Faktor Kinetik Kimia, Pesanan Reaksi, Aplikasi

The kinetik kimia Ia adalah kajian halaju reaksi. Ia menyimpulkan data percubaan atau teoritis tentang mekanisme molekul, melalui undang-undang yang dinyatakan oleh persamaan matematik. Mekanisme ini terdiri daripada satu siri langkah, beberapa di antaranya cepat dan yang lain perlahan.

Yang paling lambat ini dipanggil langkah menentukan kelajuan. Oleh itu, mengetahui spesies perantara dan mekanisme pengendali langkah ini sangat penting dari segi kinetik. Penglihatan di atas adalah untuk mengandaikan bahawa reagen dibungkus dalam botol dan, apabila bertindak balas, produk itu melarikan diri ke luar.

Akhirnya, produk-produk ini muncul secara bebas melalui mulut botol tanpa halangan kinetik yang lebih jauh. Dari perspektif ini, ada banyak botol saiz dan reka bentuk. Walau bagaimanapun, mereka semua mempunyai satu elemen yang sama: leher sempit, penunjuk langkah penentu tindak balas.

Indeks

• 1 Apa yang mengkaji kinetik kimia?
• 2 Kadar tindak balas
  • 2.1 Definisi
  • Persamaan umum
  • 2.3 Contoh pencuci mulut
  • 2.4 Bagaimana untuk menentukannya
• 3 Faktor yang mempengaruhi kadar tindak balas
  • 3.1 Jenis spesis kimia
  • 3.2 Kepekatan reagen
  • 3.3 Suhu
• 4 Urutan tindak balas dalam kinetik kimia
  • 4.1 Reaksi perintah sifar
  • 4.2 Tindak balas pesanan pertama
  • 4.3 tindanan pesanan kedua
  • 4.4 Perintah tindakbalas vs molekul
• 5 Aplikasi
• 6 Rujukan

Apa yang mengkaji kinetik kimia?

Secara eksperimen, cabang kimia ini mengkaji variasi kepekatan yang terlibat dalam reaksi kimia, dari pengukuran harta tertentu.

Kinetik kimia adalah cawangan kimia yang bertanggungjawab untuk mengkaji semua maklumat yang boleh diperolehi dari kelajuan tindak balas. Namanya menjemput anda untuk membayangkan jam tangan poket menandakan masa proses, tidak kira di mana ia berlaku: dalam reaktor, dalam awan, di dalam sungai, di dalam tubuh manusia, dan lain-lain.

Semua tindak balas kimia, dan oleh itu semua transformasi, mempunyai aspek termodinamik, keseimbangan dan kinetik. Thermodinamik menunjukkan sama ada tindak balas adalah spontan atau tidak; baki tahap kuantifikasi; dan keadaan kinetik yang memihak kepada kelajuan dan juga data mengenai mekanismenya.

Banyak aspek penting kinetik kimia dapat dilihat dalam kehidupan sehari-hari: di dalam peti sejuk, yang membeku makanan untuk mengurangkan penguraiannya dengan membekukan air yang merupakan sebahagian daripada mereka. Juga, dalam pematangan wain, yang penuaan memberi mereka rasa yang menyenangkan.

Walau bagaimanapun, "masa molekul" sangat berbeza dalam skala kecilnya, dan ia berbeza-beza mengikut banyak faktor (bilangan dan jenis pautan, saiz, keadaan benda, dan sebagainya).

Kerana masa adalah kehidupan, dan juga wang, sangat penting untuk mengetahui pemboleh ubah mana yang membolehkan reaksi kimia diteruskan secepat mungkin. Walau bagaimanapun, kadang-kadang sebaliknya adalah dikehendaki: bahawa tindak balas berlaku sangat perlahan, terutama jika ia adalah eksotermik dan terdapat risiko letupan.

Apakah pembolehubah ini? Ada yang fizikal, seperti apa tekanan atau suhu reaktor atau sistem mesti ada; dan yang lain adalah kimia, seperti jenis pelarut, pH, salinitas, struktur molekul, dan lain-lain..

Walau bagaimanapun, sebelum datang dengan pemboleh ubah ini, pertama kita mesti mengkaji kinetika reaksi sekarang.

