Факторы химической кинетики, порядок реакции, области применения

химическая кинетика Это изучение скоростей реакции. Он выводит экспериментальные или теоретические данные о молекулярном механизме по законам, выраженным математическими уравнениями. Механизмы состоят из ряда шагов, некоторые из которых быстрые, а другие медленные.

Самый медленный из них называется шагом определения скорости. Поэтому знание промежуточных видов и оперантного механизма этого шага очень важно с точки зрения кинетики. Визуализация вышесказанного состоит в том, чтобы предположить, что реагенты заключены в бутылку и что при реакции продукты выходят наружу..

Наконец, продукты выходят свободно через горловину бутылки без дальнейших кинетических помех. С этой точки зрения, есть бутылки разных размеров и дизайнов. Тем не менее, все они имеют один общий элемент: узкая шея, индикатор определяющей стадии реакции.

индекс

• 1 Что изучает химическая кинетика?
• 2 Коэффициент реакций
  • 2.1 Определение
  • 2.2 Общее уравнение
  • 2.3 Пример десерта
  • 2.4 Как это определить
• 3 Фактора, которые влияют на скорость реакции
  • 3.1 Природа химических видов
  • 3.2 Концентрация реагентов
  • 3.3 Температура
• 4 Порядок реакции в химической кинетике
  • 4.1 Реакции нулевого порядка
  • 4.2 Реакция первого порядка
  • 4.3 Реакция второго порядка
  • 4.4 Порядок реакции против молекулярности
• 5 приложений
• 6 Ссылки

Что изучает химическую кинетику?

Экспериментально, эта ветвь химии изучает изменения концентрации, вовлеченные в химическую реакцию, от измерения определенного свойства.

Химическая кинетика - это раздел химии, отвечающий за изучение всей информации, которая может быть получена из скорости реакции. Его имя предлагает вам представить карманные часы, отмечающие время процесса, где бы он ни происходил: в реакторе, в облаке, в реке, в теле человека и т. Д..

Все химические реакции и, следовательно, все превращения имеют термодинамический, равновесный и кинетический аспекты. Термодинамика показывает, является ли реакция спонтанной или нет; баланс его степень количественного определения; и кинетические условия, которые способствуют его скорости, а также данные о его механизме.

Многие из важных аспектов химической кинетики можно наблюдать в повседневной жизни: в холодильнике, который замораживает пищу, чтобы уменьшить ее разложение, замораживая воду, которая входит в их состав. Также в процессе созревания вин, выдержка которых придает им приятный вкус.

Тем не менее, «время молекул» очень отличается в своих крошечных масштабах, и оно сильно варьируется в зависимости от многих факторов (количество и типы связей, размеров, состояний вещества и т. Д.).

Поскольку время - это жизнь, а также деньги, очень важно знать, какие переменные позволяют химической реакции протекать как можно быстрее. Однако иногда требуется обратное: реакция происходит очень медленно, особенно если она экзотермическая и существует риск взрыва..

Каковы эти переменные? Некоторые из них являются физическими, например, при каком давлении или температуре должен быть реактор или система; и другие химические, такие как тип растворителя, pH, соленость, молекулярная структура и т. д..

Однако прежде чем приступить к получению этих переменных, сначала мы должны изучить кинетику настоящей реакции..

Как? Через изменение концентрации, за которым можно следовать, если определено определенное свойство, пропорциональное первому. На протяжении всей истории методы становились все более изощренными, позволяя проводить более точные и точные измерения и с все меньшими интервалами.

Скорость реакции

Чтобы определить скорость химической реакции, необходимо знать, как концентрация изменяется во времени для любого из участвующих видов. Эта скорость в значительной степени зависит от многих факторов, но самое главное, что она измерима для тех реакций, которые происходят «медленно».

Здесь слово «медленно» является относительным и определяется для всего, что может быть измерено доступными инструментальными методами. Если, например, реакция намного быстрее, чем измерительная емкость оборудования, то она не будет количественной и ее кинетика не может быть изучена..

