Kemialliset kineettiset tekijät, reaktiojärjestys, sovellukset

kemiallinen kinetiikka Se on reaktion nopeuksien tutkimus. Se johtaa kokeellisiin tai teoreettisiin tietoihin molekyylimekanismista matemaattisilla yhtälöillä ilmaistujen lakien avulla. Mekanismit koostuvat joukosta vaiheita, joista osa on nopeaa ja toiset hidas.

Näistä hitaimmin kutsutaan nopeuden määritysvaiheeksi. Siksi välivaiheen ja tämän vaiheen operanttimekanismin tunteminen on erittäin tärkeää kinetiikan kannalta. Edellä olevan havainnollistamisen tarkoituksena on olettaa, että reagenssit on suljettu pulloon ja että tuotteet reagoivat ulospäin.

Lopuksi tuotteet kehittyvät vapaasti pullon suuhun ilman muita kineettisiä esteitä. Tästä näkökulmasta on olemassa useita kokoja ja malleja. Niillä kaikilla on kuitenkin yksi yhteinen elementti: kapea kaula, reaktion determinanttivaiheen indikaattori.

indeksi

• 1 Mitä kemiallinen kineettisyys tutkitaan?
• 2 Reaktionopeus
  • 2.1 Määritelmä
  • 2.2 Yleinen yhtälö
  • 2.3 Esimerkki jälkiruoasta
  • 2.4 Miten se määritetään
• 3 Tekijät, jotka vaikuttavat reaktionopeuteen
  • 3.1 Kemiallisten lajien luonne
  • 3.2 Reagenssien pitoisuus
  • 3.3 Lämpötila
• 4 Reaktiojärjestys kemiallisessa kinetiikassa
  • 4.1 Nollamääräykset
  • 4.2 Ensimmäisen asteen reaktio
  • 4.3 Toisen asteen reaktio
  • 4.4 Reaktion järjestys ja molekyylisyys
• 5 Sovellukset
• 6 Viitteet

Mikä selvittää kemiallista kinetiikkaa?

Kokeellisesti tämä kemianhaara tutkii kemialliseen reaktioon sisältyviä konsentraatiomuutoksia tietyn ominaisuuden mittauksesta.

Kemiallinen kinetiikka on kemian haara, joka vastaa kaikkien reaktion nopeudesta johtuvien tietojen tutkimisesta. Hänen nimensä kutsuu sinut kuvittelemaan taskukellon, joka merkitsee prosessin aikaa riippumatta siitä, missä se tapahtuu: reaktorissa, pilvessä, joessa, ihmiskehossa jne..

Kaikilla kemiallisilla reaktioilla ja siten kaikilla muunnoksilla on termodynaamiset, tasapainoiset ja kineettiset näkökohdat. Termodynamiikka osoittaa, onko reaktio spontaani vai ei; tasapaino sen määrällisen määrityksen asteella; ja kineettiset olosuhteet, jotka suosivat sen nopeutta, sekä tiedot sen mekanismista.

Monet kemiallisen kinetiikan olennaisista näkökohdista voidaan havaita jokapäiväisessä elämässä: jääkaapissa, joka pakastaa ruokaa vähentääkseen sen hajoamista jäädyttämällä osa niistä. Myös viinien kypsymisessä, joiden ikääntyminen antaa heille miellyttäviä makuja.

"Molekyylien aika" on kuitenkin hyvin pieni sen pienissä mittakaavoissa, ja se vaihtelee valtavasti monien tekijöiden mukaan (linkkien lukumäärä ja tyypit, koot, aineen tilat jne.).

Koska aika on elämä, ja se on myös rahaa, on erittäin tärkeää tietää, mitkä muuttujat sallivat kemiallisen reaktion edetä niin nopeasti kuin mahdollista. Toisinaan halutaan kuitenkin päinvastainen: reaktio tapahtuu hyvin hitaasti, varsinkin jos se on eksoterminen ja räjähdysvaara on olemassa.

Mitkä ovat nämä muuttujat? Jotkut ovat fyysisiä, kuten mitä painetta tai lämpötilaa reaktorissa tai järjestelmässä on oltava; ja muut ovat kemiallisia, kuten liuottimen tyyppi, pH, suolapitoisuus, molekyylirakenne jne..

