Faktory chemické kinetiky, pořadí reakcí a aplikace

3836
Alexander Pearson

The chemická kinetika Jedná se o studium rychlostí reakce. Dedukujte experimentální nebo teoretická data o molekulárním mechanismu pomocí 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 mezilehlých druhů a provozního mechanismu tohoto kroku je proto z kinetického hlediska velmi důležitá. Vizualizace výše uvedeného předpokládá, že činidla jsou uzavřena v lahvičce a že při reakci uniknou produkty ven.

Nakonec produkty vystupují volně z ústí lahve bez dalších kinetických překážek. Z tohoto pohledu existují lahve mnoha velikostí a vzorů. Všechny však mají jeden společný prvek: úzký krk, indikátor rozhodujícího kroku reakce..

Rejstřík článků

  • 1 Co studuje chemická kinetika?
  • 2 Reakční rychlost
    • 2.1 Definice
    • 2.2 Obecná rovnice
    • 2.3 Příklad dezertu
    • 2.4 Jak to zjistit
  • 3 faktory ovlivňující rychlost reakce
    • 3.1 Povaha chemických druhů
    • 3.2 Koncentrace činidel
    • 3.3 Teplota
  • 4 Reakční pořadí v chemické kinetice
    • 4.1 Reakce nulového řádu
    • 4.2 Reakce prvního řádu
    • 4.3 Reakce druhého řádu
    • 4.4 Reakční pořadí vs. molekulárnost
  • 5 Aplikace
  • 6 Reference

Co studuje chemická kinetika?

Experimentálně toto odvětví chemie studuje odchylky koncentrace spojené s chemickou reakcí z měření specifické vlastnosti.

Chemická kinetika je odvětví chemie, které má na starosti studium všech informací, které lze odvodit z rychlosti reakce. Jeho název vás vyzývá, abyste si představili kapesní hodinky, které označují 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 veškerá transformace, mají termodynamické, rovnovážné a kinetické aspekty. Termodynamika naznačuje, zda je reakce spontánní nebo ne; zůstatek jeho stupeň kvantifikace; a kinetika podmínky, které upřednostňují jeho rychlost a také údaje o jeho mechanismu.

Mnoho důležitých aspektů chemické kinetiky lze pozorovat v každodenním životě: v chladničce, která zmrazí jídlo, aby se snížil jeho rozklad zmrazením vody, která je jeho součástí. Také při zrání vín, jejichž stárnutí mu dodává příjemnou chuť.

„Čas molekul“ se však ve svých malých měřítcích velmi liší a velmi se mění podle mnoha faktorů (počet a typy vazeb, velikosti, stavy hmoty atd.).

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

Jaké jsou tyto proměnné? Některé jsou fyzické, například při jakém tlaku nebo teplotě by měl mít reaktor nebo systém; a další jsou chemické látky, jako je typ rozpouštědla, pH, slanost, molekulární struktura atd..

Než však najdeme tyto proměnné, musíme nejprve prostudovat kinetiku současné reakce.

Jak? Prostřednictvím variace koncentrace, kterou lze sledovat, pokud je kvantifikována konkrétní vlastnost, která je úměrná první. V průběhu historie se metody staly sofistikovanějšími a umožňovaly přesnější a přesnější měření as čím dál kratšími intervaly..

Reakční rychlost

Chcete-li určit rychlost chemické reakce, je nutné vědět, jak se koncentrace v průběhu času u kteréhokoli ze zúčastněných druhů mění. Tato rychlost do značné míry závisí 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, nebude kvantitativní ani nebude možné studovat její kinetiku..

Poté se reakční rychlost stanoví na prahu jakéhokoli procesu, než dosáhne rovnováhy. Proč? Protože v rovnováze jsou rychlost dopředné reakce (tvorba produktu) a rychlosti zpětné reakce (tvorba reaktantu) stejná.

Ovládáním proměnných, které působí na systém, a následně jeho kinetiky nebo rychlosti reakce, lze zvolit ideální podmínky pro generování určitého množství produktu v nejžádanějším a nejbezpečnějším čase..

Na druhou stranu tato znalost odhaluje molekulární mechanismus, který je cenný při zvyšování výtěžku reakce..

Definice

Rychlost je změna velikosti jako funkce času. U těchto studií spočívá zájem na stanovení variace koncentrace, jak plynou hodiny a minuty; nano, piko nebo dokonce femtosekundy (10-patnácts).

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

Podle konvence však mají míry zmizení reaktantu negativní znaménko a míry zmizení produktu mají pozitivní znaménko..

Ale pokud mají reaktanty a produkty své vlastní rychlosti, jak zjistit celkovou rychlost reakce? Odpověď je ve stechiometrických koeficientech.