Затем скорость реакции определяется на пороге любого процесса, прежде чем он достигнет равновесия. Почему? Потому что в равновесии скорость прямой реакции (образование продуктов) и обратной реакции (образование реагентов) равны.

Контролируя переменные, которые воздействуют на систему, и, следовательно, ее кинетику или скорость реакции, можно выбрать идеальные условия для получения определенного количества продукта в наиболее желаемое и безопасное время..

С другой стороны, это знание раскрывает молекулярный механизм, который ценен при увеличении производительности реакции.

определение

Скорость - это изменение величины в зависимости от времени. Для этих исследований интерес заключается в определении изменения концентрации в виде часов, минут; нано, пик или даже фемтосекунды (10^-15s).

Он может иметь много единиц, но самый простой и легкий из всех это M · s^-1, или что равно моль / л · с. Независимо от его единиц измерения, оно всегда должно иметь положительное значение, поскольку это физическая величина (например, размеры или масса)..

Однако по договоренности показатели исчезновения для реагента имеют отрицательный знак, а показатели появления для продукта - положительный знак.

Но если реагенты и продукты имеют свои собственные скорости, как тогда определить скорость общей реакции? Ответ заключается в стехиометрических коэффициентах.

Общее уравнение

Следующее химическое уравнение выражает реакцию А и В с образованием С и D:

в + бB => сС + dD

Молярные концентрации обычно выражаются в скобках, так что, например, концентрация вида A записывается как [A]. Таким образом, скорость реакции для каждого из участвующих химических веществ составляет:

В соответствии с математическим уравнением существует четыре пути достижения скорости реакции: измеряется изменение концентрации любого из реагентов (A или B) или продуктов (C или D).

Затем, с одним из этих значений и его правильным стехиометрическим коэффициентом, оно делится на последнее и для получения скорости реакции rxn.

Поскольку скорость реакции является положительной величиной, отрицательный знак умножает отрицательные значения скорости реагентов; по этой причине коэффициенты в и б умножить на (-1).

Например, если скорость исчезновения А равна - (5М / с), а ее стехиометрический коэффициент в равно 2, то скорость rxn равна 2,5 М / с ((-1/2) х 5).

Десертный пример

Если бы продукт был десертом, ингредиенты по аналогии были бы реагентами; и химическое уравнение, рецепт:

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

И скорости для каждого из сладких ингредиентов и одного и того же десерта:

Таким образом, скорость, с которой производится десерт, может быть определена с помощью вариаций печенья, пирожных, мороженого или всего набора; разделив его далее между его стехиометрическими коэффициентами (7, 3, 1 и 1). Тем не менее, один из маршрутов может быть проще, чем другой.

Например, если вы измеряете, как [Десерт] увеличивается в разные промежутки времени, эти измерения могут быть сложными.

С другой стороны, может быть удобнее и практичнее измерять [печенье] из-за их количества или некоторых их свойств, которые облегчают определение их концентрации, чем у пирожных или мороженого.

Как это определить

Учитывая простую реакцию A => B, если A, например, в водном растворе, имеет зеленую окраску, то это зависит от его концентрации. Таким образом, когда A становится B, зеленый цвет исчезает, и если это исчезновение определяется количественно, то можно получить кривую [A] vs t.

С другой стороны, если B является кислым веществом, pH раствора упадет до значений ниже 7. Таким образом, из уменьшения pH мы получаем [B] и, следовательно, график [B] vs t. После наложения обоих графиков оценивается что-то вроде следующего:

На графике вы можете увидеть, как [A] уменьшается со временем, потому что он потребляется, и как кривая [B] увеличивается с положительным наклоном, потому что это продукт.

Это также показывает, что [A] стремится к нулю (если равновесие отсутствует) и что [B] достигает максимального значения, определяемого стехиометрией, и если реакция завершена (все A расходуется).

Скорость реакции как А, так и В является касательной на любой из этих кривых; другими словами, производная.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Природа химических видов

Если бы все химические реакции были мгновенными, их кинетические исследования не существовали бы. Многие имеют такие высокие скорости, что их невозможно измерить; то есть они не измеримы.

