MGA KINETIKONG KEMIKAL: MGA KADAHILANAN, PAGKAKASUNUD-SUNOD NG REAKSYON AT APLIKASYON - CHEMISTRY - 2025

Ang kemikal kinetics ay ang pag-aaral ng mga rate ng reaksyon. Magdala ng pang-eksperimentong o teoretikal na data sa mekanismo ng molekular, sa pamamagitan ng mga batas na ipinahayag ng mga equation ng matematika. Ang mga mekanismo ay binubuo ng isang serye ng mga hakbang, ang ilan ay mabilis at ang ilan ay mabagal.

Ang pinakamabagal sa mga ito ay tinatawag na hakbang sa pagtukoy ng bilis. Samakatuwid, ang pag-alam sa mga intermediate species at ang mekanismo ng pagpapatakbo ng hakbang na ito ay napakahalaga sa mga termino na kinetic. Ang isang paggunita sa itaas ay upang ipalagay na ang mga reagents ay nakapaloob sa isang bote at iyon, kapag gumanti, ang mga produkto ay tumakas sa labas.

Sa wakas, malayang lumabas ang mga produkto mula sa bibig ng bote nang walang karagdagang mga hadlang na kinetic. Mula sa pananaw na ito, mayroong mga bote ng maraming sukat at disenyo. Gayunpaman, lahat sila ay may isang elemento sa karaniwan: isang makitid na leeg, isang tagapagpahiwatig ng mapagpasyang hakbang ng reaksyon.

Ano ang pag-aaral sa kinetics ng kemikal?

Sinubukan, ang sangay ng kimika na ito ay nag-aaral ng mga pagkakaiba-iba ng konsentrasyon na kasangkot sa isang reaksyon ng kemikal, batay sa pagsukat ng isang tiyak na pag-aari.

Ang mga kinetikong kemikal ay ang sangay ng kimika na namamahala sa pag-aaral ng lahat ng impormasyon na maaaring makuha mula sa bilis ng isang reaksyon. Inaanyayahan ka ng pangalan nito na isipin ang isang relo ng bulsa na nagmamarka ng oras ng isang proseso, kahit saan ito mangyari: sa isang reaktor, sa isang ulap, sa isang ilog, sa katawan ng tao, atbp.

Ang lahat ng mga reaksyon ng kemikal, at samakatuwid lahat ng pagbabagong-anyo, ay may thermodynamic, balanse at mga aspeto ng kinetic. Ipinapahiwatig ng Thermodynamics kung ang isang reaksyon ay kusang o hindi; ang balanse nito degree ng dami; at kinetiko ang mga kondisyon na pabor sa bilis nito at pati na rin ang data tungkol sa mekanismo nito.

Marami sa mga mahahalagang aspeto ng mga kinetics ng kemikal ay maaaring sundin sa pang-araw-araw na buhay: sa ref, na nag-freeze ng pagkain upang mabawasan ang pagkasira nito sa pamamagitan ng pagyeyelo ng tubig na bahagi nito. Gayundin, sa pagkahinog ng mga alak, na ang pag-iipon ay binibigyan nito ng kaaya-ayang lasa.

Gayunpaman, ang "oras ng mga molekula" ay ibang-iba sa mga maliliit nitong kaliskis, at nag-iiba nang malaki ayon sa maraming mga kadahilanan (bilang at uri ng mga bono, laki, estado ng bagay, atbp.).

Sapagkat ang oras ay buhay, at ito rin ay pera, alam kung aling mga variable ang nagpapahintulot sa isang reaksyon ng kemikal na magpatuloy sa lalong madaling panahon ay pinakamahalaga. Gayunman, kung minsan ang kabaligtaran ay nais: na ang reaksyon ay nangyayari nang napakabagal, lalo na kung ito ay exothermic at may mga panganib ng pagsabog.

Ano ang mga variable na ito? Ang ilan ay pisikal, tulad ng kung anong presyon o temperatura ang dapat magkaroon ng reaktor o sistema; at iba pa ay kemikal, tulad ng uri ng solvent, pH, kaasinan, molekular na istraktura, atbp.

Gayunpaman, bago mahanap ang mga variable na ito, kailangan muna nating pag-aralan ang kinetics ng kasalukuyang reaksyon.

Paano? Sa pamamagitan ng pagkakaiba-iba ng konsentrasyon, na maaaring sundin kung ang isang partikular na pag-aari na proporsyonal sa una ay nasusukat. Sa buong kasaysayan, ang mga pamamaraan ay naging mas sopistikado, na nagpapahintulot sa mas tumpak at tumpak na mga sukat, at sa lalong mas maiikling pagitan.

Ang bilis ng reaksyon

Upang matukoy ang bilis ng isang reaksiyong kemikal, kinakailangan upang malaman kung paano nag-iiba ang konsentrasyon sa paglipas ng panahon ng alinman sa mga species na kasangkot. Ang bilis na ito ay nakasalalay sa isang malaking kadahilanan sa maraming mga kadahilanan, ngunit ang pinakamahalagang bagay ay masusukat para sa mga reaksyon na nangyayari "dahan-dahan".

Narito ang salitang "mabagal" ay kamag-anak at tinukoy para sa lahat ng maaaring masukat gamit ang mga instrumento na magagamit. Kung, halimbawa, ang reaksyon ay mas mabilis kaysa sa pagsukat ng kapasidad ng kagamitan, kung gayon hindi ito magiging dami at ang mga kinetikong ito ay hindi maaaring pag-aralan.

