ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА: ФАКТОРЫ, ПОРЯДОК РЕАКЦИИ И ПРИМЕНЕНИЯ - ХИМИЯ - 2026

В химической кинетики является изучение скоростей реакций. Вывести экспериментальные или теоретические данные о молекулярном механизме с помощью законов, выражаемых математическими уравнениями. Механизмы состоят из серии шагов, некоторые из которых являются быстрыми, а некоторые - медленными.

Самый медленный из них называется шагом определения скорости. Поэтому знание промежуточных видов и рабочего механизма этого шага очень важно с кинетической точки зрения. Одна из визуализаций вышесказанного - предположить, что реагенты заключены в бутылку и что при реакции продукты выходят наружу.

Наконец, продукты свободно выходят из горлышка бутылки без дополнительных кинетических препятствий. С этой точки зрения есть бутылки разных размеров и дизайнов. Однако всех их объединяет один общий элемент: узкая шея, показатель решающего шага реакции.

Что изучает химическая кинетика?

Экспериментально этот раздел химии изучает изменения концентрации, участвующие в химической реакции, на основе измерения определенного свойства.

Химическая кинетика - это раздел химии, отвечающий за изучение всей информации, которая может быть получена из скорости реакции. Его название 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 степени количественной оценки; и кинетика - условия, которые способствуют его скорости, а также данные о его механизме.

Многие важные аспекты химической кинетики можно наблюдать в повседневной жизни: в холодильнике, который замораживает пищу, чтобы уменьшить ее разложение, замораживая воду, которая является ее частью. Также при созревании вин, выдержка которых придает им приятный вкус.

Однако «время молекул» сильно отличается в своих крошечных масштабах и сильно варьируется в зависимости от многих факторов (количества и типов связей, размеров, состояния вещества и т. Д.).

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

Что это за 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 находить эти переменные, мы должны сначала изучить кинетику данной реакции.

Как? Через изменение концентрации, за которым можно проследить, если количественно определить конкретное свойство, пропорциональное первому. На протяжении всей истории методы стали более сложными, позволяя производить более точные и точные измерения с более короткими интервалами.

Скорость реакции

Чтобы определить скорость химической реакции, необходимо знать, как со временем изменяется концентрация любого из вовлеченных веществ. Эта скорость в значительной степени зависит от многих факторов, но самое главное, что ее можно измерить для тех реакций, которые происходят «медленно».

Здесь слово «медленно» является относительным и означает все, что можно измерить с помощью доступных инструментальных методов. Если, например, реакция протекает намного быстрее, чем измерительные возможности оборудования, то она не будет количественной и ее кинетику нельзя будет изучить.

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

Контролируя переменные, влияющие 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, эти знания раскрывают молекулярный механизм, который важен для увеличения выхода реакции.

Определение

Скорость - это изменение величины как функция времени. Для этих исследований интерес заключается в определении изменения концентрации по прошествии часов и минут; нано, пико или даже фемтосекунды ( ^10-15 с).

Он может иметь множество единиц, но самый простой и легкий из них - это M · s ^-1 , или то, что равно моль / л · s. Независимо от единиц измерения, он всегда должен иметь положительное значение, поскольку это физическая величина (например, размеры или масса).

Однако обычно скорость исчезновения реагента имеет отрицательный знак, а скорость исчезновения продукта - положительный.

Но если реагенты и продукты имеют свои скорости, то как определить общую скорость реакции? Ответ кроется в стехиометрических коэффициентах.

Общее уравнение

Следующее химическое уравнение выражает реакцию A и B с образованием C и D:

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

Молярные концентрации обычно выражаются в квадратных скобках, поэтому, например, концентрация вещества A записывается как. Таким образом, скорость реакции для каждого химического вещества составляет:

Согласно математическому уравнению, существует четыре пути достижения скорости реакции: измеряется изменение концентрации любого из реагентов (A или B) или продуктов (C или D).

Затем, используя одно из этих значений и его правильный стехиометрический коэффициент, разделите на последний и, таким образом, получите скорость реакции rxn.