Bagaimana? Melalui variasi tumpuan, yang boleh diikuti jika harta tertentu dikira yang berkadar dengan yang pertama. Sepanjang sejarah kaedah telah menjadi lebih canggih, yang membolehkan pengukuran yang lebih tepat dan tepat, dan dengan selanjar yang semakin kecil.

Kadar reaksi

Untuk menentukan kelajuan tindak balas kimia, adalah perlu untuk mengetahui bagaimana penumpuan bervariasi dari masa ke masa mana-mana spesies yang terlibat. Kelajuan ini bergantung kepada banyak faktor pada banyak faktor, tetapi perkara yang paling penting adalah bahawa ia boleh diukur untuk reaksi-reaksi yang berlaku "perlahan-lahan".

Di sini perkataan "perlahan" adalah relatif dan ditakrifkan untuk semua yang boleh diukur dengan teknik instrumental yang tersedia. Jika, sebagai contoh, tindak balas adalah lebih cepat daripada kapasiti pengukuran peralatan, maka ia tidak akan menjadi kuantitatif dan tidak boleh kinetik dikaji..

Kemudian, kadar tindak balas ditentukan di ambang sebarang proses sebelum ia mencapai keseimbangan. Mengapa? Kerana dalam keseimbangan kelajuan reaksi langsung (pembentukan produk) dan tindak balas terbalik (pembentukan reaktan) adalah sama.

Mengawal pembolehubah yang bertindak pada sistem, dan akibatnya, kinetik atau kelajuan tindak balas, keadaan ideal boleh dipilih untuk menjana sejumlah produk tertentu dalam masa yang paling diingini dan selamat.

Sebaliknya, pengetahuan ini mendedahkan mekanisme molekul, yang berharga apabila meningkatkan prestasi tindak balas.

Definisi

Kelajuan adalah perubahan magnitud sebagai fungsi masa. Bagi kajian-kajian ini, minatnya terletak pada menentukan variasi kepekatan sebagai jam, minit berlalu; nano, puncak atau bahkan femtosecond (10^-15s).

Ia boleh mempunyai banyak unit, tetapi yang paling mudah dan paling mudah adalah M · s^-1, atau apa yang sama dengan mol / L · s. Tidak kira unitnya, ia mesti selalu mempunyai nilai positif, kerana ia adalah kuantiti fizikal (seperti dimensi atau jisim).

Walau bagaimanapun, dengan persetujuan kadar kehilangan untuk reagen mempunyai tanda negatif, dan kadar penampilan untuk produk, tanda positif.

Tetapi jika reaktan dan produk mempunyai halaju mereka sendiri, bagaimana pula untuk menentukan kelajuan reaksi keseluruhan? Jawapannya terletak pada koefisien stoichiometric.

Persamaan umum

Persamaan kimia berikut menyatakan tindak balas A dan B untuk membentuk C dan D:

aA + bB => cC + dD

Kepekatan molar biasanya dinyatakan dalam kurungan, supaya, sebagai contoh, kepekatan spesies A ditulis sebagai [A]. Oleh itu, kadar reaksi bagi setiap spesies kimia yang terlibat adalah:

Menurut persamaan matematik, terdapat empat laluan untuk mencapai kelajuan reaksi: variasi kepekatan mana-mana reaktan (A atau B) atau produk (C atau D) diukur.

Kemudian, dengan salah satu daripada nilai ini, dan pekali stoikiometri yang betul, ia dibahagikan oleh kedua dan untuk mendapatkan kelajuan reaksi rxn.

Oleh kerana kadar tindak balas adalah kuantiti positif, tanda negatif mengalikan nilai halaju negatif reaktan; untuk sebab ini koefisien a dan b berganda dengan (-1).

Sebagai contoh, jika halaju kehilangan A adalah - (5M / s), dan pekali stoikiometrinya a adalah 2, maka kelajuan rxn sama dengan 2.5M / s ((-1/2) x 5).