Таким образом, реакции между ионами обычно очень быстрые и завершенные (с выходом около 100%). С другой стороны, те, которые включают органические соединения, требуют некоторого времени. Реакция первого типа:

H₂SW₄ + 2NaOH => Na₂SW₄ + 2H₂О

Сильные электростатические взаимодействия между ионами способствуют быстрому образованию воды и сульфата натрия. Напротив, реакцией второго типа является, например, этерификация уксусной кислоты:

СН₃COOH + CH₃СН₂ОН => СН₃COOCH₂СН₃ + H₂О

Хотя вода также образуется, реакция не мгновенная; даже при благоприятных условиях до завершения нескольких часов.

Однако другие переменные имеют большее влияние на скорость реакции: концентрация реагентов, температура, давление и наличие катализаторов..

Концентрация реагентов

В химической кинетике исследуемое пространство, отделенное от бесконечного, называется системой. Например, реактор, мензурка, колба, облако, звезда и т. Д. Могут рассматриваться как исследуемая система..

Таким образом, внутри системы молекулы не статичны, а «путешествуют» по всем углам. В некоторых из этих смещений сталкивается с другой молекулой, чтобы отскочить или создать продукты.

Тогда количество столкновений пропорционально концентрации реагентов. Верхнее изображение иллюстрирует, как система изменяется от низких до высоких концентраций.

Кроме того, до тех пор, пока существует больше столкновений, скорость реакции будет выше, так как увеличивается вероятность реакции двух молекул..

Если реагенты являются газообразными, то переменное давление обрабатывается и связано с концентрацией газа, принимая любое из многих существующих уравнений (например, идеальный газ); или также, объем системы уменьшен, чтобы увеличить вероятность столкновения молекул газа.

температура

Хотя число столкновений увеличивается, не все молекулы имеют энергию, необходимую для преодоления энергии активации процесса.

Именно здесь температура играет важную роль: она выполняет функцию термического ускорения молекул, чтобы они сталкивались с большим количеством энергии.

Таким образом, обычно скорость реакции удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры системы. Однако для всех реакций это не всегда так. Как прогнозировать это увеличение? Уравнение Аррениуса отвечает на вопрос:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K - постоянная скорости при температуре T, R - постоянная газов, E - энергия активации. Эта энергия указывает на энергетический барьер, который реагенты должны масштабировать, чтобы реагировать.

Для проведения кинетических исследований необходимо поддерживать температуру постоянной и без катализаторов. Какие катализаторы? Они являются внешними видами, которые вмешиваются в реакцию, но не потребляются, и которые уменьшают энергию активации.

Концепция катализа для реакции глюкозы с кислородом показана на изображении выше. Красная линия представляет энергию активации без фермента (биологического катализатора), тогда как синяя линия показывает уменьшение энергии активации..

Порядок реакции в химической кинетике

В химическом уравнении стехиометрические показатели, связанные с механизмом реакции, не равны показателям порядка того же самого. Химические реакции обычно имеют первый или второй порядок, редко третий или более высокий..

Почему это? Что столкновения трех энергетически возбужденных молекул маловероятны, и тем более это четырехкратные или пятикратные столкновения, где вероятность бесконечно мала. Дробные порядки реакции также возможны. Например:

Нью-Гемпшир₄Cl <=>Нью-Гемпшир₃ + HCl

Реакция - это первый порядок в одном направлении (слева направо) и второй порядок в другом (справа налево), если он считается балансом. При этом следующий баланс имеет второй порядок в обоих направлениях:

2HI <=> H₂ + Я₂

Молекулярность и порядок реакции одинаковы? Нет. Молекулярность - это число молекул, которые реагируют на образование продуктов, а порядок глобальной реакции - это тот же порядок реагентов, которые участвуют в шаге, который определяет скорость..

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂SW₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂SW₄ + 8H₂О

Эта реакция, несмотря на высокие стехиометрические показатели (молекулярность), на самом деле является реакцией второго порядка. Другими словами, шаг определения скорости - второй порядок.

