ХІМІЧНА КІНЕТИКА: ФАКТОРИ, ПОРЯДОК РЕАКЦІЇ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - ХІМІЯ - 2025

У хімічної кінетики є вивчення швидкостей реакцій. Виводимо експериментальні або теоретичні дані про молекулярний механізм за допомогою законів, виражених математичними рівняннями. Механізми складаються з серії кроків, деякі з яких швидкі, а інші - повільні.

Найповільніший з них називається кроком визначення швидкості. Тому знання проміжних видів та механізму роботи цього кроку є дуже важливим у кінетичному плані. Одне візуалізація вищезазначеного полягає в тому, щоб припустити, що реагенти укладені в пляшку і що при реагуванні продукти виходять назовні.

Нарешті, продукти вільно виходять із гирла пляшки без подальших кінетичних перешкод. З цього погляду існують пляшки різного розміру та дизайну. Однак усі вони мають один спільний елемент: вузьку шию, показник вирішального кроку реакції.

Що вивчає хімічна кінетика?

Експериментально ця галузь хімії вивчає зміни концентрації, що беруть участь у хімічній реакції, на основі вимірювання конкретної властивості.

Хімічна кінетика - галузь хімії, відповідальна за вивчення всієї інформації, яка може бути отримана зі швидкості реакції. Його назва пропонує вам уявити кишеньковий годинник, який позначає час процесу, незалежно від того, де він відбувається: в реакторі, в хмарі, в річці, в тілі людини тощо.

Усі хімічні реакції, а отже, і трансформація, мають термодинамічний, рівноважний та кінетичний аспекти. Термодинаміка вказує на те, реакція спонтанна чи ні; збалансувати його ступінь кількісного визначення; і кінетика умов, що сприяють його швидкості, а також дані про його механізм.

Багато важливих аспектів хімічної кінетики можна спостерігати в повсякденному житті: в холодильнику, який заморожує їжу, щоб зменшити її розкладання, замерзаючи воду, що входить до її складу. Також при дозріванні вин, старіння яких надає йому своїх приємних ароматів.

Однак "час молекул" сильно відрізняється за своїми крихітними масштабами і сильно змінюється залежно від багатьох факторів (кількості та видів зв’язків, розмірів, стану речовини тощо).

Тому що час - це життя, і це також гроші, значущість яких змінних дають можливість хімічній реакції протікати якнайшвидше, має надзвичайно важливе значення. Однак іноді бажано навпаки: реакція відбувається дуже повільно, особливо якщо вона екзотермічна і є ризики вибуху.

Що це за змінні? Деякі - фізичні, наприклад, при якому тиску чи температурі повинен бути реактор або система; та інші є хімічними, такими як тип розчинника, pH, солоність, молекулярна структура тощо.

Однак перш ніж знайти ці змінні, ми повинні спочатку вивчити кінетику цієї реакції.

Як? Через зміну концентрації, яку можна прослідкувати, якщо певну властивість, пропорційну першій, кількісно оцінити. Протягом історії методи ставали все більш досконалими, що дозволяють робити більш точні та точні вимірювання та зі все меншими інтервалами.

Швидкість реакції

Щоб визначити швидкість хімічної реакції, необхідно знати, як змінюється концентрація в часі будь-якого з видів, що беруть участь. Ця швидкість значною мірою залежить від багатьох факторів, але найважливіше те, що вона вимірюється тими реакціями, які відбуваються «повільно».

Тут слово "повільно" відносне і визначається для всього, що можна виміряти за допомогою наявних інструментальних прийомів. Якщо, наприклад, реакція відбувається набагато швидше, ніж вимірювальна здатність обладнання, вона не буде кількісною і її кінетику неможливо вивчити.

Потім визначається швидкість реакції на порозі будь-якого процесу до досягнення рівноваги. Чому? Тому що в рівновазі швидкість прямої реакції (утворення продукту) і зворотної реакції (утворення реагенту) рівні.

Керуючи змінними, що діють на систему, а отже, її кінетикою або швидкістю реакції, можна вибрати ідеальні умови для отримання певної кількості продукту в найбільш бажаний і безпечний час.

З іншого боку, ці знання розкривають молекулярний механізм, який є цінним при збільшенні виходу реакції.

Визначення

Швидкість - це зміна величини як функції часу. Для цих досліджень інтерес полягає у визначенні зміни концентрації в міру проходження годин і хвилин; нано, піко або навіть фемтосекунди (10 ^-15 с).

Він може мати багато одиниць, але найпростіший і найпростіший з усіх - M · s ^-1 , або те, що дорівнює моль / L · s. Незалежно від його одиниць, вона завжди повинна мати позитивне значення, оскільки це фізична величина (наприклад, розміри або маса).

Однак, за умовами, показники зникнення для реагенту мають негативний знак, а показник появи продукту - позитивний.

Але якщо реактиви та продукти мають свою швидкість, то як визначити загальну швидкість реакції? Відповідь - у стехіометричних коефіцієнтах.