Contoh pencuci mulut

Sekiranya produk itu adalah pencuci mulut, bahan-bahan dengan analogi akan menjadi reaktan; dan persamaan kimia, resipi:

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

Dan kelajuan untuk setiap bahan manis, dan pencuci mulut yang sama adalah:

Oleh itu, kelajuan dengan pencuci mulut dibuat boleh ditentukan dengan variasi cookies, brownies, ice cream, atau keseluruhan set; membahagikannya di antara pekali stoikiometri (7, 3, 1 dan 1). Walau bagaimanapun, salah satu daripada laluan mungkin lebih mudah daripada yang lain.

Sebagai contoh, jika anda mengukur bagaimana [Pencuci mulut] meningkat pada selang masa yang berlainan, pengukuran ini mungkin rumit.

Sebaliknya, ia mungkin lebih mudah dan praktikal untuk mengukur [cookies], kerana bilangan mereka atau beberapa sifat mereka yang menjadikan kepekatan mereka lebih mudah ditentukan daripada brownie atau ais krim.

Bagaimana untuk menentukannya

Memandangkan tindak balas mudah A => B, jika A, sebagai contoh, dalam larutan berair, mempamerkan warna hijau, maka ini bergantung kepada kepekatannya. Oleh itu, apabila A menjadi B, warna hijau hilang, dan jika kehilangan ini dikira, maka lengkung [A] vs t boleh diperolehi.

Sebaliknya, jika B adalah spesies berasid, pH larutan akan jatuh ke nilai di bawah 7. Oleh itu, dari penurunan pH kita memperoleh [B], dan secara berturut-turut, graf [B] vs t. Overlaying kemudian kedua-dua graf seperti berikut yang dinilai:

Dalam graf, anda dapat melihat bagaimana [A] menurun dengan masa, kerana ia dimakan, dan bagaimana lengkung [B] meningkat dengan cerun positif kerana ia adalah produk.

Ia juga menunjukkan bahawa [A] cenderung kepada sifar (jika tidak ada keseimbangan) dan bahawa [B] mencapai nilai maksimum yang ditadbir oleh stoikiometri dan jika tindak balas selesai (semua A dimakan).

Kelajuan reaksi A dan B adalah garis tangen pada mana-mana lengkung ini; dalam erti kata lain, derivatif.

Faktor-faktor yang mempengaruhi kadar tindak balas

Jenis spesis kimia

Sekiranya semua tindak balas kimia berlaku seketika, kajian kinetik mereka tidak akan wujud. Ramai yang mempunyai kelajuan tinggi sehingga tidak dapat diukur; iaitu, mereka tidak boleh diukur.

Oleh itu, reaksi antara ion biasanya sangat cepat dan lengkap (dengan hasil sekitar 100%). Sebaliknya, mereka yang melibatkan sebatian organik memerlukan sedikit masa. Reaksi jenis pertama ialah:

H₂SO₄ + 2NaOH => Na₂SO₄ + 2H₂O

Interaksi elektrostatik yang kuat antara ion memihak pembentukan pesat air dan natrium sulfat. Sebaliknya, tindak balas jenis kedua adalah, contohnya, pengesterilan asid asetik:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Walaupun air juga terbentuk, tindak balas tidak seketika; walaupun di bawah keadaan yang menggalakkan, beberapa jam berlalu untuk diselesaikan.

Walau bagaimanapun, pembolehubah lain mempunyai pengaruh yang lebih besar terhadap kelajuan reaksi: kepekatan reaktan, suhu, tekanan dan kehadiran pemangkin.

Kepekatan reagen

Dalam kinetik kimia, ruang yang dipelajari, dipisahkan dari tak terhingga, dipanggil sistem. Sebagai contoh, reaktor, bikar, sebotol, awan, bintang, dan lain-lain, boleh dianggap sebagai sistem yang diajar.

Oleh itu, dalam sistem molekul tidak statik tetapi "perjalanan" ke semua sudut. Dalam sesetengah penggantian ini bertabrakan dengan molekul lain untuk melonjak atau produk asal.

Kemudian, bilangan perlanggaran adalah berkadar dengan kepekatan reaktan. Imej atas menggambarkan bagaimana sistem berubah dari kepekatan yang rendah hingga tinggi.

