ХИМИЧНА КИНЕТИКА: ФАКТОРИ, РЕД НА РЕАКЦИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

На химични кинетиката е изследване на степента на реакцията. Да се ​​изведат експериментални или теоретични данни за молекулния механизъм чрез закони, изразени с математически уравнения. Механизмите се състоят от поредица от стъпки, някои от които са бързи, а други - бавни.

Най-бавната от тях се нарича стъпка за определяне на скоростта. Следователно познаването на междинните видове и механизма на работа на тази стъпка е много важно в кинетичен план. Една визуализация на горното е да се приеме, че реагентите са затворени в бутилка и че, когато реагират, продуктите избягват отвън.

Накрая, продуктите излизат свободно от устата на бутилката без допълнителни кинетични пречки. От тази гледна точка има бутилки с много размери и дизайн. Всички те обаче имат един общ елемент: тесен врат, показател за решителната стъпка на реакцията.

Какво изучава химическата кинетика?

Експериментално този клон на химията изучава промените в концентрацията, участващи в химична реакция, въз основа на измерването на определено свойство.

Химическата кинетика е отрасълът на химията, който отговаря за изучаването на цялата информация, която може да се извлече от скоростта на реакцията. Името му ви кани да си представите джобен часовник, отбелязващ времето на един процес, независимо къде се случва: в реактор, в облак, в река, в човешкото тяло и т.н.

Всички химични реакции и следователно цялата трансформация имат термодинамичен, равновесен и кинетичен аспект. Термодинамиката показва дали реакцията е спонтанна или не; балансира степента му на количествено определяне; и кинетика условията, които благоприятстват скоростта му, както и данните за неговия механизъм.

Много от съществените аспекти на химическата кинетика могат да се наблюдават в ежедневието: в хладилника, който замразява храната, за да намали разпадането й чрез замразяване на водата, която е част от нея. Също така при зреенето на вината, чието отлежаване му придава приятните си вкусове.

Въпреки това, "времето на молекулите" е много различно в своите малки мащаби и варира изключително много според много фактори (брой и видове връзки, размери, състояния на материята и т.н.).

Тъй като времето е живот, а освен това е и пари, знанието кои променливи позволяват химическа реакция да протича възможно най-бързо е от изключително значение. Обаче понякога се желае точно обратното: реакцията протича много бавно, особено ако е екзотермична и има риск от експлозия.

Какви са тези променливи? Някои са физически, като например при какво налягане или температура трябва да има реактор или система; и други са химически, като вида на разтворителя, рН, солеността, молекулната структура и т.н.

Въпреки това, преди да намерим тези променливи, първо трябва да проучим кинетиката на настоящата реакция.

Как? Чрез изменението на концентрацията, което може да се проследи, ако определено свойство, пропорционално на първото, е количествено определено. В историята методите са станали по-сложни, позволявайки по-точни и прецизни измервания и с все по-кратки интервали.

Скорост на реакцията

За да се определи скоростта на химическа реакция, е необходимо да се знае как концентрацията варира във времето на всеки от участващите видове. Тази скорост зависи до голяма степен от много фактори, но най-важното е, че е измерима за онези реакции, които протичат "бавно".

Тук думата "бавно" е относителна и се определя за всичко, което може да се измери с наличните инструментални техники. Ако например реакцията е много по-бърза от измервателния капацитет на оборудването, тогава тя няма да бъде количествена и нейната кинетика не може да бъде проучена.

След това скоростта на реакцията се определя на прага на всеки процес, преди да достигне равновесие. Защо? Тъй като в равновесие скоростта на напредната реакция (образуване на продукт) и на обратната реакция (образуване на реагент) са равни.

Чрез контролиране на променливите, които действат на системата и съответно нейната кинетика или скоростта на реакцията, могат да бъдат избрани идеалните условия за генериране на определено количество продукт в най-желаното и безопасно време.

От друга страна, това знание разкрива молекулярния механизъм, който е ценен при увеличаване на добива на реакцията.