Реакции нулевого порядка

Они возникают в случае гетерогенных реакций. Например: между жидкостью и твердым телом. Таким образом, скорость не зависит от концентрации реагентов.

Аналогично, если реагент имеет порядок реакции, равный нулю, это означает, что он не участвует в шаге определения скорости, а в быстрых..

Реакция первого порядка

A => B

Реакция первого порядка регулируется следующим законом скорости:

V = k [A]

Если концентрация А удваивается, скорость реакции V также увеличивается. Следовательно, скорость пропорциональна концентрации реагента на этапе, который определяет реакцию.

Реакция второго порядка

2A => B

A + B => C

В этом типе реакции вмешиваются два вида, как в двух только что написанных химических уравнениях. Законы скорости реакции:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

В первом случае скорость реакции пропорциональна квадрату концентрации А, а во втором происходит то же, что и в реакциях первого порядка: скорость прямо пропорциональна концентрациям как А, так и В.

Порядок реакции против молекулярности

Согласно предыдущему примеру, стехиометрические коэффициенты могут совпадать или не совпадать с порядками реакции.

Однако это происходит для элементарных реакций, которые определяют молекулярный механизм любой стадии реакции. В этих реакциях коэффициенты равны количеству участвующих молекул.

Например, молекула A реагирует с одним из B, образуя молекулу C. Здесь молекулярность для реагентов равна 1, а затем в выражении закона скорости они совпадают с порядками реакции.

Отсюда следует, что молекулярность всегда должна быть целым числом, а вероятностно менее четырех.

Почему? Потому что в прохождении механизма очень маловероятно, что четыре молекулы участвуют одновременно; может сначала отреагировать на два из них, а затем два других с этим продуктом.

Математически это одно из основных различий между порядками реакции и молекулярностью: порядок реакции может принимать дробные значения (1/2, 5/2 и т. Д.).

Это потому, что первый отражает только то, как концентрация видов влияет на скорость, а не то, как их молекулы вмешиваются в процесс..

приложений

- Это позволяет определить время, в течение которого лекарственное средство остается в организме до его полной метаболизации. Кроме того, благодаря кинетическим исследованиям, ферментативный катализ можно использовать в качестве экологически чистых методов против других катализаторов с негативным воздействием на окружающую среду; или также для использования в бесчисленных промышленных процессах.

- В автомобильной промышленности, особенно в двигателях, где для запуска автомобиля необходимо быстро провести электрохимические реакции. Также в его выхлопных трубах, которые имеют каталитические нейтрализаторы для преобразования вредных газов CO, NO и NO_х в СО₂, H₂О, Н₂ и O₂ в оптимальное время.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(G)

-Это реакция на то, почему подушки безопасности надуваются, когда машины сталкиваются. Когда шины резко тормозят, детектор электрически детонирует азид натрия, NaN₃. Этот реагент "взрывается", выделяя N₂, который быстро занимает весь объем сумки.

Металлический натрий затем реагирует с другими компонентами, чтобы нейтрализовать его, потому что в чистом виде он ядовит.

ссылки

1. Уолтер Дж. Мур. (1963). Физическая химия в Химическая кинетика. Четвертое издание, Лонгманс.
2. Ира Н. Левин. (2009). Основы физикохимии. Шестое издание, стр. 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23 декабря 2011 г.) Молекулярные столкновения есть. [Figua]. Получено 30 апреля 2018 г. с сайта en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Учебник физической химии. в Химическая кинетика. Второе издание. Д. Ван Ностранд, Компания, Inc.
5. Энн Мари Хельменстин, доктор философии (8 марта 2017 г.) Определение химической кинетики. Получено 30 апреля 2018 г.
6. Ханская академия. (2018). Скорость реакций и законы скорости. Получено 30 апреля 2018 г. с сайта: khanacademy.org
7. Герман Фернандес. (26 июля 2010 г.) Химическая кинетика Получено 30 апреля 2018 г. с сайта quimicafisica.com.