- Mit tanulmányoz a kémiai kinetika?
- Reakciósebesség
- Meghatározás
- Általános egyenlet
- Desszert példa
- Hogyan lehet meghatározni?
- A reakció sebességét befolyásoló tényezők
- A kémiai fajok jellege
- Reagens koncentráció
- Hőfok
- A reakció sorrendje a kémiai kinetikában
- Nulla sorrendű reakciók
- Első rend reakció
- Második rend reakció
- Reakciós sorrend vs molekulárisképesség
- Alkalmazások
- Irodalom
A kémiai kinetika a reakciósebesség tanulmányozása. A molekuláris mechanizmus kísérleti vagy elméleti adatainak levezetése a matematikai egyenletekben kifejezett törvények segítségével. A mechanizmusok lépések sorozatából állnak, amelyek közül néhány gyors, mások lassú.
Ezek közül a leglassabbat nevezzük sebességmeghatározó lépésnek. Ezért a közbenső fajok ismerete és ennek a lépésnek a működési mechanizmusa nagyon fontos kinetikai szempontból. A fentiek egyik szemléltetése annak feltételezése, hogy a reagenseket egy palackba zárták, és hogy reagálás közben a termékek kifelé szálljanak.
Végül, a termékek szabadon lépnek ki a palack szájából, további kinetikai akadályok nélkül. Ebből a szempontból sokféle méretű és kivitelű üveg van. Mindazonáltal mindegyiknek van egy közös eleme: egy keskeny nyak, amely jelzi a reakció döntő lépését.
Mit tanulmányoz a kémiai kinetika?
Kísérletileg ez a kémia ág vizsgálja a kémiai reakcióban bekövetkező koncentrációváltozásokat egy adott tulajdonság mérése alapján.
A kémiai kinetika a kémia olyan ága, amelynek feladata az összes információ tanulmányozása, amely a reakció sebességéből származtatható. A neve felkéri Önt, hogy elképzeljen egy zsebórát, amely jelzi a folyamat idejét, függetlenül attól, hogy hol történik: egy reaktorban, egy felhőben, egy folyóban, az emberi testben stb.
Minden kémiai reakciónak, tehát minden transzformációnak termodinamikai, egyensúlyi és kinetikus szempontjai vannak. A termodinamika azt jelzi, hogy a reakció spontán vagy sem; egyensúlyozza meg a mennyiségi meghatározás mértékét; és a kinetika a sebességét kedvező körülmények, valamint a mechanizmusra vonatkozó adatok.
A kémiai kinetika számos alapvető szempontja megfigyelhető a mindennapi életben: a hűtőszekrényben, amely az ételeket lefagyasztja, hogy csökkentsék a bomlásukat a részét képező víz fagyasztásával. Ugyancsak a borok érlelésénél, amelyek érlelése miatt kellemes ízek vannak.
A "molekulák ideje" azonban apró méretarányban nagyon különbözik, és sok tényező (óvadékok száma és típusa, méret, anyagállapot stb.) Alapján óriási mértékben változik.
Mivel az idő az élet és a pénz is, rendkívül fontos tudni, hogy mely változók teszik lehetővé a kémiai reakció minél gyorsabb lefolyását. Előfordulhat azonban néha az ellenkezője: a reakció nagyon lassan zajlik le, különösen akkor, ha exoterm, és fennáll a robbanás veszélye.
Mik ezek a változók? Néhányuk fizikai jellegű, például milyen hőmérsékleten vagy hőmérsékleten kell a reaktornak vagy a rendszernek lennie; és mások kémiai, például az oldószer típusa, pH, sótartalom, molekuláris szerkezet stb.
Mielőtt ezeket a változókat megtalálnánk, először meg kell vizsgálnunk a jelenlegi reakció kinetikáját.
Hogyan? A koncentráció variációján keresztül, amely követhető, ha számszerűsítjük egy olyan tulajdonságot, amely arányos az elsővel. A történelem során a módszerek kifinomultabbá váltak, lehetővé téve a pontosabb és pontosabb méréseket, egyre rövidebb időközökkel.