дефиниция

Скоростта е промяната на величината като функция на времето. За тези изследвания интересът се състои в определянето на изменението на концентрацията с течение на часовете и минутите; нано, пико или дори фемтосекунди (10 ^-15 s).

Той може да има много единици, но най-простият и лесен от всички е M · s ^-1, или това, което е равно на mol / L · s. Независимо от неговите единици, тя винаги трябва да има положителна стойност, тъй като е физическо количество (като размери или маса).

По конвенция обаче степента на изчезване на реактанта има отрицателен знак, а степента на изчезване на даден продукт има положителен знак.

Но ако реагентите и продуктите имат свои собствени скорости, тогава как да определите общата скорост на реакцията? Отговорът е в стехиометричните коефициенти.

Общо уравнение

Следното химично уравнение изразява реакцията на А и В да образуват С и D:

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

Моларните концентрации обикновено се изразяват в квадратни скоби, така че, например, концентрацията на вид А се записва като. По този начин, скоростта на реакция за всеки от участващите химични видове е:

Според математическото уравнение има четири пътя за достигане на скоростта на реакцията: измерява се изменението в концентрацията на който и да е от реактивите (А или В) или на продуктите (С или D).

След това с една от тези стойности и нейния правилен стехиометричен коефициент се разделят на последните и така се получава скоростта на реакцията rxn.

Тъй като скоростта на реакцията е положителна величина, отрицателният знак умножава стойностите на отрицателната скорост на реагентите; по тази причина коефициентите a и b се умножават по (-1).

Например, ако скоростта на изчезване на A е - (5M / s), а стехиометричният му коефициент a е 2, тогава скоростта rxn е равна на 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Пример за десерт

Ако продуктът беше десерт, съставките по аналогия биха били реагентите; и химичното уравнение, рецептата:

7 бисквитки + 3 брауни + 1 сладолед => 1 десерт

И скоростите за всяка от сладките съставки, и самия десерт са:

По този начин, скоростта, с която е направен десертът, може да бъде определена с вариацията на бисквитките, брауни, сладолед или самия комплект; след това се разделя на нейните стехиометрични коефициенти (7, 3, 1 и 1). Един от маршрутите обаче може да е по-лесен от другия.

Например, ако измервате как се увеличава през различни интервали от време, тези измервания могат да бъдат сложни.

От друга страна, може да е по-навременно и практично да се измери, поради техния брой или някои от техните свойства, които правят концентрацията им по-лесна за определяне от тази на брауни или сладолед.

Как да го определим

Като се има предвид простата реакция A => B, ако A, например, във воден разтвор, проявява зелено оцветяване, тогава това зависи от неговата концентрация. По този начин, когато A стане B, зеленият цвят изчезва и ако това изчезване се определи количествено, тогава може да се получи крива vs t.

От друга страна, ако В е кисел вид, pH на разтвора ще спадне до стойности под 7. По този начин, от понижаването на рН, графиката спрямо t се получава последователно. След това наслагвайки и двете графи, можем да видим нещо като следното:

Графиката показва как тя намалява с течение на времето, защото се консумира и как кривата се увеличава с положителен наклон, защото това е продуктът.

Също така може да се види, че тя е склонна към нула (ако няма равновесие) и че достига максимална стойност, управлявана от стехиометрията и ако реакцията е пълна (всички А се консумират).

Скоростта на реакцията на А и В е допирателната линия на всяка от тези криви; с други думи, производната.

Фактори, влияещи на процента на реакция

Характер на химичните видове

Ако всички химични реакции бяха мигновени, техните кинетични изследвания нямаше да съществуват. Много от тях имат скорост толкова висока, че не могат да бъдат измерени; тоест те не са измерими.

