Фактори хемијске кинетике, редослед реакција, апликације



Тхе хемијска кинетика То је проучавање брзина реакције. Изводи експерименталне или теоријске податке о молекуларном механизму, кроз законе изражене математичким једнаџбама. Механизми се састоје од низа корака, од којих су неки брзи, а други спори.

Најспорије се назива корак одређивања брзине. Дакле, познавање посредних врста и оперантног механизма овог корака је веома важно у смислу кинетике. Визуализација горе наведеног је претпоставка да су реагенси затворени у боцу и да, када реагују, производи бјеже ван.

На крају, производи се слободно појављују кроз уста боце без додатних кинетичких препрека. Из ове перспективе, постоје боце различитих величина и дизајна. Међутим, сви они имају један заједнички елемент: уски врат, индикатор детерминантног корака реакције.

Индек

  • 1 Шта проучава хемијска кинетика?
  • 2 Брзина реакције
    • 2.1 Дефиниција
    • 2.2 Општа једнаџба
    • 2.3 Пример десерта
    • 2.4 Како то одредити
  • 3 Фактори који утичу на брзину реакције
    • 3.1 Природа хемијских врста
    • 3.2 Концентрација реагенса
    • 3.3 Температура
  • 4 Редослед реакција у хемијској кинетици
    • 4.1 Реакције нултог реда
    • 4.2 Реакција првог реда
    • 4.3 Реакција другог реда
    • 4.4 Редослед реакције наспрам молекуларности
  • 5 Апплицатионс
  • 6 Референце

Шта проучава хемијску кинетику?

Експериментално, ова грана хемије проучава варијације концентрације укључене у хемијску реакцију, од мерења специфичног својства.

Хемијска кинетика је грана хемије одговорна за проучавање свих информација које се могу извести из брзине реакције. Његово име вас позива да замислите џепни сат који означава време процеса, без обзира где се то дешава: у реактору, у облаку, у реци, у људском телу, итд..

Све хемијске реакције, а тиме и све трансформације, имају термодинамичке, равнотежне и кинетичке аспекте. Термодинамика показује да ли је реакција спонтана или не; баланс његов степен квантификације; и кинетички услови који погодују његовој брзини, као и подаци о њеном механизму.

Многи од битних аспеката хемијске кинетике могу се посматрати у свакодневном животу: у фрижидеру, који замрзава храну како би смањио њену разградњу замрзавањем воде која је дио њих. Такође, у сазријевању вина, чије старење им даје пријатан укус.

Међутим, "време молекула" је веома различито у својим малим скалама, и веома варира у складу са многим факторима (број и врсте веза, величина, стања материје, итд.).

Пошто је време живот, а такође и новац, веома је важно знати које варијабле дозвољавају да хемијска реакција настави што је брже могуће. Међутим, понекад је пожељно супротно: да се реакција одвија веома споро, посебно ако је егзотермна и постоје ризици од експлозије.

Које су ове варијабле? Неке су физичке, као што су притисак или температура коју реактор или систем морају имати; и други су хемијски, као што су тип растварача, пХ, сланост, молекуларна структура итд..

Међутим, пре него што дођемо до ових варијабли, прво морамо проучити кинетику садашње реакције.

Како? Кроз варијацију концентрације, која се може пратити ако се одређена особина квантификује која је пропорционална првој. Кроз историју су методе постале софистицираније, омогућујући прецизније и прецизније мерење, и са све мањим интервалима.

Брзина реакције

Да би се одредила брзина хемијске реакције, потребно је знати како се концентрација мијења током времена било које од укључених врста. Ова брзина у великој мери зависи од многих фактора, али најважније је да је она мерљива за оне реакције које се одвијају "полако"..

Овде је реч "полако" релативна и дефинисана је за све што се може мерити расположивим инструменталним техникама. Ако је, на примјер, реакција много бржа од мјерног капацитета опреме, онда она неће бити квантитативна нити ће се проучавати њена кинетика..

Затим се брзина реакције одређује на прагу сваког процеса пре него што достигне равнотежу. Зашто? Зато што су у равнотежи брзине директне реакције (формирање производа) и реверзне реакције (формирање реактаната) једнаке.

