Фактори хімічної кінетики, порядок реагування, застосування

The хімічна кінетика Це дослідження швидкості реакції. Він виводить експериментальні або теоретичні дані про молекулярний механізм, через закони, виражені математичними рівняннями. Механізми складаються з серії кроків, деякі з яких є швидкими, а інші - повільними.

Найбільш повільний з них називається кроком визначення швидкості. Тому знання проміжного виду і оперантного механізму цього етапу є дуже важливим з точки зору кінетики. Візуалізація вищезазначеного означає, що реагенти укладені в пляшку і що, реагуючи, продукти виходять назовні.

Нарешті, продукти виходять вільно через рот пляшки без подальших кінетичних перешкод. З цієї точки зору є пляшки різних розмірів і конструкцій. Проте всі вони мають один загальний елемент: вузьку шийку, індикатор визначального етапу реакції.

Індекс

• 1 Що вивчає хімічна кінетика?
• 2 Частота реакцій
  • 2.1 Визначення
  • 2.2 Загальне рівняння
  • 2.3 Приклад десерту
  • 2.4 Як визначити її
• 3 Фактори, що впливають на швидкість реакції
  • 3.1 Характер хімічних видів
  • 3.2 Концентрація реагентів
  • 3.3 Температура
• 4 Порядок реакції в хімічній кінетиці
  • 4.1 Реакції нульового порядку
  • 4.2 Реакція першого порядку
  • 4.3 Реакція другого порядку
  • 4.4 Порядок реакції проти молекулярності
• 5 Програми
• 6 Посилання

Що вивчає хімічна кінетика?

Експериментально ця галузь хімії вивчає зміни концентрацій, що беруть участь у хімічній реакції, від вимірювання певного властивості.

Хімічна кінетика - це галузь хімії, відповідальна за вивчення всієї інформації, яка може бути отримана з швидкості реакції. Його ім'я запрошує вас уявити собі кишенькові годинники, які відзначають час процесу, незалежно від того, де це відбувається: в реакторі, в хмарі, в річці, в тілі людини тощо..

Всі хімічні реакції, а отже і всі перетворення, мають термодинамічні, рівноважні і кінетичні аспекти. Термодинаміка вказує, чи є реакція спонтанною чи ні; баланс його ступеня кількісного визначення; кінетичні умови, що сприяють її швидкості, а також дані про її механізм.

Багато важливих аспектів хімічної кінетики можна спостерігати в повсякденному житті: в холодильнику, який заморожує їжу, щоб зменшити її розкладання, заморожуючи воду, що входить до їх складу. Також у дозріванні вин, чиє старіння дає їм свої приємні смаки.

Тим не менш, "час молекул" дуже відрізняється в своїх крихітних масштабах, і він коливається в значній мірі за багатьма факторами (кількість і типи зв'язків, розміри, стани речовини і т.д.).

Оскільки час - це життя, і це також гроші, дуже важливо знати, які змінні дозволяють хімічній реакції діяти якомога швидше. Однак, іноді бажано навпаки: що реакція відбувається дуже повільно, особливо якщо вона екзотермічна і існують ризики вибуху.

Які ці змінні? Деякі з них є фізичними, наприклад, при якому тиску або температурі має бути реактор або система; інші - хімічні, такі як тип розчинника, рН, солоність, молекулярна структура тощо..

Однак, перш ніж придумати ці змінні, спочатку необхідно вивчити кінетику цієї реакції.

Як? Через зміну концентрації, яку можна слідувати, якщо конкретне властивість кількісно визначено, що пропорційно першому. Протягом всієї історії методи стали більш досконалими, дозволяючи більш точні і точні вимірювання, і з дедалі меншими інтервалами.

Частота реакцій

Щоб визначити швидкість хімічної реакції, необхідно знати, як змінюється концентрація протягом часу будь-якого з задіяних видів. Ця швидкість значною мірою залежить від багатьох факторів, але найважливіше, що вона вимірна для тих реакцій, які відбуваються "повільно".

Тут слово «повільно» є відносним і визначається для всього, що можна виміряти за допомогою наявних інструментальних методів. Якщо, наприклад, реакція відбувається набагато швидше, ніж вимірювальна потужність обладнання, то вона не буде кількісною, і її кінетика не може бути вивчена..