Ennen kuin nämä muuttujat tulevat esiin, meidän on ensin tutkittava tämän reaktion kinetiikkaa.

Miten? Konsentraatiomuutoksen kautta, jota voidaan seurata, jos tietty ominaisuus kvantifioidaan, on verrannollinen ensimmäiseen. Menetelmät ovat koko historian ajan kehittyneet entistä tarkemmin, mikä mahdollistaa tarkemman ja tarkemman mittauksen ja yhä pienempien aikavälien.

Reaktionopeus

Kemiallisen reaktion nopeuden määrittämiseksi on välttämätöntä tietää, miten konsentraatio vaihtelee ajan kuluessa minkä tahansa kyseessä olevan lajin osalta. Tämä nopeus riippuu suurelta osin monista tekijöistä, mutta tärkeintä on, että se on mitattavissa niille reaktioille, jotka tapahtuvat hitaasti.

Tässä sana "hitaasti" on suhteellinen ja määritellään kaikelle, mitä voidaan mitata käytettävissä olevilla instrumentaalisilla tekniikoilla. Jos esimerkiksi reaktio on paljon nopeampi kuin laitteen mittauskapasiteetti, niin se ei ole kvantitatiivinen eikä sen kinetiikkaa voida tutkia..

Sitten reaktionopeus määritetään minkä tahansa prosessin kynnyksellä ennen kuin se saavuttaa tasapainon. Miksi? Koska tasapainossa suoran reaktion (tuotteiden muodostuminen) ja käänteisen reaktion (reagoivien aineiden muodostuminen) nopeus on yhtä suuri.

Järjestelmään vaikuttavien muuttujien ja siten sen kinetiikan tai reaktion nopeuden säätämisen ansiosta ihanteelliset olosuhteet voidaan valita tuottamaan tietty määrä tuotetta halutuimmalla ja turvallisimmalla ajalla.

Toisaalta tämä tieto paljastaa molekyylimekanismin, joka on arvokas, kun reaktion suorituskykyä lisätään.

määritelmä

Nopeus on suuruuden muutos ajan funktiona. Näissä tutkimuksissa kiinnostus on määritellä pitoisuuden vaihtelu tunteina, minuuttina; nano, huippu tai jopa femtosekuntia (10. \ t^-15s).

Se voi olla monta yksikköä, mutta yksinkertaisin ja helpoin kaikista on M · s^-1, tai mikä on yhtä suuri kuin mol / L · s. Sen yksiköistä riippumatta sen on aina oltava positiivinen, koska se on fyysinen määrä (kuten mitat tai massa)..

Sopimuksen mukaan reagenssin häviämisasteella on kuitenkin negatiivinen merkki, ja tuotteen ulkonäkö on positiivinen.

Mutta jos reagoivilla aineilla ja tuotteilla on omat nopeutensa, miten sitten määrittää kokonaisreaktion nopeus? Vastaus on stoikiometrisissä kertoimissa.

Yleinen yhtälö

Seuraava kemiallinen yhtälö ilmaisee A: n ja B: n reaktion muotoon C ja D:

että + bB => CC + dD

Molaariset konsentraatiot ilmaistaan ​​yleensä suluissa, niin että esimerkiksi lajin A pitoisuus on kirjoitettu [A]. Siten kunkin kyseessä olevan kemiallisen lajin reaktionopeus on:

Matemaattisen yhtälön mukaan reaktion nopeuden saavuttamiseksi on neljä reittiä: mitataan minkä tahansa reagenssin (A tai B) tai tuotteiden (C tai D) pitoisuuden vaihtelu..

Sitten, jompikumpi näistä arvoista ja sen oikea stoikiometrinen kerroin, se jaetaan jälkimmäisellä ja reaktionopeuden rxn saamiseksi..

Koska reaktionopeus on positiivinen määrä, negatiivinen merkki kertoo reagoivien aineiden negatiiviset nopeusarvot; tästä syystä kertoimet että ja b kerrotaan arvolla (-1).