Juga, selagi terdapat lebih banyak perlanggaran, kelajuan tindak balas akan lebih tinggi, kerana kemungkinan dua molekul bertindak balas meningkat.

Jika reaktan adalah gas, maka tekanan pembolehubah dikendalikan dan berkaitan dengan kepekatan gas dengan menganggap mana-mana persamaan yang sedia ada (seperti gas ideal); atau juga, jumlah sistem dikurangkan untuk meningkatkan kemungkinan molekul gas bertabrakan.

Suhu

Walaupun bilangan perlanggaran bertambah, tidak semua molekul mempunyai tenaga yang diperlukan untuk mengatasi tenaga pengaktifan proses tersebut.

Inilah di mana suhu memainkan peranan penting: ia memenuhi fungsi termal memecut molekul supaya mereka bertabrakan dengan lebih banyak tenaga.

Oleh itu, pada amnya kadar reaksi ganda untuk setiap 10 ° C peningkatan dalam suhu sistem. Walau bagaimanapun, untuk semua tindak balas ia tidak selalu seperti itu. Bagaimana untuk meramalkan peningkatan ini? Persamaan Arrhenius menjawab soalan:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K ialah pemalar halaju pada suhu T, R ialah pemalar gas dan E ialah tenaga pengaktifan. Tenaga ini menandakan halangan tenaga yang reagen mesti skala untuk bertindak balas.

Untuk melaksanakan kajian kinetik, perlu memastikan pemanasan suhu dan tanpa pemangkin. Apa pemangkin? Mereka adalah spesies luar yang campur tangan dalam tindak balas tetapi tanpa dimakan, dan itu mengurangkan tenaga pengaktifan.

Konsep pemangkinan untuk reaksi glukosa dengan oksigen digambarkan dalam imej di atas. Garis merah mewakili tenaga pengaktifan tanpa enzim (pemangkin biologi), sementara dengan ini, garis biru menunjukkan penurunan dalam tenaga pengaktifan.

Urutan reaksi dalam kinetik kimia

Dalam persamaan kimia indeks stoikiometrik, yang berkaitan dengan mekanisme tindak balas tidak sama dengan indeks susunan yang sama. Reaksi kimia biasanya mempunyai perintah pertama atau kedua, jarang tertib ketiga atau lebih tinggi.

Kenapa? Bahawa perlanggaran tiga molekul yang terangsang dengan energetically tidak mungkin, dan lebih-lebih lagi adalah perlanggaran empat kali ganda atau quintuple, di mana kebarangkalian adalah sangat kecil. Pesanan reaksi pecahan juga mungkin. Sebagai contoh:

NH₄Cl <=>NH₃ + HCl

Reaksi adalah urutan pertama dalam satu arah (dari kiri ke kanan) dan urutan kedua di sisi lain (kanan ke kiri) jika dianggap sebagai keseimbangan. Walaupun baki berikut adalah urutan kedua dalam kedua-dua arah:

2HI <=> H₂ + Saya₂

Molecularity dan order reaksi adalah sama? Tidak. Molekul adalah bilangan molekul yang bertindak balas untuk menimbulkan produk, dan susunan tindak balas global adalah susunan yang sama dari reagen yang terlibat dalam langkah yang menentukan kelajuan.

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

Reaksi ini, walaupun mempunyai indeks stoikiometrik tinggi (molekulariti), sebenarnya merupakan reaksi urutan kedua. Dengan kata lain, langkah penentu kelajuan ialah pesanan kedua.

Reaksi tindak balas sifar

Mereka berlaku dalam kes tindak balas heterogen. Sebagai contoh: antara cecair dan pepejal. Oleh itu, kelajuan bebas daripada kepekatan reaktan.

Begitu juga, jika reagen mempunyai susunan tindak balas sifar, ia bermakna bahawa ia tidak mengambil bahagian dalam langkah penentuan kelajuan, tetapi dalam yang cepat.

Tindak balas pesanan pertama

A => B

Tindak balas pertama ditadbir oleh undang-undang laju berikut:

V = k [A]

Sekiranya kepekatan A beregu, kadar tindak balas V juga berbuat demikian. Oleh itu, kelajuan adalah berkadar dengan kepekatan reagen dalam langkah yang menentukan reaksi.