Контролисање варијабли које делују на систем, а самим тим и његове кинетике или брзине реакције, идеални услови могу бити изабрани да генеришу одређену количину производа у најпожељнијем и најсигурнијем времену..

С друге стране, ово знање открива молекуларни механизам, који је драгоцен када се повећава учинак реакције.

Дефиниција

Брзина је промена величине као функција времена. За ове студије, интерес лежи у одређивању варијације концентрације као сати, минута пролазе; нано, вршни или чак фемтосекунди (10-15с).

Може имати много јединица, али најједноставније и најлакше од свега је М · с-1, или што је једнако мол / Л · с. Без обзира на њене јединице, мора увијек имати позитивну вриједност, јер је то физичка величина (као што су димензије или маса).

Међутим, према договору, стопе нестанка за реагенс имају негативан предзнак, а стопе појављивања за производ, позитиван знак.

Али ако реактанти и производи имају сопствене брзине, како онда одредити брзину укупне реакције? Одговор лежи у стехиометријским коефицијентима.

Генерал екуатион

Следећа хемијска једначина изражава реакцију А и Б у облику Ц и Д:

аА + бБ => цЦ + дД

Моларне концентрације су обично изражене у заградама, тако да је, на пример, концентрација врсте А записана као [А]. Према томе, брзина реакције за сваку од укључених хемијских врста је:

Према математичкој једначини, постоје четири правца да се достигне брзина реакције: варирање концентрације било ког од реактаната (А или Б) или производа (Ц или Д) се мери.

Затим, са једном од ових вредности, и његовим исправним стехиометријским коефицијентом, она је подељена последњим и да би се добила брзина реакције ркн.

Пошто је брзина реакције позитивна количина, негативни предзнак множи негативне вриједности брзине реактаната; из тог разлога су коефицијенти а и б помножите са (-1).

На пример, ако је брзина нестајања А - (5М / с), и њен стехиометријски коефицијент а је 2, онда је брзина ркн једнака 2.5М / с ((-1/2) к 5).

Пример десерта

Ако би производ био десерт, састојци би по аналогији били реактанти; и хемијска једначина, рецепт:

7Цоокиес + 3Бровниес + 1Салад => 1Постре

И брзине за сваки од слатких састојака, и исти десерт су:

Дакле, брзина којом се прави десерт може се одредити варијацијом колачића, колача, сладоледа или читавог сета; раздвајајући је између својих стехиометријских коефицијената (7, 3, 1 и 1). Међутим, једна од рута може бити лакша од друге.

На пример, ако мерите како се [Десерт] повећава у различитим временским интервалима, ова мерења могу бити компликована.

С друге стране, може бити прикладније и практичније мјерити [колачиће], због њиховог броја или неких њихових својстава која олакшавају утврђивање њихове концентрације него код колачића или сладоледа.

Како то одредити

С обзиром на једноставну реакцију А => Б, ако А, на пример, у воденом раствору, показује зелену боју, онда то зависи од њене концентрације. Дакле, како А постаје Б, зелена боја нестаје, а ако се тај нестанак квантифицира, тада се може добити крива [А] вс т..

С друге стране, ако је Б кисела врста, пХ отопине ​​ће пасти на вриједности испод 7. Дакле, из смањења пХ добијамо [Б], а узастопце, граф [Б] вс т. Процењује се да се оба графика приказују на следећи начин:

У графикону можете видјети како се [А] смањује с временом, јер се конзумира, и како се кривуља [Б] повећава са позитивним нагибом јер је производ.

Такође показује да [А] има тенденцију нуле (ако не постоји равнотежа) и да [Б] достиже максималну вредност одређену стехиометријом и ако је реакција завршена (све А је потрошено).

Брзина реакције оба А и Б је тангента на било којој од ових кривуља; другим ријечима, дериват.

Фактори који утичу на брзину реакције

Природа хемијских врста

Ако би све хемијске реакције биле тренутне, њихове кинетичке студије не би постојале. Многи имају тако високе брзине да се не могу мјерити; то јест, они нису мерљиви.

