásakor nagyon valószínűtlen, hogy négy molekula egyidejűleg részt vesz; kettő közülük először reagálhatott, majd a másik kettő reagálna ezzel a termékkel.

Matematikailag ez az egyik fő különbség a reakciórendelések és a molekulitás között: a reakció sorrendje frakcionális értékeket (1/2, 5/2 stb.) Tartalmazhat..

Ez azért van, mert az előbbi csak azt tükrözi, hogy a faj koncentrációja hogyan befolyásolja a sebességet, de nem azt, hogy a molekulák hogyan beavatkoznak a folyamatba.

alkalmazások

- Lehetővé teszi, hogy meghatározzuk azt az időt, ameddig a gyógyszer a szervezetben marad a teljes metabolizálása előtt. Továbbá a kinetikai vizsgálatoknak köszönhetően az enzimatikus katalízis zöld módszerként követhető más negatív környezeti hatású katalizátorokkal szemben; vagy számtalan ipari folyamatban is használható.

- Az autóiparban, különösen a motorokban, ahol az elektrokémiai reakciókat gyorsan el kell végezni a jármű elindításához. A kipufogócsövekben, amelyek katalitikus konverterekkel rendelkeznek a káros gázok CO, NO és NO átalakítására_x CO-ban₂, H₂O, N₂ és O₂ az optimális idő alatt.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(G)

-A légzsákok felfújódása mögött a járművek ütközik. Ha a gumiabroncsok hirtelen fékeznek, a detektor elektromosan detonálja a nátrium-azidot, NaN-t₃. Ez a reagens "felrobban" az N-et₂, amely a zsák teljes térfogatát gyorsan lefedi.

A fém-nátrium ezután más komponensekkel reagál, hogy semlegesítse, mert tiszta állapotában mérgező.

referenciák

1. Walter J. Moore. (1963). Fizikai kémia -ban Kémiai kinetika. Negyedik kiadás, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). A fiziko-kémia alapelvei. Hatodik kiadás, oldal 479-540. Mc Graw-hegy.
3. UAwiki. (2011. december 23.). Molekuláris ütközések-is. [Figua]. 2018. április 30-án, a következő címen szerezhető be: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). A fizikai kémiai tankönyv. -ban Kémiai kinetika. Második kiadás. D. Van Nostrand, Company, Inc..
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (2017. március 8.). Kémiai kinetika meghatározás. A következő dátum: 2018. április 30-án, a következőtől: thinkco.com
6. Khan Akadémia. (2018). Reakciós arányok és törvények. A következő dátum: 2018. április 30-án, a következő címen szerezhető be: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (2010. július 26.). Kémiai kinetika A következő dátum: 2018. április 30., a következő címről: quimicafisica.com