Reakciósebesség
A kémiai reakció sebességének meghatározásához meg kell tudni, hogy az érintett fajok koncentrációja hogyan változik az idő múlásával. Ez a sebesség nagymértékben számos tényezőtől függ, de a legfontosabb az, hogy mérhető azoknak a reakcióknak a esetében, amelyek "lassan" következnek be.
A "lassan" szó itt relatív, és mindent meghatároz, amelyet meg lehet mérni a rendelkezésre álló műszeres technikákkal. Ha például a reakció sokkal gyorsabb, mint a berendezés mérési képessége, akkor nem lesz kvantitatív és kinetikáját nem lehet megvizsgálni.
Ezután a reakció sebességét bármely eljárás küszöbén meghatározzuk, mielőtt az egyensúlyba kerülne. Miért? Mivel az egyensúlyban az előremeneti reakció (termékképződés) és a fordított reakció (reaktánsképződés) sebessége egyenlő.
A rendszert befolyásoló változók és következésképpen annak kinetikájának vagy a reakció sebességének ellenőrzésével az ideális körülmények megválaszthatók bizonyos mennyiségű termék előállításához a legkívánatosabb és legbiztonságosabb idő alatt.
Másrészről, ez az ismeret felfedi a molekuláris mechanizmust, amely akkor hasznos, ha növelik a reakció hozamát.
Meghatározás
A sebesség a nagyság változása az idő függvényében. Ezeknek a tanulmányoknak az az érdeke, hogy meghatározzuk a koncentráció változását az óra és perc elteltével; nano, pico vagy akár femtosekund (10-15 s).
Rengeteg egységet tartalmazhat, de a legegyszerűbb és legegyszerűbb az M · s – 1, vagy ami egyenlő a mol / L · s-vel. Mértékegységeitől függetlenül mindig pozitív értékkel kell rendelkeznie, mivel fizikai mennyiség (például méretek vagy tömeg).
Megállapodás szerint azonban a reaktáns eltűnési arányai negatív jelet mutatnak, a termék megjelenésének pozitív jele van.
De ha a reagensek és a termékek saját sebességgel rendelkeznek, akkor hogyan lehet meghatározni az általános reakciósebességet? A válasz sztöchiometrikus együtthatókban található.
Általános egyenlet
A következő kémiai egyenlet fejezi ki A és B reakcióját C és D képződésre:
a A + b B => c C + d D
A moláris koncentrációkat általában szögletes zárójelben fejezik ki, így például az A fajok koncentrációját így kell megadni. Így a reakció sebessége az összes érintett kémiai fajnál:
A matematikai egyenlet szerint négyféle módon lehet elérni a reakciósebességet: megmérjük a reagensek (A vagy B) vagy a termékek (C vagy D) koncentrációjának változását.
Ezután ezen értékek egyikével és a helyes sztöchiometrikus együtthatóval ossza meg az utóbbival és így kapja meg az rxn reakciósebességet.
Mivel a reakció sebessége pozitív mennyiség, a negatív jel megsokszorozza a reaktánsok negatív sebességi értékeit; ezért az a és b együtthatókat megszorozzuk (-1) -vel.
Például, ha A eltűnési sebessége - (5M / s), és sztöchiometrikus együtthatója 2, akkor az rxn sebesség 2,5M / s ((-1 / 2) x 5).
Desszert példa
Ha a termék desszert lenne, akkor az összetevők analógia útján a reagensek; és a kémiai egyenlet, a recept:
7 süti + 3 sütemény + 1 fagylalt => 1 desszert
És az egyes édes összetevők és a desszert sebessége a következő:
Így a desszert elkészítésének sebessége meghatározható a sütemények, a sütemények, a fagylalt vagy a készlet változtatásával; majd osztjuk sztöchiometrikus együtthatóival (7, 3, 1 és 1). Az egyik út azonban könnyebb lehet, mint a másik.