Потім швидкість реакції визначається на порозі будь-якого процесу, перш ніж вона досягне рівноваги. Чому? Тому що в рівновазі швидкість прямої реакції (утворення продуктів) і швидкість зворотної реакції (утворення реагентів) рівні \ t.

Контролюючи змінні, які діють на систему, а отже, і її кінетику або швидкість реакції, ідеальні умови можуть бути обрані для генерації певної кількості продукту в найбільш бажаному і безпечному часі..

З іншого боку, це знання розкриває молекулярний механізм, який є цінним при збільшенні продуктивності реакції.

Визначення

Швидкість - це зміна величини як функція часу. Для цих досліджень інтерес полягає у визначенні варіації концентрації у вигляді годин, хвилин проходження; нано, пік або навіть фемтосекунди (10^-15s).

Вона може мати багато одиниць, але найпростішим і найпростішим з усіх є M · s^-1, або що дорівнює mol / L · s. Незалежно від його одиниць, він повинен завжди мати позитивне значення, оскільки це фізична величина (наприклад, розміри або маса).

Проте за домовленістю ставки зникнення для реагенту мають негативний знак, а показники появи продукту - позитивний знак.

Але якщо реагенти і продукти мають свої власні швидкості, то як тоді визначити швидкість загальної реакції? Відповідь полягає в стехіометричних коефіцієнтах.

Загальне рівняння

Наступне хімічне рівняння виражає реакцію A і B на форми C і D:

aA + bB => cC + dD

Молярні концентрації зазвичай виражаються в дужках, так що, наприклад, концентрація виду A записується як [A]. Таким чином, швидкість реакції для кожного з включених хімічних видів:

Відповідно до математичного рівняння, існують чотири шляхи досягнення швидкості реакції: зміна концентрації будь-якого з реагентів (А або В) або продуктів (С або D) вимірюється.

Тоді, з одним з цих значень, і його правильним стехіометричним коефіцієнтом, він ділиться на останній і для того, щоб отримати швидкість реакції rxn.

Оскільки швидкість реакції є позитивною величиною, негативний знак множить негативні значення швидкості реагентів; з цієї причини коефіцієнти a і b помножити на (-1).

Наприклад, якщо швидкість зникнення A дорівнює - (5M / s), а його стехіометричний коефіцієнт a 2, тоді швидкість rxn дорівнює 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Десертний приклад

Якщо б продукт був десертним, інгредієнти за аналогією були б реагентами; і хімічне рівняння, рецепт:

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

І швидкості для кожного з солодких інгредієнтів, і той же десерт:

Таким чином, швидкість, з якою робиться десерт, може бути визначена за допомогою варіації печива, тістечок, морозива або всього набору; розділяючи його поруч між її стехіометричними коефіцієнтами (7, 3, 1 і 1). Однак один з маршрутів може бути простішим, ніж інший.

Наприклад, якщо виміряти, як [Dessert] збільшується в різні інтервали часу, ці вимірювання можуть бути складними.

З іншого боку, може бути більш зручним і практичним вимірювати [cookies], через їх кількість або деякі з їхніх властивостей, які роблять їх концентрацію легше визначити, ніж ті, які використовуються в тістечках або морозиві..

Як це визначити

Враховуючи просту реакцію A => B, якщо A, наприклад, у водному розчині, проявляє зелену забарвлення, то це залежить від його концентрації. Таким чином, коли A стає B, зелений колір зникає, і якщо це зникнення кількісно, ​​то крива [A] vs t може бути отримана.

З іншого боку, якщо B є кислим видом, рН розчину знизиться до значень нижче 7. Таким чином, від зниження рН отримуємо [B], і послідовно графік [B] проти t. Оцінюється перекриття обох графіків:

На графіку можна побачити, як [A] зменшується з часом, тому що він споживається, і як крива [B] зростає з позитивним нахилом, тому що це продукт.

Це також показує, що [A] прагне до нуля (якщо не існує рівноваги) і що [B] досягає максимального значення, що регулюється стехіометрією, і якщо реакція завершена (все А споживається).

Швидкість реакції як A, так і B є дотичною лінією на будь-якій з цих кривих; іншими словами, похідна.

