Химична кинетика: фактори, ред на реакция, приложения

Химичната кинетика е изследване на скоростите на реакцията. Той извежда експериментални или теоретични данни за молекулярния механизъм чрез закони, изразени с математически уравнения. Механизмите се състоят от поредица от стъпки, някои от които са бързи, а други бавни.

Най-бавният от тях се нарича стъпка за определяне на скоростта. Следователно, познаването на междинния вид и оперантния механизъм на тази стъпка е много важно от гледна точка на кинетиката. Визуализацията на горното е да се приеме, че реактивите са затворени в бутилка и когато реагират, продуктите излизат навън.

Накрая, продуктите излизат свободно през устата на бутилката без допълнителни кинетични пречки. От тази гледна точка има бутилки с различни размери и дизайн. Въпреки това, всички те имат един общ елемент: тесен врат, индикатор за решаващата стъпка на реакцията.

Какво изследва химичната кинетика?

Експериментално, този клон на химията изследва промените в концентрацията, участващи в химическа реакция, от измерването на специфично свойство.

Химичната кинетика е клон на химията, отговорен за изучаване на цялата информация, която може да се извлече от скоростта на реакцията. Неговото име ви кани да си представите джобен часовник, отбелязващ времето на процеса, независимо къде се случва: в реактор, в облак, в река, в човешкото тяло и т.н.

Всички химични реакции, и следователно всички трансформации, имат термодинамични, равновесни и кинетични аспекти. Термодинамиката показва дали реакцията е спонтанна или не; степента на количествено определяне на баланса; и кинетичните условия, които благоприятстват нейната скорост, както и данните за неговия механизъм.

Много от основните аспекти на химическата кинетика могат да бъдат наблюдавани в ежедневния живот: в хладилника, който замръзва храната, за да се намали нейното разлагане чрез замразяване на водата, която е част от тях. Също така, в зреенето на вина, чието стареене им дава приятни вкусове.

Въпреки това, "времето на молекулите" е много различно в малките си 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 също така и пари, много е важно да се знае кои променливи позволяват химическа реакция да протече възможно най-бързо. Понякога обаче е желателно обратното, че реакцията протича много бавно, особено ако е екзотермична и има риск от експлозия.

Какви са тези променливи? Някои от тях са физически, например при какъв натиск или температура трябва да има реактор или система; други са химични, като вида на разтворителя, рН, солеността, молекулярната структура и т.н.

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

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

Скорост на реакция

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

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

След това скоростта на реакцията се определя на прага на всеки процес, преди да достигне равновесие. Защо? Защото в равновесие скоростта на директната реакция (образуване на продукти) и тази на обратната реакция (образуване на реагенти) са равни.

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

От друга страна, това познание разкрива молекулярния механизъм, който е ценен, когато увеличава изпълнението на реакцията.

дефиниция

Скоростта е промяната на величината като функция на времето. За тези проучвания интересът се състои в определяне на вариацията на концентрацията като часове, минути; нано, връх или дори до фемтосекунди (10-15s).

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

Въпреки това, по споразумение процентът на изчезване на реагент има отрицателен знак, а степента на появяване на продукт - положителен знак.

Но ако реагентите и продуктите имат свои собствени скорости, как тогава да се определи скоростта на цялостната реакция? Отговорът се крие в стехиометричните коефициенти.

Общо уравнение

Следното химическо уравнение изразява реакцията на А и В към формата С и D:

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

Моларните концентрации обикновено се изразяват в скоби, така че например концентрацията на вида А се записва като [A]. По този начин скоростта на реакция за всеки от включените химични видове е:

Съгласно математическото уравнение има четири пътя за достигане на скоростта на реакцията: измерването на концентрацията на всеки от реагентите (А или В) или на продуктите (С или D) се измерва.

След това, с една от тези стойности и с правилния стехиометричен коефициент, тя се разделя от последната и за да се получи скоростта на реакцията rxn.