Például, ha megmérjük, hogyan növekszik különböző időközönként, ezek a mérések bonyolultak lehetnek.
Másrészt sokkal kényelmesebb és praktikusabb lehet mérni, számuk vagy bizonyos tulajdonságaik miatt, amelyek megkönnyítik koncentrációjuk meghatározását, mint a kekszek vagy fagylaltok koncentrációját.
Hogyan lehet meghatározni?
Az A => B egyszerű reakciót figyelembe véve, ha például A vizes oldatban zöld színű, akkor ez koncentrációjától függ. Így, amikor A B-ként válik, a zöld szín eltűnik, és ha ezt a eltűnést számszerűsítik, akkor megkapható egy vs t görbe.
Másrészről, ha B savas faj, az oldat pH-ja 7 érték alá csökken. Így a pH csökkenéséből a t és a grafikon egymást követő eredményeit kapjuk. Ezután mindkét gráf egymásra helyezése után láthatjuk a következőket:
A grafikon azt mutatja, hogyan csökken az idő múlásával, mert fogyasztódik, és hogyan növekszik a görbe pozitív lejtőn, mert a termék.
Az is nyilvánvaló, hogy nullára hajlik (ha nincs egyensúly), és eléri a sztöchiometria által szabályozott maximális értéket, és ha a reakció befejeződik (az összes A el van fogyasztva).
Az A és B reakciósebessége mindkét görbe érintő vonalát jelenti; más szavakkal a származékot.
A reakció sebességét befolyásoló tényezők
A kémiai fajok jellege
Ha minden kémiai reakció azonnal megtörténne, kinetikai vizsgálata nem létezik. Sokan olyan nagy sebességgel rendelkeznek, hogy nem mérhetők; vagyis nem mérhetők.
Így az ionok közötti reakciók általában nagyon gyorsak és teljesek (100% -os hozammal). Másrészt azok, amelyekben a szerves vegyületek vannak, bizonyos időt igényelnek. Az első típusú reakció a következő:
H 2 SO 4 + 2NaOH => Na 2 SO 4 + 2H 2 O
Az ionok közötti erős elektrosztatikus kölcsönhatások elősegítik a víz és a nátrium-szulfát gyors képződését. Ehelyett a második típusú reakció például az ecetsav észterezése:
CH 3 COOH + CH 3 CH 2 OH => CH 3 COOCH 2 CH 3 + H 2 O
Bár víz is képződik, a reakció nem pillanatnyi; még kedvező körülmények között is több órát vesz igénybe.
Más reakciók azonban inkább befolyásolják a reakció sebességét: a reagensek koncentrációja, a hőmérséklet, a nyomás és a katalizátorok jelenléte.
Reagens koncentráció
A kémiai kinetikában a végtelenségtől elválasztott vizsgált helyet rendszernek nevezik. Például egy reaktor, egy főzőpohár, egy lombik, egy felhő, egy csillag stb. Tekinthető vizsgált rendszernek.
Így a rendszerben a molekulák nem statikusak, hanem "végigmennek" minden sarkába. Ezen elmozdulások némelyike ütközik egy másik molekulával, hogy visszapattanjon vagy termékeket hozzon létre.
Az ütközések száma akkor arányos a reagensek koncentrációjával. A fenti kép azt szemlélteti, hogy a rendszer hogyan változik az alacsony és a magas koncentráció között.
Minél több ütközés történik, annál nagyobb a reakciósebesség, mivel növekszik a két molekula reagálásának esélye.
Ha a reagensek gáz-halmazállapotúak, akkor a nyomásváltozót kezeljük, és kapcsolatban állunk a gázkoncentrációval, a sok létező egyenlet bármelyikét feltételezve (mint például az ideális gáz); Vagy csökkentjük a rendszer térfogatát, hogy növeljük a gáznemű molekulák összeesésének esélyét.
Hőfok
Noha az ütközések száma növekszik, nem minden molekulában van olyan energia, amely meghaladja a folyamat aktiválási energiáját.