Tindak balas pesanan kedua

2A => B

A + B => C

Dalam tindak balas jenis ini, dua spesies campur tangan, seperti dalam dua persamaan kimia yang ditulis. Undang-undang kelajuan untuk tindak balas adalah:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

Pada permulaan, kadar tindak balas adalah berkadar dengan kuadrat kepekatan A, manakala di kedua yang sama berlaku seperti dalam tindak balas perintah pertama: kelajuan adalah berkadar terus dengan kepekatan kedua-dua A dan B.

Urutan reaksi vs molekul

Mengikut contoh terdahulu, pekali stoikiometri mungkin atau mungkin tidak bertepatan dengan arahan reaksi.

Walau bagaimanapun, ini berlaku untuk tindak balas asas, yang menentukan mekanisme molekul sebarang langkah reaksi. Dalam tindak balas ini, pekali adalah sama dengan bilangan molekul yang menyertai.

Sebagai contoh, molekul A bereaksi dengan salah satu daripada B untuk membentuk molekul C. Di sini molekul adalah 1 untuk reaktan dan kemudian dalam ungkapan undang-undang kelajuan mereka bertepatan dengan perintah reaksi.

Ini berikutan bahawa molekul mestilah sentiasa nombor keseluruhan, dan probabilistiknya, kurang daripada empat.

Mengapa? Kerana dalam laluan mekanisme, sangat tidak mungkin empat molekul berpartisipasi pada masa yang sama; boleh bertindak balas dua daripadanya terlebih dahulu, dan kemudian dua yang lain akan bertindak balas dengan produk ini.

Matematik ini adalah salah satu perbezaan utama antara pesanan tindak balas dan molekul: suatu tindak balas reaksi boleh mengambil nilai fraksional (1/2, 5/2, dan lain-lain).

Ini adalah kerana bekas hanya mencerminkan bagaimana konsentrasi spesis mempengaruhi kelajuan, tetapi bukan bagaimana molekul mereka campur tangan dalam proses.

Permohonan

- Ia membolehkan untuk menentukan masa bahawa ubat kekal dalam organisma sebelum metabolisasi lengkap. Selain itu, terima kasih kepada kajian kinetik, pemangkinan enzimatik boleh diikuti sebagai kaedah hijau terhadap pemangkin lain dengan kesan negatif alam sekitar; atau juga untuk digunakan dalam proses perindustrian yang tidak terhitung.

- Dalam industri automotif, khususnya di dalam enjin, di mana tindak balas elektrokimia mesti dilakukan dengan cepat untuk memulakan kenderaan. Juga di dalam paip ekzosnya, yang mempunyai penukar pemangkin untuk mengubah gas berbahaya CO, NO dan NO_x dalam CO₂, H₂O, N₂ dan O₂ semasa masa yang optimum.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(g)

-Ini adalah reaksi di sebalik kenapa beg udara dinaikkan, apabila kenderaan bertabrakan. Apabila tayar brek tiba-tiba, pengesan elektrik melepaskan natrium azide, NaN₃. Reagen ini "meletup" melepaskan N₂, yang menduduki seluruh jumlah beg dengan cepat.

Natrium logam kemudian bertindak balas dengan komponen lain untuk meneutralkannya, kerana dalam keadaan tulen ia beracun.

Rujukan

1. Walter J. Moore. (1963). Kimia fizikal In Kinetik kimia. Edisi keempat, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Prinsip fizikokimia. Edisi keenam, halaman 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki (23 Disember 2011). Molecular-collisions-en [Figua] Diperoleh pada 30 April 2018, dari: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Buku teks kimia fizikal. In Kinetik kimia. Edisi kedua. D. Van Nostrand, Syarikat, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8 Mac, 2017). Definisi kinetika kimia. Diperoleh pada 30 April 2018, dari: thoughtco.com
6. Khan Academy. (2018). Kadar reaksi dan undang-undang kadar. Diperoleh pada 30 April 2018, dari: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26 Julai 2010). Kinetik kimia Diambil pada 30 April 2018, dari: quimicafisica.com