Тъй като скоростта на реакцията е положителна величина, отрицателният знак умножава отрицателните стойности на скоростите на реагентите; поради тази причина коефициентите а и b се умножават по (-1).

Например, ако скоростта на изчезване на А е - (5M / s), а нейният стехиометричен коефициент a е 2, тогава скоростта rxn е равна на 2.5M / s ((-1/2) x 5).

Пример за десерт

Ако продуктът е десерт, съставките по аналогия биха били реагентите; и химическото уравнение, рецептата:

7 Бисквитки + 3Борие + 1Салата => 1Публикуване

А скоростите за всеки един от сладките съставки и същия десерт са:

По този начин скоростта, с която се прави десерта, може да се определи с изменението на бисквитките, сладкишите, сладоледа или целия комплект; разделяйки я между стехиометричните коефициенти (7, 3, 1 и 1). Въпреки това, един от маршрутите може да е по-лесен от другия.

Например, ако измерите как [Dessert] се увеличава в различни интервали от време, тези измервания могат да бъдат сложни.

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

Как да го определим

Като се има предвид простата реакция А => В, ако А, например, във воден разтвор, показва зелено оцветяване, тогава това зависи от неговата концентрация. Така, когато А стане В, зеленият цвят изчезва и ако това изчезване се определя количествено, тогава може да се получи крива на [А] срещу t.

От друга страна, ако В е кисел вид, рН на разтвора ще спадне до стойности под 7. Така от понижението на рН получаваме [В] и последователно графиката [В] срещу t. Преценяват се и двете графики, като например следното:

В графиката можете да видите как [A] намалява с времето, защото се консумира и как кривата [B] се увеличава с положителен наклон, защото това е продуктът.

Той също така показва, че [A] се стреми към нула (ако няма равновесие) и че [B] достига максимална стойност, регулирана от стехиометрия и ако реакцията е завършена (цялото А се консумира).

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

Фактори, които влияят на скоростта на реакцията

Характер на химичните видове

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

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

H2S04 + 2NaOH => Na2S04 + 2H2O

Силните електростатични взаимодействия между йони благоприятстват бързото образуване на вода и натриев сулфат. Обратно, реакцията на втория тип е, например, естерификацията на оцетната киселина:

CH3COOH + CH3CH2OH => CH3COOCH2CH3 + H20

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

Обаче други променливи имат по-голямо влияние върху скоростта на реакцията: концентрация на реагентите, температура, налягане и наличие на катализатори.

Концентрация на реактивите

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

По този начин, в рамките на системата молекулите не са статични, а "пътуват" във всички ъгли. В някои от тези премествания се сблъскват с друга молекула, за да скачат или да произвеждат продукти.

След това броят на сблъсъците е пропорционален на концентрацията на реагентите. Горното изображение илюстрира как системата се променя от ниска към висока концентрация.

Също така, докато има повече сблъсъци, скоростта на реакцията ще бъде по-висока, тъй като шансовете на две молекули да реагират нарастват.

Ако реагентите са газообразни, тогава променливото налягане се обработва и се свързва с концентрацията на газ, приемайки някое от многото съществуващи уравнения (като идеалния газ); или също така, обемът на системата се намалява, за да се увеличи вероятността, че газовите молекули се сблъскват.

температура

Въпреки че увеличават броя на сблъсъците, не всички молекули имат необходимата енергия за преодоляване на енергията на активиране на процеса.

Това е мястото, където температурата играе важна роля: тя изпълнява функцията на термично ускоряване на молекулите, така че те се сблъскват с повече енергия.

По този начин, по принцип скоростта на реакцията се удвоява за всеки 10 ° С на повишаване на температурата на системата. Въпреки това, за всички реакции не винаги е така. Как да предвидим това увеличение? Уравнението на Аррениус отговаря на въпроса:

d (lnK) / dT = E / (RT2)

К е константата на скоростта при температура Т, R е константата на газовете и Е е енергията на активиране. Тази енергия е показателна за енергийната бариера, която реагиращите вещества трябва да мащабират, за да реагират.