Jos esimerkiksi A: n katoamisnopeus on - (5M / s) ja sen stoikiometrinen kerroin että on 2, sitten nopeus rxn on 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Jälkiruoka

Jos tuote olisi jälkiruoka, ainesosat olisivat analogisesti reagensseja; ja kemiallinen yhtälö, resepti:

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

Ja jokaisen makean ainesosan nopeus ja sama jälkiruoka ovat:

Siten jälkiruoan valmistusnopeus voidaan määrittää evästeiden, brownien, jäätelön tai koko joukon vaihtelulla; jaetaan se seuraavaksi stoikiometristen kertoimiensa (7, 3, 1 ja 1) välillä. Yksi reiteistä voi kuitenkin olla helpompaa kuin toinen.

Jos mittaat esimerkiksi, miten [jälkiruoka] kasvaa eri aikaväleillä, nämä mittaukset voivat olla monimutkaisia.

Toisaalta saattaa olla helpompaa ja käytännöllisempää mitata [evästeet] niiden lukumäärän tai niiden ominaisuuksien vuoksi, jotka tekevät niiden keskittymisestä helpommin määritettävän kuin brownies tai ice cream.

Miten se määritetään

Kun otetaan huomioon yksinkertainen reaktio A => B, jos A, esimerkiksi vesiliuoksessa, on vihreä väri, tämä riippuu sen pitoisuudesta. Näin ollen, kun A: sta tulee B, vihreä väri häviää, ja jos tämä katoaminen on kvantifioitu, saadaan [A] -väli käyrä t: sta..

Toisaalta, jos B on happama laji, liuoksen pH laskee alle 7: een. Näin pH: n laskusta saadaan [B] ja peräkkäin kuvaaja [B] vs. t. Päällystys ja molemmat kaaviot arvioidaan seuraavalla tavalla:

Kaaviossa näet, miten [A] vähenee ajan myötä, koska se kuluu ja kuinka käyrä [B] kasvaa positiivisella kaltevuudella, koska se on tuote.

Se osoittaa myös, että [A] pyrkii nollaan (jos tasapainoa ei ole) ja että [B] saavuttaa stökiometrisesti säädetyn maksimiarvon ja jos reaktio on valmis (kaikki A kulutetaan).

Sekä A: n että B: n reaktionopeus on minkä tahansa näistä käyristä tangenttilinja; toisin sanoen johdannainen.

Tekijät, jotka vaikuttavat reaktionopeuteen

Kemiallisten lajien luonne

Jos kaikki kemialliset reaktiot olivat hetkelliset, niiden kineettisiä tutkimuksia ei olisi olemassa. Monilla on niin suuri nopeus, että niitä ei voida mitata; eli ne eivät ole mitattavissa.

Niinpä ionien väliset reaktiot ovat yleensä hyvin nopeita ja täydellisiä (saanto noin 100%). Toisaalta orgaanisia yhdisteitä käyttävät henkilöt tarvitsevat jonkin aikaa. Ensimmäisen tyypin reaktio on:

H₂SW₄ + 2NaOH => Na₂SW₄ + 2H₂O

Vahvat sähköstaattiset vuorovaikutukset ionien välillä suosivat veden ja natriumsulfaatin nopeaa muodostumista. Sitä vastoin toisen tyyppinen reaktio on esimerkiksi etikkahapon esteröinti:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Vaikka vesi on myös muodostunut, reaktio ei ole hetkellinen; jopa suotuisissa olosuhteissa, useita tunteja kuluu loppuun.

Muilla muuttujilla on kuitenkin suurempi vaikutus reaktion nopeuteen: reagenssien pitoisuus, lämpötila, paine ja katalyyttien läsnäolo.

Reagenssien pitoisuus

Kemiallisessa kinetiikassa tutkittua tilaa, joka on erotettu äärettömästä, kutsutaan järjestelmäksi. Esimerkiksi reaktoria, dekantterilasia, pulloa, pilviä, tähtiä jne. Voidaan pitää tutkittavana olevana järjestelmänä.

Siten järjestelmän sisällä molekyylit eivät ole staattisia, vaan "kulkevat" kaikkiin kulmiin. Joissakin näistä siirroista törmää toisen molekyylin kanssa palamaan tai tuota tuotteita.

Sitten törmäysten lukumäärä on verrannollinen reagenssien konsentraatioon. Ylempi kuva havainnollistaa, miten järjestelmä vaihtuu matalista korkeisiin pitoisuuksiin.

Niin kauan kuin on enemmän törmäyksiä, reaktionopeus on suurempi, koska kahden molekyylin mahdollisuudet reagoida lisääntyvät.