Obecná rovnice

Následující chemická rovnice vyjadřuje reakci A a B za vzniku C a D:

naNA + bB => CC + dD

Molární koncentrace jsou obvykle vyjádřeny v hranatých závorkách, takže například je koncentrace druhu A zapsána jako [A]. Reakční rychlost pro každou ze zúčastněných chemických látek je tedy:

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

Poté s jednou z těchto hodnot a jejím správným stechiometrickým koeficientem vydělte druhou a získáte reakční rychlost rxn.

Protože reakční rychlost je kladná veličina, znaménko zápor znásobuje záporné hodnoty rychlosti reaktantů; z tohoto důvodu koeficienty na Y b vynásobit (-1).

Například pokud je míra zmizení A - (5 M / s) a její stechiometrický koeficient na je 2, takže rychlost rxn se rovná 2,5 M / s ((-1/2) x 5).

Příklad dezertu

Pokud by byl produkt dezertem, složkami by analogicky byla činidla; a chemická rovnice, recept:

7Cookies + 3 brownies + 1 zmrzlina => 1 dezert

A rychlosti pro každou ze sladkých ingrediencí a pro samotný dezert jsou:

Rychlost, s jakou se dezert připravuje, lze tedy určit podle variace buď sušenky, sušenky, zmrzliny nebo samotné sady; poté jej vydělíte jeho stechiometrickými koeficienty (7, 3, 1 a 1). Jedna z cest však může být jednodušší než ta druhá..

Například pokud změříte, jak [Dezert] stoupá v různých časových intervalech, může být tato měření obtížná..

Na druhou stranu může být pohodlnější a praktičtější měřit [Cookies], vzhledem k jejich počtu nebo některým vlastnostem, které usnadňují stanovení jejich koncentrace, než u brownies nebo zmrzliny..

Jak to zjistit

Vzhledem k jednoduché reakci A => B, jestliže A například ve vodném roztoku vykazuje zelené zbarvení, pak to závisí na jeho koncentraci. Když se tedy A stane B, zelená barva zmizí, a pokud je toto zmizení kvantifikováno, lze získat křivku [A] vs t.

Na druhou stranu, pokud B je kyselý druh, pH roztoku klesne na hodnoty pod 7. Z poklesu pH tedy získáme [B] a následně graf [B] vs. t. Poté, co oba grafy překryjeme, můžeme vidět něco jako následující:

V grafu vidíme, jak [A] klesá s časem, protože je spotřebován, a jak se křivka [B] zvyšuje s kladným sklonem, protože je to součin.

Je také vidět, že [A] má tendenci k nule (pokud neexistuje rovnováha) a že [B] dosahuje maximální hodnoty řízené stechiometrií a je-li reakce úplná (spotřebuje se vše A).

Reakční rychlost obou A a B je tečna na jedné 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 rychlosti tak vysoké, že je nelze měřit; to znamená, že nejsou měřitelné.

Reakce mezi ionty jsou tedy obvykle velmi rychlé a úplné (s výtěžkem kolem 100%). Na druhou stranu, ty, které zahrnují organické sloučeniny, vyžadují nějaký čas. Reakce prvního typu je:

HdvaSW4 + 2NaOH => NadvaSW4 + 2HdvaNEBO

Silné elektrostatické interakce mezi ionty upřednostňují rychlou tvorbu vody a síranu sodného. Místo toho je reakcí druhého typu například esterifikace kyseliny octové:

CH3COOH + CH3CHdvaOH => CH3COOCHdvaCH3 + HdvaNEBO

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

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

Koncentrace činidla

V chemické kinetice je studovaný prostor, oddělený od nekonečna, nazýván systém. Za studovaný systém lze například považovat reaktor, kádinku, baňku, mrak, hvězdu atd..

V systému tedy molekuly nejsou statické, ale spíše „cestují“ do všech jeho rohů. V některých z těchto přemístění se srazí s jinou molekulou, aby se odrazila nebo vytvořila produkty..

Poté je počet srážek úměrný koncentraci reaktantů. Obrázek výše ukazuje, jak se systém mění z nízké na vysokou koncentraci.

Čím více kolizí existuje, tím vyšší je rychlost reakce, protože šance na reakci dvou molekul se zvyšují..

Pokud jsou reaktanty plynné, pak se pracuje s proměnnou tlaku a souvisí s koncentrací plynu za předpokladu, že existuje některá z mnoha existujících rovnic (například rovnice ideálního plynu); nebo také je zmenšen objem systému, aby se zvýšila pravděpodobnost srážky plynných molekul.

Teplota

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

Zde hraje důležitou roli teplota: vykonává funkci tepelného zrychlení molekul tak, aby kolidovaly s více energií..

Reakční rychlost se tedy obecně zdvojnásobuje při každém zvýšení teploty systému o 10 ° C. U všech reakcí to však neplatí vždy. Jak předpovědět toto zvýšení? Arrheniova rovnice odpovídá na otázku:

d (lnK) / dT = E / (RTdva)

K je rychlostní konstanta při teplotě T, R je plynová konstanta a E je aktivační energie. Tato energie svědčí o energetické bariéře, kterou musí reaktanty reagovat..