За да се извърши кинетично изследване е необходимо да се поддържа постоянна температура и без катализатори. Какви са катализаторите? Те са външни видове, които се намесват в реакцията, но без да се консумират и намаляват енергията на активиране.

Концепцията за катализа за реакцията на глюкоза с кислород е илюстрирана на изображението по-горе. Червената линия представлява енергията на активиране без ензима (биологичен катализатор), докато при нея синята линия показва намаляване на енергията на активиране.

Ред на реакцията в химическата кинетика

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

Защо? Това, че сблъсъците на три енергично възбудени молекули са малко вероятни, и още повече четвърти или петкратни сблъсъци, където вероятността е безкрайно малка. Възможни са също и частични реакции. Например:

NH4C1NH3 + НС1

Реакцията е първи ред в една посока (от ляво на дясно) и втори ред в другата (отдясно наляво), ако се счита за баланс. Докато следният баланс е от втори ред в двете посоки:

2HI H 2 + I 2

Молекулярността и редът на реакция са еднакви? Молекулярността е броят на молекулите, които реагират, за да предизвикат продукти, и редът на глобалната реакция е същият ред на реагентите, участващи в скоростта на определяне на стъпките.

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

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

Реакции с нулев ред

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

По същия начин, ако реактив има нулев реакционен ред, това означава, че той не участва в стъпката, определяща скоростта, а по-скоро в бързите.

Реакция от първи ред

A => B

Реакцията от първа поръчка се регулира от следния закон за бързина:

V = k [A]

Ако концентрацията на А се удвои, скоростта на реакцията V също го прави. Следователно скоростта е пропорционална на концентрацията на реагента в етапа, който определя реакцията.

Реакция от втори ред

2A => B

А + В => С

В този вид реакция се намесват два вида, както в двете написани химически уравнения. Законите на скоростта на реакциите са:

V = k [A] 2

V = k [A] [B]

В първата, скоростта на реакцията е пропорционална на квадрата на концентрацията на А, а във втората същото се случва както при реакциите от първи ред: скоростта е право пропорционална на концентрациите на А и В.

Ред на реакция спрямо 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 молекулярния механизъм на всяка стъпка на реакцията. При тези реакции коефициентите са равни на броя на участващите молекули.

Например, молекула от А реагира с една от В за образуване на молекула на С. Тук молекулата е 1 за реагентите и след това в израза на закона на скоростта те съвпадат с реда на реакцията.

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

Защо? Защото при преминаването на един механизъм е много малко вероятно четири молекули да участват едновременно; те първо можеха да реагират на две от тях, а след това другите двама да реагират с този продукт.

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

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

приложения

- Позволява да се определи времето, в което лекарството остава в организма преди пълното му метаболизиране. Също така, благодарение на кинетичните изследвания, ензимната катализа може да се следва като зелени методи срещу други катализатори с отрицателно въздействие върху околната среда; или да бъдат използвани в безбройни промишлени процеси.

- в автомобилната промишленост, по-специално в двигателите, където електрохимичните реакции трябва да се извършват бързо, за да може автомобилът да започне. Също така в техните изпускателни тръби, които имат каталитични конвертори за трансформиране на вредните газове CO, NO и NO x в CO 2, H 2 O, N 2 и O 2 по време на оптималното време.

2NaN 3 (s) = 2Na (s) + 3N 2 (g)

- Това е реакцията, поради която въздушните възглавници са надути, въздушните възглавници, когато превозните средства се сблъскват. Когато гумите внезапно затласкат, детектор електрически детонира натриевия азид, NaN 3 . Този реактив "експлодира", освобождавайки N 2, който бързо заема целия обем на торбата.

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