По този начин, реакциите между йоните обикновено са много бързи и пълни (с добив около 100%). От друга страна, тези, които включват органични съединения, изискват известно време. Реакция от първия тип е:

H ₂ SO ₄ + 2NaOH => Na ₂ SO ₄ + 2Н ₂ О

Силните електростатични взаимодействия между йоните благоприятстват бързото образуване на вода и натриев сулфат. Вместо това реакция от втори тип е например естерификацията на оцетната киселина:

CH ₃ COOH + CH ₃ CH ₂ OH => СН ₃ СООСНз ₂ СН ₃ + H ₂ O

Въпреки че се образува и вода, реакцията не е мигновена; дори при благоприятни условия са необходими няколко часа.

Други променливи обаче имат по-голямо влияние върху скоростта на реакцията: концентрация на реагентите, температура, налягане и присъствие на катализатори.

Концентрация на реагентите

В химическата кинетика изследваното пространство, отделено от безкрайността, се нарича система. Например реактор, чаша, колба, облак, звезда и т.н., могат да се считат за изследваната система.

По този начин, в рамките на системата молекулите не са статични, а по-скоро "пътуват" до всички нейни ъгли. В някои от тези измествания той се сблъсква с друга молекула, за да отскочи назад или да произведе продукти.

Тогава броят на сблъсъците е пропорционален на концентрацията на реагентите. Изображението по-горе илюстрира как системата се променя от ниски до високи концентрации.

Освен това, колкото повече са сблъсъците, толкова по-висока е скоростта на реакцията, тъй като шансовете за реакция на две молекули се увеличават.

Ако реактивите са газообразни, тогава променливата на налягането се обработва и е свързана с концентрацията на газ, приемайки някое от многото съществуващи уравнения (като идеалния газ); Или обемът на системата се намалява, за да се увеличи вероятността газовите молекули да се сблъскат.

температура

Въпреки че броят на сблъсъците се увеличава, не всички молекули имат необходимата енергия, за да надвишат енергията на активиране на процеса.

Тук температурата играе важна роля: тя изпълнява функцията на термично ускоряване на молекулите, така че те да се сблъскат с повече енергия.

По този начин скоростта на реакцията обикновено се удвоява за всяко повишаване на 10 ° С в системната температура. При всички реакции обаче това не винаги е така. Как да прогнозираме това увеличение? Уравнението на Аррений отговаря на въпроса:

d (lnK) / dT = E / (RT ²)

K е константата на скоростта при температура T, R е константата на газ и E е енергията на активиране. Тази енергия е показателна за енергийната бариера, която реактивите трябва да мащабират, за да реагират.

За да се извърши кинетично изследване, е необходимо температурата да се поддържа постоянна и без катализатори. Какво представляват катализаторите? Те са външни видове, които участват в реакцията, но не се консумират и намаляват енергията на активиране.

Изображението по-горе илюстрира концепцията за катализа за реакцията на глюкозата с кислород. Червената линия представлява енергията на активация без ензима (биологичен катализатор), докато при нея синята линия намалява енергията на активиране.

Реакционен ред в химическата кинетика

В химично уравнение стехиометричните индекси, свързани с механизма на реакцията, не са равни на индексите от реда на същото. Химичните реакции обикновено имат първи или втори ред, рядко трети или по-висок.

За какво е това? Тъй като сблъсъците на три енергийно възбудени молекули са малко вероятни, а още повече са четворни или четворни сблъсъци, където вероятността е безкрайно малка. Възможни са и нареждания за частична реакция. Например:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

Реакцията е първи ред в едната посока (отляво надясно) и втори ред в другата (отдясно наляво), ако се счита за равновесие. Докато следното равновесие е втори ред и в двете посоки:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Молекулярността и реакцията поръчват едно и също? Не. Молекулярността е броят на молекулите, които реагират да произвеждат продукти, а общият ред на реакция е същия ред на реагентите, участващи в етапа на определяне на скоростта.

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

Тази реакция, въпреки че има високи стехиометрични индекси (молекулярност), всъщност е реакция от втори ред. С други думи, стъпката за определяне на скоростта е втори ред.