Itt a hőmérséklet fontos szerepet játszik: az a funkció, hogy a molekulákat termikusan gyorsítsa fel úgy, hogy több energiával ütközzenek egymáshoz.
Így a reakciósebesség általában megduplázódik a rendszer hőmérsékletének minden 10 ° C-os emelkedésekor. Ugyanakkor minden reakció esetén nem mindig ez a helyzet. Hogyan lehet megjósolni ezt a növekedést? Az Arrhenius-egyenlet megválaszolja a kérdést:
d (lnK) / dT = E / (RT 2)
K a sebességállandó T hőmérsékleten, R a gázállandó és E az aktivációs energia. Ez az energia azt az energiagátot jelzi, amelynek a reagenseknek méretezniük kell a reagáláshoz.
A kinetikai vizsgálat elvégzéséhez állandó hőmérsékletet kell tartani katalizátorok nélkül. Mik a katalizátorok? Külső fajok, amelyek részt vesznek a reakcióban, de nem fogyasztanak, és csökkentik az aktivációs energiát.
A fenti kép a glükóz oxigénnel történő reakciójának katalízisét szemlélteti. A piros vonal az aktivációs energiát jelzi enzim (biológiai katalizátor) nélkül, míg a kék vonal az aktivációs energia csökkenését jelzi.
A reakció sorrendje a kémiai kinetikában
A kémiai egyenletben a reakció mechanizmusához kapcsolódó sztöchiometrikus mutatók nem azonosak az azonos rendű indexekkel. A kémiai reakciók általában első vagy második rendűek, ritkán harmadik vagy annál magasabb rendűek.
Mi ez? Mivel három energetikailag gerjesztett molekula ütközése valószínűtlen, és a négyszeres vagy ötszögletű ütközések még inkább ott vannak, ahol a valószínűség végtelenek. Frakcionált reagálási sorrend is lehetséges. Például:
NH 4 Cl <=> NH 3 + HCl
A reakció elsőrendű az egyik irányba (balról jobbra) és a második rend a másikba (jobbról balra), ha egyensúlynak tekintjük. Míg a következő egyensúly mindkét irányban másodrendű:
2HI <=> H 2 + I 2
A molekuláris és a reakció sorrendje azonos? Nem. A molekulárisképesség azon molekulák száma, amelyek reagálnak, hogy termékeket hozzanak létre, és az általános reakció sorrend megegyezik a sebesség-meghatározási lépésben részt vevő reagensek sorrendjével.
2KMnO 4 + 10KI + 8H 2 SO 4 => 2MnSO 4 + 5I 2 + 6K 2 SO 4 + 8H 2 O
Ez a reakció annak ellenére, hogy magas sztöchiometrikus mutatókkal rendelkezik (molekulatömeg), valójában másodrendű reakció. Más szavakkal, a sebességet meghatározó lépés másodrendű.
Nulla sorrendű reakciók
Ezek heterogén reakciók esetén fordulnak elő. Például: folyadék és szilárd anyag között. Így a sebesség független a reagensek koncentrációjától.
Hasonlóképpen, ha egy reaktáns nulla reakciórendje nulla, ez azt jelenti, hogy nem a sebesség-meghatározási lépésben, hanem a gyorsban vesz részt.
Első rend reakció
A => B
Az első rendű reakciót a következő árfolyamtörvény szabályozza:
V = k
Ha az A koncentrációja megduplázódik, akkor a V reakciósebesség megduplázódik. Ezért a sebesség arányos a reagens koncentrációjával a reakció meghatározó lépésében.
Második rend reakció
2A => B
A + B => C
Két faj vesz részt az ilyen típusú reakcióban, csakúgy, mint az éppen írt két kémiai egyenletben. A reakciósebesség törvényei a következők:
V = k 2
V = k
Az elsőben a reakciósebesség arányos az A koncentráció négyzetével, míg a másodikban ugyanaz történik, mint az elsőrendű reakciókban: a sebesség közvetlenül arányos mind az A, mind a B koncentrációjával.