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

Например, если скорость исчезновения A составляет - (5M / с), а его стехиометрический коэффициент a равен 2, то скорость rxn равна 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Пример десерта

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

7 печенья + 3 пирожных + 1 мороженое => 1 десерт

И скорости для каждого из сладких ингредиентов, и для самого десерта:

Таким образом, скорость, с которой готовится десерт, может быть определена вариацией печенья, пирожных, мороженого или самого набора; затем разделив его на его стехиометрические коэффициенты (7, 3, 1 и 1). Однако один из маршрутов может быть проще другого.

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

С другой стороны, измерение может быть более удобным и практичным из-за их количества или некоторых свойств, облегчающих определение их концентрации, чем у пирожных или мороженого.

Как это определить

При простой реакции 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 количественно определено, то можно получить кривую vs t.

С другой стороны, если B представляет собой кислую разновидность, pH раствора упадет до значений ниже 7. Таким образом, по уменьшению pH последовательно строится график зависимости от t. Затем, совмещая оба графика, мы можем увидеть что-то вроде следующего:

График показывает, как он уменьшается со временем, потому что он потребляется, и как кривая увеличивается с положительным наклоном, потому что это продукт.

Также можно увидеть, что она стремится к нулю (если нет равновесия) и что она достигает максимального значения, определяемого стехиометрией, и если реакция завершена (весь A расходуется).

Скорость реакции как A, так и B представляет собой касательную линию на любой из этих кривых; другими словами, производная.

Факторы, влияющие на скорость реакции

Природа химических веществ

Если бы все химические реакции протекали мгновенно, их кинетических исследований не существовало бы. У многих скорость настолько высока, что ее невозможно измерить; то есть они не поддаются измерению.

Таким образом, реакции между ионами обычно очень быстрые и полные (с выходом около 100%). С другой стороны, те, которые связаны с органическими соединениями, требуют времени. Реакция первого типа бывает:

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

Сильные электростатические взаимодействия между ионами способствуют быстрому образованию воды и сульфата натрия. Вместо этого реакция второго типа представляет собой, например, этерификацию уксусной кислоты:

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

Хотя вода также образуется, реакция не мгновенная; даже при благоприятных условиях на это уходит несколько часов.

Однако другие переменные больше влияют на скорость реакции: концентрация реагентов, температура, давление и присутствие катализаторов.

Концентрация реагента

В химической кинетике изучаемое пространство, отделенное от бесконечности, называется системой. Например, в качестве исследуемой системы можно рассматривать реактор, стакан, колбу, облако, звезду и т. Д.

Таким образом, внутри системы молекулы не статичны, а скорее «путешествуют» во все ее уголки. В некоторых из этих перемещений он сталкивается с другой молекулой, чтобы отскочить назад или произвести продукты.

Тогда количество столкновений пропорционально концентрации реагентов. На изображении выше показано, как система изменяется от низких до высоких концентраций.

Кроме того, чем больше столкновений, тем выше скорость реакции, так как вероятность реакции двух молекул возрастает.

Если реагенты являются газообразными, тогда обрабатывается переменная давления, которая связана с концентрацией газа, принимая любое из многих существующих уравнений (например, идеальный газ); Или объем системы уменьшается, чтобы увеличить вероятность столкновения газообразных молекул.

температура

Хотя количество столкновений увеличивается, не все молекулы обладают энергией, необходимой для превышения энергии активации процесса.

Здесь температура играет важную роль: она выполняет функцию термического ускорения молекул, так что они сталкиваются с большей энергией.

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

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

K - константа скорости при температуре T, R - газовая постоянная, E - энергия активации. Эта энергия указывает на энергетический барьер, который реагенты должны масштабировать для реакции.

Для проведения кинетического исследования необходимо поддерживать постоянную температуру и без катализаторов. Что такое катализаторы? Это внешние частицы, которые принимают участие в реакции, но не потребляются, и уменьшают энергию активации.

Изображение выше иллюстрирует концепцию катализа реакции глюкозы с кислородом. Красная линия представляет энергию активации без фермента (биологического катализатора), а синяя линия показывает уменьшение энергии активации.