Aby bylo možné provést kinetickou studii, je nutné udržovat konstantní teplotu a bez katalyzátorů. Co jsou katalyzátory? Jsou to vnější druhy, které zasahují do reakce, ale nejsou spotřebovány, a které snižují aktivační energii.

Obrázek výše ilustruje koncept katalýzy pro reakci glukózy s kyslíkem. Červená čára představuje aktivační energii bez enzymu (biologický katalyzátor), zatímco u ní modrá čára ukazuje pokles aktivační energie.

Pořadí reakce v chemické kinetice

V chemické rovnici se stechiometrické indexy související s reakčním mechanismem nerovnají indexům stejného řádu. Chemické reakce mají obvykle první nebo druhý řád, zřídka třetí řád nebo vyšší..

Co to je? Protože srážky tří energeticky excitovaných molekul jsou nepravděpodobné, a ještě více jsou to čtyřnásobné nebo pětinásobné srážky, kde je pravděpodobnost nekonečně malá. Frakční objednávky jsou také možné. Například:

NH4Cl <=>NH3 + HCl

Reakce je prvního řádu v jednom smyslu (zleva doprava) a druhého řádu v druhém smyslu (zprava doleva), pokud je považována za rovnováhu. Zatímco následující rovnováha je druhého řádu v obou směrech:

2HI <=> Hdva + Jádva

Jsou molekulárnost a pořadí reakce stejné? Ne. Molekulárnost je počet molekul, které reagují za vzniku produktů, a celkové reakční pořadí je stejné pořadí reaktantů zapojených do kroku stanovení rychlosti..

2KMnO4 + 10KI + 8HdvaSW4 => 2 MnSO4 + 5Idva + 6 tisdvaSW4 + 8HdvaNEBO

Tato reakce, přestože má vysoké stechiometrické indexy (molekulárnost), je ve skutečnosti reakcí druhého řádu. Jinými slovy, určující krok rychlosti je druhého řádu.

Reakce nulového řádu

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

Podobně, pokud má reaktant reakční řád nula, znamená to, že se neúčastní určovacího kroku rychlosti, ale rychlého.

Reakce prvního řádu

A => B

Reakce prvního řádu se řídí následujícím zákonem o sazbách:

V = k [A]

Pokud se koncentrace A zdvojnásobí, reakční rychlost V se zdvojnásobí. Proto je rychlost úměrná koncentraci činidla v určovacím kroku reakce..

Reakce druhého řádu

2A => B

A + B => C.

Na tomto typu reakce se podílejí dva druhy, stejně jako ve dvou právě napsaných chemických rovnicích. Zákony rychlosti reakcí jsou:

V = k [A]dva

V = k [A] [B]

V první je reakční rychlost úměrná druhé mocnině koncentrace A, zatímco ve druhé dochází ke stejnému jako v reakcích prvního řádu: rychlost je přímo úměrná koncentracím A i B.

Pořadí reakce vs. molekulárnost

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

K tomu však dochází u elementárních reakcí, které určují molekulární mechanismus jakéhokoli kroku reakce. V těchto reakcích se koeficienty rovnají počtu zúčastněných molekul.

Například molekula A reaguje s jedním z B za vzniku molekuly C. Zde je molekula 1 pro reaktanty a poté se ve vyjádření rychlostního zákona shodují s reakčními řády.

Z toho vyplývá, že molekulárnost 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; dva z nich mohli nejprve reagovat a potom zbývající dva reagovali s tímto produktem.

Matematicky se jedná o jeden z hlavních rozdílů mezi reakčními řády a molekulárností: reakční řád může nabývat zlomkových hodnot (1/2, 5/2 atd.).

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

Aplikace

- Umožňuje určit dobu, po kterou lék zůstane v těle před úplným metabolizmem. Podobně lze díky kinetickým studiím sledovat enzymatickou katalýzu jako zelené metody ve srovnání s jinými katalyzátory s negativními dopady na životní prostředí; nebo také k použití v nesčetných průmyslových procesech.

- V automobilovém průmyslu, konkrétně v motorech, kde musí být rychle provedeny elektrochemické reakce, aby bylo možné vozidlo nastartovat. Také ve výfukových trubkách, které mají katalyzátory pro přeměnu škodlivých plynů CO, NO a NO.X v COdva, HdvaO, Ndvadva během optimálního času.

2NaN3(s) = 2Na (s) + 3Ndva(G)

-Je to reakce, za kterou se při srážce vozidel nafouknou airbagy, „airbagy“. Když pneumatiky narazily na brzdy, detektor elektricky odpálí azid sodný, NaN3. Toto činidlo "exploduje" a uvolňuje Ndva, který rychle zabírá celý objem vaku.

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

Reference

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

Zatím žádné komentáře