Загальне рівняння

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

a A + b B => c C + d D

Молярні концентрації зазвичай виражаються у квадратних дужках, тому, наприклад, концентрація видів A записується як. Таким чином, швидкість реакції для кожного з хімічних видів бере участь:

Відповідно до математичного рівняння, для досягнення швидкості реакції існує чотири шляхи: вимірюється зміна концентрації будь-якого з реагентів (A або B) або продуктів (C або D).

Потім, з одним з цих значень і його правильним стехіометричним коефіцієнтом, ділимо на останнє і таким чином отримуємо швидкість реакції rxn.

Оскільки швидкість реакції є додатною величиною, від'ємний знак множує значення негативних швидкостей реагентів; з цієї причини коефіцієнти a і b множать на (-1).

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

Приклад десерту

Якби продукт був десертом, інгредієнтами за аналогією були б реагенти; і хімічне рівняння, рецепт:

7 печива + 3 брауні + 1 морозиво => 1 десерт

І швидкість для кожного солодкого інгредієнта, і сам десерт такі:

Таким чином, швидкість, з якою готують десерт, можна визначити залежно від зміни печива, брауні, морозива або самого набору; потім ділимо його на стехіометричні коефіцієнти (7, 3, 1 і 1). Однак один із маршрутів може бути простішим за інший.

Наприклад, якщо виміряти, як вона збільшується через різні проміжки часу, ці вимірювання можуть бути складними.

З іншого боку, це може бути більш своєчасним і практичним для вимірювання через їх кількість або деякі їх властивості, які полегшують їх концентрацію, ніж концентрацію тістечок або морозива.

Як це визначити

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

З іншого боку, якщо B є кислим видом, рН розчину знизиться до значень нижче 7. Отже, від зниження рН граф проти t отримують послідовно. Тоді накладаючи обидва графіки, ми можемо побачити щось на зразок наступного:

На графіку показано, як воно зменшується з часом, оскільки воно споживається, і як крива збільшується з позитивним нахилом, тому що це продукт.

Слід також враховувати, що він прагне до нуля (якщо немає рівноваги) і що він досягає максимального значення, що регулюється стехіометрією, і якщо реакція завершена (усі А споживаються).

Швидкість реакції і А, і В 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 б. У багатьох швидкість настільки висока, що їх неможливо виміряти; тобто вони не піддаються вимірюванню.

Таким чином, реакції між іонами зазвичай дуже швидкі і завершені (з виходом близько 100%). З іншого боку, тим, хто включає органічні сполуки, потрібен певний час. Реакція першого типу:

H ₂ SO ₄ + 2NaOH => Na ₂ SO ₄ + 2H ₂ O

Сильні електростатичні взаємодії між іонами сприяють швидкому утворенню води та сульфату натрію. Натомість реакцією другого типу є, наприклад, етерифікація оцтової кислоти:

CH ₃ COOH + CH ₃ CH ₂ OH => CH ₃ COOCH ₂ CH ₃ + H ₂ O

Хоча вода також утворюється, реакція не миттєва; навіть за сприятливих умов потрібно кілька годин.

Однак інші змінні мають більший вплив на швидкість реакції: концентрація реагентів, температура, тиск та присутність каталізаторів.

Концентрація реагенту

У хімічній кінетиці досліджуваний простір, відокремлений від нескінченності, називають системою. Наприклад, реактор, стакан, колба, хмара, зірка тощо можуть розглядатися як досліджувана система.

Таким чином, всередині системи молекули не є статичними, а навпаки, «їздять» по всіх її куточках. У деяких з цих переміщень він стикається з іншою молекулою, щоб відскочити назад або отримати продукти.

Тоді кількість зіткнень пропорційно концентрації реагентів. Зображення вище ілюструє, як система змінюється від низької до високої концентрації.

Крім того, чим більше відбувається зіткнень, тим вище швидкість реакції, оскільки шанси двох молекул реагувати збільшуються.

Якщо реагенти є газоподібними, то величина тиску обробляється і пов'язана з концентрацією газу, приймаючи будь-яке з багатьох існуючих рівнянь (наприклад, ідеального газу); Або об'єм системи зменшується, щоб збільшити шанси на стикання газоподібних молекул.

Температура

Хоча кількість зіткнень збільшується, не всі молекули мають енергію, необхідну для перевищення енергії активації процесу.

Тут важлива роль відіграє температура: вона виконує функцію термічного прискорення молекул, щоб вони стикалися з більшою кількістю енергії.

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

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

K - константа швидкості при температурі T, R - константа газу і E - енергія активації. Ця енергія вказує на енергетичний бар'єр, який реагуючі речовини повинні масштабуватися для реакції.

Для проведення кінетичного дослідження необхідно підтримувати температуру постійною і без каталізаторів. Що таке каталізатори? Вони є зовнішніми видами, які беруть участь у реакції, але не споживаються, і це зменшує енергію активації.

Наведене вище зображення ілюструє концепцію каталізу реакції глюкози з киснем. Червона лінія являє енергію активації без ферменту (біологічного каталізатора), тоді як при ній синя лінія показує зменшення енергії активації.