Порядок реакции в химической кинетике

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

Для чего это? Поскольку столкновения трех энергетически возбужденных молекул маловероятны, а четырех- или пятикратные столкновения еще более вероятны, если вероятность бесконечно мала. Возможны также дробные порядки реакции. Например:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

Реакция имеет первый порядок в одном направлении (слева направо) и второй порядок в другом (справа налево), если она считается равновесной. А следующее равновесие второго порядка в обоих направлениях:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Молекулярность и порядок реакции одинаковые? Нет. Молекулярность - это количество молекул, которые вступают в реакцию с образованием продуктов, а общий порядок реакции совпадает с порядком реагентов, участвующих в стадии определения скорости.

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

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

Реакции нулевого порядка

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

Аналогично, если реагент имеет нулевой порядок реакции, это означает, что он участвует не в этапе определения скорости, а в быстрых.

Реакция первого порядка

А => В

Реакция первого порядка регулируется следующим законом скорости:

V = k

Если концентрация A увеличивается вдвое, скорость реакции V увеличивается вдвое. Следовательно, скорость пропорциональна концентрации реагента на определяющей стадии реакции.

Реакция второго порядка

2A => B

А + В => С

В этом типе реакции участвуют два вещества, как в только что написанных двух химических уравнениях. Законы скорости для реакций:

V = k ²

V = k

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

Порядок реакции против молекулярности

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

Однако это действительно происходит с элементными реакциями, которые определяют молекулярный механизм любой стадии реакции. В этих реакциях коэффициенты равны количеству участвующих молекул.

Например, молекула A реагирует с одним из B с образованием молекулы C. Здесь молекулярность реагентов равна 1, и поэтому в выражении закона скорости они совпадают с порядками реакции.

Из этого следует, что молекулярность всегда должна быть целым числом, вероятнее всего, меньше четырех.

Зачем? Потому что в прохождении механизма очень маловероятно, что четыре молекулы участвуют одновременно; двое из них могли реагировать первыми, а затем оставшиеся двое вступили в реакцию 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 связано с тем, что первое отражает только то, как концентрация видов влияет на скорость, но не то, как их молекулы вмешиваются в процесс.

Приложения

- Позволяет определить время, в течение которого лекарство остается в организме до его полного метаболизма. Аналогичным образом, благодаря кинетическим исследованиям, ферментативный катализ может рассматриваться как экологически чистый метод по сравнению с другими катализаторами, оказывающими негативное воздействие на окружающую среду; или также для использования в бесчисленных промышленных процессах.

- В автомобильной промышленности, особенно в двигателях, где для запуска автомобиля необходимо быстро проводить электрохимические реакции. Также в выхлопных трубах, которые имеют каталитические нейтрализаторы для преобразования вредных газов CO, NO и NO _x в CO ₂ , H ₂ O, N ₂ и O ₂ в течение оптимального времени.

2NaN ₃ (т) = 2Na (т) + 3N ₂ (г)

-Это реакция на то, почему надуваются подушки безопасности, «подушки безопасности», при столкновении транспортных средств. Когда шины резко тормозятся, детектор электрически детонирует азид натрия NaN ₃ . Этот реагент «взрывается», высвобождая N ₂ , который быстро занимает весь объем мешка.

Затем металлический натрий вступает в реакцию с другими компонентами, чтобы нейтрализовать его, поскольку в чистом виде он ядовит.

Ссылки

1. Уолтер Дж. Мур. (1963). Физическая химия. В химической кинетике. Четвертое издание, Лонгманс.
2. Ира Н. Левин. (2009). Основы физико-химии. Издание шестое, стр. 479-540. Мак Гроу Хилл.
3. UAwiki. (23 декабря 2011 г.). Молекулярно-столкновения есть. , Получено 30 апреля 2018 г. с сайта es.m.wikipedia.org.
4. Glasstone. (1970). Учебник физической химии. В химической кинетике. Второе издание. Д. Ван Ностранд, Company, Inc.
5. Энн Мари Хельменстин, доктор философии (8 марта 2017 г.). Определение химической кинетики. Получено 30 апреля 2018 г. с сайта: thinkco.com
6. Ханская академия. (2018). Скорости реакции и законы скорости. Получено 30 апреля 2018 г. с: khanacademy.org.
7. Херман Фернандес. (26 июля 2010 г.). Химическая кинетика. Получено 30 апреля 2018 г. с: quimicafisica.com