Jos reagenssit ovat kaasumaisia, muuttujapaine käsitellään ja liittyy kaasukonsentraatioon olettaen minkä tahansa monista olemassa olevista yhtälöistä (kuten ideaalikaasu); tai myös järjestelmän tilavuus pienenee kaasumolekyylien törmäyksen todennäköisyyden lisäämiseksi.

lämpötila

Vaikka törmäysten määrä kasvaa, kaikilla molekyyleillä ei ole energiaa, joka tarvitaan prosessin aktivointienergian voittamiseksi.

Tässä lämpötilassa on tärkeä rooli: se täyttää molekyylien lämpökiihdyttämisen, jotta ne törmäävät enemmän energiaan.

Tällöin yleensä reaktionopeus kaksinkertaistuu joka 10 ° C: ssa järjestelmän lämpötilan nousun. Kaikkien reaktioiden kohdalla ei kuitenkaan ole aina tällaista. Miten ennustaa tämä kasvu? Arrhenius-yhtälö vastaa kysymykseen:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K on nopeuden vakio lämpötilassa T, R on kaasujen vakio ja E on aktivointienergia. Tämä energia ilmaisee energian esteen, jonka reagenssit täytyy skaalata reagoimaan.

Kineettisen tutkimuksen suorittamiseksi on välttämätöntä pitää lämpötila vakiona ja ilman katalyyttejä. Mitkä ovat katalyytit? Ne ovat ulkoisia lajeja, jotka puuttuvat reaktioon, mutta eivät kulutusta ja jotka vähentävät aktivointienergiaa.

Katalyysin käsite glukoosin reaktiolle hapen kanssa on esitetty yllä olevassa kuvassa. Punainen viiva edustaa aktivointienergiaa ilman entsyymiä (biologinen katalysaattori), kun taas sininen viiva osoittaa aktivoitumisenergian vähenemisen.

Reaktiojärjestys kemiallisessa kinetiikassa

Kemiallisessa yhtälössä reaktion mekanismiin liittyvät stoikiometriset indeksit eivät ole yhtä suuret kuin saman järjestyksen indeksit. Kemiallisilla reaktioilla on yleensä ensimmäiset tai toiset tilaukset, harvoin kolmas tai suurempi.

Miksi se on? Se, että kolmen energisesti herätetyn molekyylin törmäykset ovat epätodennäköisiä, ja vielä enemmän ovat nelinkertaiset tai kvintupuoliset törmäykset, joissa todennäköisyys on ääretön. Myös osittaiset reaktiotilaukset ovat mahdollisia. Esimerkiksi:

NH₄cl <=>NH₃ + HCl:

Reaktio on ensimmäisessä järjestyksessä yhdessä suunnassa (vasemmalta oikealle) ja toisessa järjestyksessä toisessa (oikealle vasemmalle), jos sitä pidetään tasapainona. Vaikka seuraava saldo on toisessa järjestyksessä molempiin suuntiin:

2HI <=> H₂ + minä₂

Molekyyli- ja reaktiojärjestys ovat samat? Molekyyli on molekyylien lukumäärä, jotka reagoivat tuottamaan tuotteita, ja globaalireaktion järjestys on sama järjestys reagensseihin, jotka osallistuvat vaiheeseen, joka määrittää nopeuden.

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

Tämä reaktio, vaikka niillä on korkeat stoikiometriset indeksit (molekyy- lisyys), on itse asiassa toisen asteen reaktio. Toisin sanoen nopeuden määritysvaihe on toinen järjestys.

Nollajärjestysreaktiot

Ne esiintyvät heterogeenisten reaktioiden tapauksessa. Esimerkiksi: nesteen ja kiinteän aineen välillä. Niinpä nopeus on riippumaton reagenssien konsentraatioista.

Samoin, jos reagenssissa on nolla-reaktiojärjestys, se tarkoittaa, että se ei osallistu nopeuden määritysvaiheeseen, vaan nopeissa.

Ensimmäisen asteen reaktio

A => B

Ensimmäisen asteen reaktioon sovelletaan seuraavaa nopeuslakia:

V = k [A]

Jos A: n pitoisuus kaksinkertaistuu, myös reaktionopeus V. Siksi nopeus on verrannollinen reagenssin konsentraatioon vaiheessa, joka määrittää reaktion.