Фактори, що впливають на швидкість реакції

Природа хімічних видів

Якби всі хімічні реакції були миттєвими, їх кінетичні дослідження не існували. Багато з них мають такі високі швидкості, що їх не можна виміряти; тобто вони не піддаються вимірюванню.

Таким чином, реакції між іонами зазвичай дуже швидкі і повні (з виходом близько 100%). З іншого боку, ті, що містять органічні сполуки, потребують певного часу. Реакцією першого типу є:

H₂SO₄ + 2NaOH => Na₂SO₄ + 2H₂O

Сильні електростатичні взаємодії між іонами сприяють швидкому утворенню води і сульфату натрію. Навпаки, реакція другого типу є, наприклад, етерифікацією оцтової кислоти:

CH₃СООН + СН₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Хоча вода також утворюється, реакція не відбувається миттєво; навіть за сприятливих умов закінчується кілька годин.

Однак інші швидкості впливають на швидкість реакції: концентрація реагентів, температура, тиск і наявність каталізаторів.

Концентрація реагентів

У хімічній кінетиці досліджуваний простір, відокремлений від нескінченного, називається системою. Наприклад, реактор, склянку, колбу, хмару, зірку і т.д., можна розглядати як досліджувану систему.

Таким чином, всередині системи молекули не є статичними, а "подорожують" по всіх кутах. У деяких з цих переміщень стикається з іншою молекулою для відскоку або виникнення продуктів.

Потім кількість зіткнень пропорційно концентрації реагентів. Верхнє зображення показує, як змінюється система від низьких до високих концентрацій.

Крім того, до тих пір, поки відбувається більше зіткнень, швидкість реакції буде вище, оскільки шанси двох молекул реагувати збільшуються.

Якщо реагенти є газоподібними, то змінна тиск обробляється і пов'язана з концентрацією газу, приймаючи будь-яке з багатьох існуючих рівнянь (наприклад, ідеального газу); або ж зменшується обсяг системи для збільшення ймовірності зіткнення молекул газу.

Температура

Хоча кількість зіткнень зростає, не всі молекули мають енергію, необхідну для подолання енергії активації процесу.

Тут температура відіграє важливу роль: вона виконує функцію термічного прискорення молекул так, що вони стикаються з більшою енергією.

Таким чином, зазвичай швидкість реакції подвоюється на кожні 10 ° C підвищення температури системи. Однак для всіх реакцій це не завжди так. Як передбачити це збільшення? Рівняння Арреніуса відповідає на питання:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K - константа швидкості при температурі T, R - константа газів і E - енергія активації. Ця енергія свідчить про енергетичний бар'єр, який реагенти повинні масштабувати, щоб реагувати.

Для проведення кінетичного дослідження необхідно підтримувати постійну температуру і без каталізаторів. Які каталізатори? Вони є зовнішніми видами, які втручаються в реакцію, але не споживаються, а це зменшує енергію активації.

Концепція каталізу для реакції глюкози з киснем ілюструється на зображенні вище. Червона лінія представляє енергію активації без ферменту (біологічного каталізатора), тоді як при цьому синя лінія показує зменшення енергії активації.

Порядок реакції в хімічній кінетиці

У хімічному рівнянні стехіометричні індекси, пов'язані з механізмом реакції, не дорівнюють індексам порядку тих же. Хімічні реакції зазвичай мають перший або другий порядки, рідше третій або вище.

Чому це? Те, що зіткнення трьох енергетично збуджених молекул малоймовірні, а тим більше - чотирикратні або п'ятикратні зіткнення, де ймовірність нескінченно мала. Можливі також дробові реакції. Наприклад:

NH₄Cl <=>NH₃ + HCl

Реакція першого порядку в одному напрямку (зліва направо) і другого порядку в іншому (справа наліво), якщо вона вважається рівновагою. Хоча наступне сальдо другого порядку в обох напрямках:

2HI <=> H₂ + I₂

Молекулярність і порядок реакції однакові? Молекулярність - це кількість молекул, які реагують на породження продуктів, а порядок глобальної реакції - той самий порядок реагентів, що беруть участь у кроці, що визначає швидкість.