Порядок реакцій у хімічній кінетиці

У хімічному рівнянні стехіометричні показники, пов'язані з механізмом реакції, не дорівнюють показникам порядку однакового. Хімічні реакції зазвичай мають перший або другий порядок, рідше третього порядку або вище.

Для чого це? Тому що зіткнення трьох енергетично збуджених молекул малоймовірні, а чотири- та чотирикратні зіткнення ще більше, де ймовірність нескінченна. Також можливі порядки дробових реакцій. Наприклад:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

Реакція - це перший порядок в одному сенсі (зліва направо) і другий порядок в іншому (справа наліво), якщо він вважається рівновагою. Тоді як наступна рівновага є другим порядком в обох напрямках:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Молекулярність та реакція однакові? Ні. Молекулярність - це кількість молекул, які реагують на отримання продуктів, і загальний порядок реакцій є таким же порядком, як реагенти, що беруть участь у етапі визначення швидкості.

2KMnO ₄ + 10KI + 8H ₂ SO ₄ => 2MnSO ₄ + 5I ₂ + 6K ₂ SO ₄ + 8H ₂ O

Ця реакція, незважаючи на високі стехіометричні показники (молекулярність), насправді є реакцією другого порядку. Іншими словами, крок визначення швидкості - це другий порядок.

Реакції нульового порядку

Вони виникають у разі неоднорідних реакцій. Наприклад: між рідиною і твердою речовиною. Таким чином, швидкість не залежить від концентрації реагентів.

Так само, якщо реагент має нульовий порядок реакції, це означає, що він бере участь не в кроці визначення швидкості, а в швидкій.

Реакція першого порядку

A => B

Реакція першого порядку регулюється таким законом ставок:

V = k

Якщо концентрація A подвоюється, швидкість реакції V подвоюється. Тому швидкість пропорційна концентрації реагенту на визначальній стадії реакції.

Реакція другого порядку

2A => B

A + B => C

У цьому виді реакції беруть участь два види, так само, як у двох написаних хімічних рівняннях. Закони швидкості реакцій:

V = k ²

V = k

У першому швидкість реакції пропорційна квадрату концентрації А, тоді як у другому відбувається те саме, що і в реакціях першого порядку: швидкість прямо пропорційна концентраціям як А, так і В.

Порядок реакцій проти молекулярності

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

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

Наприклад, молекула A вступає в реакцію з одним з B, утворюючи молекулу C. Тут молекулярність 1 для реагентів, тому в вираженні закону швидкості вони збігаються з порядками реакцій.

З цього випливає, що молекулярність завжди має бути цілим числом, імовірнісно, ​​меншим за чотири.

Чому? Тому що в проходженні механізму дуже малоймовірно, що одночасно беруть участь чотири молекули; двоє з них могли реагувати спочатку, а потім двоє інших реагували б із цим продуктом.

Математично це одна з головних відмінностей між порядками реакцій та молекулярністю: порядок реакції може приймати значення дробу (1/2, 5/2 тощо).

Це тому, що перші відображають лише те, як концентрація виду впливає на швидкість, але не як їх молекули втручаються в процес.

Програми

- Це дозволяє визначити час перебування препарату в організмі до його повної метаболізації. Так само завдяки кінетичним дослідженням ферментативний каталіз може бути застосований як зелений метод порівняно з іншими каталізаторами з негативним впливом на навколишнє середовище; або також використовуватись у незліченних промислових процесах.

- У автомобільній промисловості, зокрема в двигунах, де електрохімічні реакції повинні бути проведені швидко для запуску транспортного засобу. Також у його вихлопних трубах, у яких є каталітичні перетворювачі для перетворення шкідливих газів CO, NO та NO _x у CO ₂ , H ₂ O, N ₂ та O ₂ протягом оптимального часу.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

- Це реакція, чому надуваються подушки безпеки, "подушки безпеки", коли транспортні засоби стикаються. Коли шини сильно гальмують, детектор електрично детонує азид натрію, NaN ₃ . Цей реагент "вибухає", вивільняючи N ₂ , який швидко займає весь об'єм мішка.

Потім металевий натрій реагує з іншими компонентами, щоб нейтралізувати його, оскільки в чистому стані він отруйний.

Список літератури

1. Вальтер Дж. Мур. (1963). Фізична хімія. У хімічній кінетиці. Четверте видання, Лонгманс.
2. Іра Н. Левін. (2009). Принципи фізикохімії. Шосте видання, стор. 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23 грудня 2011 р.). Молекулярно-зіткнення-є. . Отримано 30 квітня 2018 року з: es.m.wikipedia.org
4. Глазстоун. (1970). Підручник з фізичної хімії. У хімічній кінетиці. Друге видання. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Енн Марі Гельменстін, к.т.н. (8 березня 2017 р.). Визначення хімічної кінетики. Отримано 30 квітня 2018 року з: thinkco.com
6. Академія хана. (2018). Норми реакцій та закони щодо швидкості. Отримано 30 квітня 2018 року з: khanacademy.org
7. Герман Фернандес. (26 липня 2010 р.). Хімічна кінетика. Отримано 30 квітня 2018 року з: quimicafisica.com