Према томе, реакције између јона су обично веома брзе и потпуне (са приносом од око 100%). С друге стране, они који укључују органска једињења захтевају неко време. Реакција првог типа је:

Х2СО4 + 2НаОХ => На2СО4 + 2Х2О

Јаке електростатске интеракције између јона погодују брзом формирању воде и натријум сулфата. Насупрот томе, реакција другог типа је, на пример, естерификација сирћетне киселине:

ЦХ3ЦООХ + ЦХ3ЦХ2ОХ => ЦХ3ЦООЦХ2ЦХ3 + Х2О

Иако се и вода формира, реакција није тренутна; чак и под повољним условима, може проћи неколико сати.

Међутим, друге варијабле имају већи утицај на брзину реакције: концентрација реактаната, температура, притисак и присуство катализатора..

Концентрација реагенса

У хемијској кинетици простор који се истражује, одвојен од бесконачног, назива се системом. На пример, реактор, чаша, тиквица, облак, звезда, итд., Могу се сматрати системом који се проучава.

Дакле, унутар система молекули нису статични, већ "путују" у све углове. У неким од ових померања се сударају са другим молекулима да би одскочили или производили производе.

Затим је број судара пропорционалан концентрацији реактаната. Горња слика приказује како се систем мијења од ниске до високе концентрације.

Такође, све док има више судара, брзина реакције ће бити већа, јер се шансе за реаговање двају молекула повећавају.

Ако су реактанти гасовити, тада се управља променљивим притиском и односи се на концентрацију гаса уз претпоставку било које од постојећих једначина (као што је идеалан гас); или се такође смањује обим система како би се повећала вероватноћа судара плинских молекула.

Температуре

Иако се број судара повећава, сви молекули немају енергију потребну за превазилажење енергије активације процеса.

Овде температура игра важну улогу: она испуњава функцију термичког убрзавања молекула тако да се сударају са више енергије.

Према томе, обично се брзина реакције удвостручује за сваких 10 ° Ц пораста температуре система. Међутим, за све реакције није увијек тако. Како предвидети ово повећање? Арренијова једначина одговара на питање:

д (лнК) / дТ = Е / (РТ2)

К је константа брзине при температури Т, Р је константа гасова и Е је енергија активације. Ова енергија указује на енергетску баријеру коју реагенси морају да скале да реагују.

Да би се извршила кинетичка студија неопходно је одржати константну температуру и без катализатора. Који су катализатори? Они су спољашње врсте које интервенишу у реакцији, али се не конзумирају, а то смањује енергију активације.

Концепт катализе за реакцију глукозе са кисеоником је илустрован на слици изнад. Црвена линија представља енергију активације без ензима (биолошки катализатор), док са тим, плава линија показује смањење енергије активације.

Редослед реакција у хемијској кинетици

У хемијској једначини стехиометријски индекси, који се односе на механизам реакције, нису једнаки индексима реда истих. Хемијске реакције обично имају први или други поредак, ретко трећи или виши.

Зашто? Да су колизије три енергетски побуђене молекуле мало вероватно, а још више четвороструки или петероструки судари, где је вероватноћа бесконачно мала. Могући су и фракцијски налози. На пример:

НХ4Цл <=>НХ3 + ХЦл

Реакција је први поредак у једном смеру (с лева на десно) и други поредак у другом (десно на лево) ако се сматра балансом. Док је следећи биланс другог реда у оба смера:

2ХИ <=> Х2 + И2

Молекуларност и редослед реакција су исти? Молекуларност је број молекула који реагују да дају продукте, а редослед глобалне реакције је исти редослед реагенса који су укључени у корак који одређује брзину.

2КМнО4 + 10КИ + 8Х2СО4 => 2МнСО4 + 5И2 + 6К2СО4 + 8Х2О

Ова реакција, упркос високим стехиометријским индексима (молекуларност), заправо је реакција другог реда. Другим речима, одлучујући корак брзине је други поредак.

Реакције нулте наруџбе

Они се јављају у случају хетерогених реакција. На пример: између течности и чврстог материјала. Према томе, брзина је независна од концентрација реактаната.