Реакции от нулев ред

Те възникват в случай на хетерогенни реакции. Например: между течност и твърдо вещество. По този начин скоростта не зависи от концентрациите на реагентите.

По същия начин, ако реагентът има нулев ред на реакция, това означава, че той не участва в стъпката за определяне на скоростта, а в бързите.

Реакция от първи ред

A => B

Реакцията от първи ред се урежда от следния закон за тарифите:

V = k

Ако концентрацията на A се удвои, скоростта на реакцията V се удвоява. Следователно, скоростта е пропорционална на концентрацията на реагента в определящия етап на реакцията.

Реакция от втори ред

2A => B

A + B => C

Два вида участват в този тип реакция, точно както в двете написани химически уравнения. Законите за скоростта на реакциите са:

V = k ²

V = k

При първия скоростта на реакцията е пропорционална на квадрата на концентрацията на А, докато във втория се получава същото като при реакции от първи ред: скоростта е пряко пропорционална на концентрациите както на А, така и на В.

Реакционен ред срещу молекулярност

Съгласно предишния пример, стехиометричните коефициенти могат или не могат да съвпадат с реда на реакцията.

Това обаче се случва за елементарни реакции, които определят молекулния механизъм на всеки етап от реакцията. В тези реакции коефициентите са равни на броя участващи молекули.

Например, молекула на А реагира с един от В, за да образува молекула на С. Тук молекулярността е 1 за реагентите и следователно в израза на скоростта закон съвпадат с реда на реакцията.

От това следва, че молекулярността винаги трябва да е цяло число и вероятно по-малко от четири.

Защо? Тъй като при преминаването на механизъм е много малко вероятно четири молекули да участват едновременно; два от тях биха могли да реагират първо, а след това останалите двама да реагират с този продукт.

Математически това е една от основните разлики между реакционните порядки и молекулярността: редът на реакция може да приеме дробни стойности (1/2, 5/2 и т.н.).

Това е така, защото първият отразява само как концентрацията на вида влияе върху скоростта, но не и как техните молекули се намесват в процеса.

Приложения

- Тя позволява да се определи времето, което дадено лекарство остава в организма, преди пълното му метаболизиране. По същия начин, благодарение на кинетичните изследвания, ензимната катализа може да бъде последвана като зелени методи в сравнение с други катализатори с отрицателно въздействие върху околната среда; или също да се използва в безброй промишлени процеси.

- В автомобилната индустрия, по-специално в двигателите, където електрохимичните реакции трябва да се провеждат бързо, за да се стартира превозното средство. Също така в своите изпускателни тръби, които имат каталитични преобразуватели за трансформиране на вредните газове CO, NO и NO _x в CO ₂, H ₂ O, N ₂ и O ₂ през оптималното време.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

-Реакцията е защо въздушните възглавници се надуват, „въздушните възглавници“, когато превозните средства се сблъскват. Когато гуми спирачка трудно, детектор електрически детонира на натриев азид, NaN ₃. Този реагент "експлодира", освобождавайки N ₂, който бързо заема целия обем на торбата.

След това металичният натрий реагира с други компоненти, за да го неутрализира, тъй като в чисто състояние той е отровен.

Препратки

1. Уолтър Дж. Мур. (1963). Физическа химия. В химическата кинетика. Четвърто издание, Longmans.
2. Ира Н. Левайн. (2009 г.). Принципи на физикохимията. Шесто издание, стр. 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23 декември 2011 г.). Молекулно сблъсъци-е., Произведено на 30 април 2018 г. от: es.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Учебник по физическа химия. В химическата кинетика. Второ издание. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Ан Мари Хелменстин, доктор на науките (8 март 2017 г.). Определение за химическа кинетика. Произведено на 30 април 2018 г. от: thinkco.com
6. Академия Хан. (2018). Реакционни проценти и закони за скоростта. Произведено на 30 април 2018 г. от: khanacademy.org
7. Херман Фернандес. (26 юли 2010 г.). Химическа кинетика. Произведено на 30 април 2018 г. от: quimicafisica.com