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂SO₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂SO₄ + 8H₂O

Ця реакція, незважаючи на високі стехіометричні показники (молекулярність), насправді є реакцією другого порядку. Іншими словами, визначальним кроком швидкості є другий порядок.

Реакції нульового порядку

Вони виникають у разі гетерогенних реакцій. Наприклад: між рідиною і твердим речовиною. Таким чином, швидкість не залежить від концентрацій реагентів.

Аналогічно, якщо реагент має порядок реакції нуля, це означає, що він не бере участі у визначальному кроці швидкості, а в швидких.

Реакція першого порядку

A => B

Реакція першого порядку регулюється наступним законом про швидкість:

V = k [A]

Якщо концентрація A подвоюється, швидкість реакції V також робить це. Отже, швидкість пропорційна концентрації реагенту на етапі, який визначає реакцію.

Реакція другого порядку

2A => B

A + B => C

У цьому типі реакції втручаються два види, як у двох записаних хімічних рівняннях. Законами швидкості реакцій є:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

У першій швидкості реакції пропорційна квадрату концентрації А, а в другому те ж саме відбувається, як і в реакціях першого порядку: швидкість прямо пропорційна концентраціям обох А і В \ t.

Порядок реакції vs молекулярність

Згідно з попереднім прикладом стехіометричні коефіцієнти можуть або можуть не збігатися з порядками реакції.

Однак це відбувається для елементарних реакцій, які визначають молекулярний механізм будь-якої стадії реакції. У цих реакціях коефіцієнти дорівнюють кількості молекул, що беруть участь.

Наприклад, молекула А реагує з однією з B з утворенням молекули C. Тут молекулярність 1 для реагентів, а потім у вираженні закону швидкості вони збігаються з порядками реакції.

Звідси випливає, що молекулярність завжди повинна бути цілим числом, і ймовірно, менше чотирьох.

Чому? Оскільки при проходженні механізму дуже малоймовірно, що чотири молекули беруть участь одночасно; Спочатку вони могли реагувати на двох з них, а потім два інших реагували б з цим продуктом.

Математично це одна з основних відмінностей між порядками реакції і молекулярністю: порядок реакції може приймати часткові значення (1/2, 5/2 і т.д.).

Це пояснюється тим, що перше відображає тільки те, як концентрація виду впливає на швидкість, а не на те, як їхні молекули втручаються в процес.

Програми

- Це дозволяє визначити час, коли препарат залишається в організмі до його повного метаболізму. Крім того, завдяки кінетичним дослідженням, ферментативний каталіз може слідувати за зеленими методами проти інших каталізаторів з негативним екологічним впливом; або також для використання в безлічі промислових процесів.

- У автомобільній промисловості, зокрема в межах двигунів, де електрохімічні реакції повинні здійснюватися швидко для запуску автомобіля. Також у вихлопних трубах, які мають каталітичні перетворювачі для перетворення шкідливих газів CO, NO і NO_x в CO₂, H₂O, N₂ і O₂ протягом оптимального часу.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(g)

-Це є реакція позаду чому airbags надуті, коли судна стикаються. Коли шини круто гальмують, детектор електрично підриває азид натрію NaN₃. Цей реагент "вибухає", випускаючи N₂, який швидко займає весь обсяг мішка.

Металевий натрій потім реагує з іншими компонентами, щоб нейтралізувати його, тому що в чистому стані він отруйний.

Список літератури

1. Вальтер Дж. Мур. (1963). Фізична хімія В Хімічна кінетика. Четверте видання, Longmans.
2. Іва Левіна. (2009). Принципи фізико-хімії. Шосте видання, стор 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki (23 грудня 2011 р.) Молекулярні зіткнення-en [Figua] Отримано 30 квітня 2018 р. З: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Підручник з фізичної хімії. В Хімічна кінетика. Друге видання. D. Van Nostrand, Company, Inc..
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8 березня 2017 р.) Визначення хімічної кінетики. Отримано 30 квітня 2018 року з: thoughtco.com
6. Ханська академія. (2018). Норми реагування та ставки. Отримано 30 квітня 2018 р. З: khanacademy.org
7. Герман Фернандес. (26 липня 2010 р.) Хімічна кінетика Отримано 30 квітня 2018 р. З: quimicafisica.com