Исто тако, ако реагенс има редослед реакције нула, то значи да не учествује у одређивању корака брзине, већ у брзим.

Реакција првог реда

А => Б

Реакција првог реда уређена је следећим законом о брзини:

В = к [А]

Ако се концентрација А удвостручи, брзина реакције В тако чини. Према томе, брзина је пропорционална концентрацији реагенса у кораку који одређује реакцију.

Реакција другог реда

2А => Б

А + Б => Ц

У овој врсти реакције, двије врсте интервенирају, као у двије управо написане кемијске једнаџбе. Закони брзине за реакције су:

В = к [А]2

В = к [А] [Б]

У првој је брзина реакције пропорционална квадрату концентрације А, док је у другој исто као иу реакцијама првог реда: брзина је директно пропорционална концентрацијама и А и Б..

Редослед реакција наспрам молекуларности

Према претходном примеру, стехиометријски коефицијенти могу или не морају да се поклапају са редовима реакције.

Међутим, ово се дешава за елементарне реакције, које одређују молекуларни механизам било којег корака реакције. У овим реакцијама коефицијенти су једнаки броју молекула учесника.

На пример, молекул А реагује са једним од Б да формира молекул Ц. Овде је молекуларност 1 за реактанте, а затим се у изразу закона брзине поклапају са наредбама реакције..

Из тога следи да молекуларност мора увек да буде читав број, а вероватно и мање од четири.

Зашто? Зато што је у пролазу механизма мало вероватно да четири молекула у исто време учествују; прво би могли реаговати два, а онда би друга два реаговала са овим производом.

Математички је ово једна од главних разлика између редоследа реакција и молекуларности: редослед реакције може да има фракционе вредности (1/2, 5/2, итд.).

То је зато што прво одражава како концентрација врсте утиче на брзину, али не и на то како њихови молекули интервенишу у процесу.

Апплицатионс

- Омогућава да се одреди време када лек остаје у организму пре његове потпуне метаболизације. Такође, захваљујући кинетичким студијама, ензимска катализа се може пратити као зелене методе против других катализатора са негативним утицајем на животну средину; или да се користи у безбројним индустријским процесима.

- У аутомобилској индустрији, посебно унутар мотора, гдје се електрокемијске реакције морају обавити брзо како би возило могло почети. Такођер у испушним цијевима, које имају катализаторе за трансформацију штетних плинова ЦО, НО и НОк у ЦО2, Х2О, Н2 и О2 у оптималном времену.

2НаН3(с) = 2На (с) + 3Н2(г)

-Реакција је зашто се ваздушни јастуци надувавају када се возила сударају. Када гуме нагло коче, детектор електрично детонира натријум азид, НаН3. Овај реагенс "експлодира" ослобађајући Н2, који брзо заузима читав волумен вреће.

Метални натриј онда реагује са другим компонентама да би га неутралисао, јер је у свом чистом стању отрован.

Референце

  1. Валтер Ј. Мооре. (1963). Пхисицал Цхемистри Ин Хемијска кинетика. Четврто издање, Лонгманс.
  2. Ира Н. Левине. (2009). Принципи физикохемије. Шесто издање, страна 479-540. Мц Грав Хилл.
  3. УАвики (23. децембар 2011). Молецулар-цоллисионс-ен [Фигуа] Преузето 30. априла 2018. године, са: ен.м.википедиа.орг
  4. Гласстоне. (1970). Уџбеник физичке хемије. Ин Хемијска кинетика. Друго издање. Д. Ван Ностранд, Цомпани, Инц..
  5. Анне Марие Хелменстине, Пх.Д. (8. март 2017). Дефиниција хемијске кинетике. Преузето 30. априла 2018. године, са: тхоугхтцо.цом
  6. Кхан Ацадеми. (2018). Закони о стопама и стопама реакција. Преузето 30. априла 2018. године, од: кханацадеми.орг
  7. Герман Фернандез. (26. јул 2010). Хемијска кинетика Преузето 30. априла 2018. године, са: куимицафисица.цом