Reakciós sorrend vs molekulárisképesség
Az előző példa szerint a sztöchiometrikus együtthatók lehetnek vagy nem esnek egybe a reakció sorrendjével.
Ez azonban az elemi reakcióknál fordul elő, amelyek meghatározzák a reakció bármely lépésének molekuláris mechanizmusát. Ezekben a reakciókban az együtthatók megegyeznek a részt vevő molekulák számával.
Például, egy A molekula reagál a B egyikével, és így C molekulát képez. Itt a molekulárisképesség 1 a reagensek számára, és ezért a sebességi törvény kifejezésében egybeesnek a reakció sorrendjével.
Ebből következik, hogy a molekulárisképességnek mindig egésznek kell lennie, és valószínűség szerint négynél kisebbnek kell lennie.
Miért? Mivel egy mechanizmus átjárásakor nagyon valószínűtlen, hogy négy molekula egyidejűleg vesz részt; kettő közülük először reagálhat, majd a fennmaradó kettő reagálna ezzel a termékkel.
Matematikailag ez az egyik fő különbség a reakciórend és a molekulárisság között: a reakciósorrend frakcionális értékeket vehet fel (1/2, 5/2 stb.).
Ennek oka az, hogy az előbbi csak azt tükrözi, hogy a fajok koncentrációja hogyan befolyásolja a sebességet, de nem azt, hogy molekuláik hogyan beavatkoznak a folyamatba.
Alkalmazások
- Ez lehetővé teszi annak meghatározását, hogy a gyógyszer miként marad a testben a teljes metabolizmus előtt. Hasonlóképpen, a kinetikai vizsgálatoknak köszönhetően az enzimatikus katalízis zöld módszerekként követhető, összehasonlítva más negatív környezeti hatással járó katalizátorokkal; vagy számtalan ipari folyamatban is felhasználható.
- Az autóiparban, különösen a motorokban, ahol az elektrokémiai reakciókat gyorsan végre kell hajtani a jármű indulása érdekében. Szintén kipufogócsöveiben, amelyek katalizátorokkal rendelkeznek, hogy az optimális idő alatt CO, NO és NO x káros gázokat CO 2, H 2 O, N 2 és O 2 -vá alakítsák.
2NaN 3 (s) = 2NaN (s) + 3N 2 (g)
-A reakció mögött a légzsákok felfújódnak, a „légzsákok”, amikor a járművek összeomlanak. Amikor a gumiabroncsok keményen fékeznek, egy detektor elektromosan felrobbantja a NaN 3 nátrium-azidot. Ez a reagens „felrobban” releasing N 2, amely elfoglalja a teljes térfogatát a zsák gyorsan.
A fém-nátrium ezután reagál más komponensekkel semlegesítésre, mert tiszta állapotában mérgező.
Irodalom
- Walter J. Moore. (1963). Fizikai kémia. A kémiai kinetikában. Negyedik kiadás, Longmans.
- Ira N. Levine. (2009). A fizikokémia alapelvei. Hatodik kiadás, 479–540. Mc Graw Hill.
- UAwiki. (2011. december 23.). Molekuláris ütközések-is.. Visszakeresve: 2018. április 30-án, a következő címen: es.m.wikipedia.org
- Glasstone. (1970). A fizikai kémia tankönyve. A kémiai kinetikában. Második kiadás. D. Van Nostrand, Company, Inc.
- Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (2017. március 8.). Kémiai kinetika meghatározása. Letöltve: 2018. április 30-án, a következő helyről: thinkco.com
- Khan Akadémia. (2018). A reakció sebessége és a sebességre vonatkozó törvények. Visszakeresve: 2018. április 30-án, a következő helyről: khanacademy.org
- Fernández Germán. (2010. július 26.). Kémiai kinetika. Letöltve: 2018. április 30-án, a következő helyről: quimicafisica.com