Toisen asteen reaktio

2A => B

A + B => C

Tämäntyyppisessä reaktiossa puuttuu kaksi lajia, kuten juuri kirjoitetuissa kahdessa kemiallisessa yhtälössä. Reaktioiden nopeuden lait ovat:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

Ensimmäisessä reaktionopeus on verrannollinen A: n konsentraation neliöön, kun taas toisessa sama tapahtuu kuin ensimmäisen asteen reaktioissa: nopeus on suoraan verrannollinen sekä A: n että B: n pitoisuuksiin..

Reaktiojärjestys molekyylin suhteen

Edellisen esimerkin mukaan stökiometriset kertoimet voivat olla tai eivät vastaa reaktion järjestystä.

Tämä tapahtuu kuitenkin alkeisreaktioissa, jotka määrittävät reaktion minkä tahansa vaiheen molekyylimekanismin. Näissä reaktioissa kertoimet ovat yhtä suuret kuin osallistuvien molekyylien lukumäärä.

Esimerkiksi A-molekyyli reagoi yhden B: n kanssa muodostaen molekyylin C. Tässä molekyylin arvo on 1 reagensseille ja sen jälkeen nopeuden lain ilmaisussa ne vastaavat reaktiotilauksia.

Tästä seuraa, että molekulaarisuuden on aina oltava kokonaisluku ja todennäköisyys, pienempi kuin neljä.

Miksi? Koska mekanismin läpikulussa on hyvin epätodennäköistä, että neljä molekyyliä osallistuu samaan aikaan; voisi reagoida kaksi niistä ensin ja sitten kaksi muuta reagoivat tämän tuotteen kanssa.

Matemaattisesti tämä on yksi tärkeimmistä eroista reaktiotilausten ja molekyylisyyden välillä: reaktiojärjestyksessä voi olla murto-arvoja (1/2, 5/2 jne.).

Tämä johtuu siitä, että ensimmäinen heijastaa vain sitä, miten lajin pitoisuus vaikuttaa nopeuteen, mutta ei miten niiden molekyylit puuttuvat prosessiin.

sovellukset

- Sen avulla voidaan määrittää aika, jonka ajan lääkeaine pysyy organismissa ennen sen täydellistä metaboloitumista. Myös kineettisten tutkimusten ansiosta entsymaattista katalyysiä voidaan seurata vihreinä menetelminä muita katalyyttejä vastaan, joilla on kielteisiä ympäristövaikutuksia; tai myös käytettäväksi lukemattomissa teollisuusprosesseissa.

- Autoteollisuudessa, erityisesti moottoreissa, joissa sähkökemialliset reaktiot on suoritettava nopeasti ajoneuvon käynnistämiseksi. Myös pakoputkissa, joissa on katalysaattorit muuntamaan haitalliset kaasut CO, NO ja NO_x CO: ssa₂, H₂O, N₂ ja O₂ optimaalisen ajan.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(G)

-Se on reaktio takana, miksi turvatyynyt ovat täynnä, kun ajoneuvot törmäävät. Kun renkaat jarruttavat äkillisesti, ilmaisin detonoi sähköisesti natriumatsidia, NaN₃. Tämä reagenssi "räjähtää" vapauttavan N: n₂, joka täyttää koko pussin määrän nopeasti.

Sitten metallinen natrium reagoi muiden komponenttien kanssa sen neutraloimiseksi, koska se on puhtaassa tilassa myrkyllistä.

viittaukset

1. Walter J. Moore. (1963). Fysikaalinen kemia sisään Kemiallinen kinetiikka. Neljäs painos, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Fysikokemian periaatteet. Kuudes painos, sivu 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23. joulukuuta 2011). Molecular törmäyksiä-on. [Figua]. Haettu 30.4.2018 osoitteesta: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Fyysisen kemian oppikirja. sisään Kemiallinen kinetiikka. Toinen painos. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8. maaliskuuta 2017). Kemiallisen kinetiikan määrittely. Haettu 30. huhtikuuta 2018 osoitteesta thinkco.com
6. Khan Academy. (2018). Reaktionopeudet ja lakisääteiset lait. Haettu 30. huhtikuuta 2018 osoitteesta: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26. heinäkuuta 2010). Kemiallinen kinetiikka Haettu 30.4.2018 osoitteesta: quimicafisica.com