Pagkatapos, ang reaksyon rate ay natutukoy sa threshold ng anumang proseso bago ito maabot ang balanse. Bakit? Dahil sa balanse ang bilis ng pasulong na reaksyon (pagbuo ng produkto) at ang reverse reaksyon (reaksyon ng pagbuo) ay pantay.

Sa pamamagitan ng pagkontrol sa mga variable na kumikilos sa system, at dahil dito, ang kinetics nito o ang bilis ng reaksyon, ang perpektong kondisyon ay maaaring mapili upang makabuo ng isang tiyak na halaga ng produkto sa pinaka nais at ligtas na oras.

Sa kabilang banda, ipinahayag ng kaalamang ito ang mekanismo ng molekular, na mahalaga kapag pinatataas ang ani ng isang reaksyon.

Kahulugan

Ang bilis ay ang pagbabago ng isang magnitude bilang isang function ng oras. Para sa mga pag-aaral na ito, ang interes ay namamalagi sa pagtukoy ng pagkakaiba-iba ng konsentrasyon habang lumipas ang oras at minuto; nano, pico, o kahit femtosecond (10 ^-15 s).

Maaari itong magkaroon ng maraming mga yunit, ngunit ang pinakasimpleng at pinakamadali sa lahat ay M · s ^-1 , o kung ano ang pantay sa mol / L · s. Anuman ang mga yunit nito, dapat palaging may positibong halaga, dahil ito ay isang pisikal na dami (tulad ng mga sukat o masa).

Gayunpaman, sa pamamagitan ng kombensyon ang mga rate ng pagkawala para sa isang reaktor ay may negatibong tanda, at ang mga hitsura para sa isang produkto ay may positibong tanda.

Ngunit kung ang mga reaksyon at mga produkto ay may sariling mga bilis, kung gayon paano matukoy ang pangkalahatang rate ng reaksyon? Ang sagot ay nasa mga koepisyentong stoichiometric.

Pangkalahatang equation

Ang sumusunod na equation ng kemikal ay nagpapahayag ng reaksyon ng A at B upang mabuo ang C at D:

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

Ang mga molar na konsentrasyon ay karaniwang ipinahayag sa mga square bracket, kaya, halimbawa, ang konsentrasyon ng mga species A ay isinulat bilang. Kaya, ang rate ng reaksyon para sa bawat isa sa mga species ng kemikal na kasangkot ay:

Ayon sa equation ng matematika, mayroong apat na ruta upang maabot ang bilis ng reaksyon: ang pagkakaiba-iba sa konsentrasyon ng alinman sa mga reaksyon (A o B) o ng mga produkto (C o D) ay sinusukat.

Pagkatapos, kasama ang isa sa mga halagang ito, at ang tamang koepisyentong stoichiometric, hatiin ng huli at sa gayon makuha ang reaksyon rate rxn.

Dahil ang rate ng reaksyon ay isang positibong dami, ang negatibong pag-sign ay nagpaparami ng mga halaga ng negatibong rate ng mga reaksyon; sa kadahilanang ito ang mga koepisyentong a at b ay pinarami ng (-1).

Halimbawa, kung ang rate ng pagkawala ng A ay - (5M / s), at ang koepisyentong stoichiometric a ay 2, kung gayon ang rate rxn ay katumbas ng 2.5M / s ((-1/2) x 5).

Halimbawa ng dessert

Kung ang produkto ay isang dessert, ang mga sangkap sa pamamagitan ng pagkakatulad ay ang mga reagents; at ang equation ng kemikal, ang recipe:

7 Mga Cookies + 3 Brownies + 1 Ice Cream => 1 Dessert

At ang bilis ng bawat isa sa mga matamis na sangkap, at ang dessert mismo ay:

Kaya, ang bilis ng kung saan ginawa ang dessert ay maaaring matukoy sa pagkakaiba-iba ng alinman sa mga cookies, brownies, ice cream, o ang set mismo; pagkatapos ay paghatiin ito ng mga koepisyentong stoichiometric (7, 3, 1 at 1). Gayunpaman, ang isa sa mga ruta ay maaaring maging mas madali kaysa sa iba pa.

Halimbawa, kung sinusukat mo kung paano ito tumataas sa iba't ibang mga agwat ng oras, ang mga sukat na ito ay maaaring maging kumplikado.

Sa kabilang banda, maaaring maging mas maginhawa at praktikal upang masukat, dahil sa kanilang bilang o ilan sa kanilang mga katangian na ginagawang mas madali ang kanilang konsentrasyon kaysa sa mga brownies o ice cream.

Paano matukoy ito

Ibinigay ang simpleng reaksyon A => B, kung ang A, halimbawa, sa may tubig na solusyon, ay nagpapakita ng isang berdeng kulay, pagkatapos ito ay nakasalalay sa konsentrasyon nito. Kaya, habang ang A ay nagiging B, ang berdeng kulay ay nawawala, at kung ang pagkalugi na ito ay nasusukat, kung gayon ang isang curve ng vs t ay maaaring makuha.

Sa kabilang banda, kung ang B ay isang acidic species, ang pH ng solusyon ay ibababa sa mga halaga sa ibaba 7. Sa gayon, mula sa pagbaba ng pH, ang graph vs t ay nakuha nang magkakasunod. Pagkatapos superimposing parehong mga graph maaari naming makita ang isang bagay tulad ng mga sumusunod:

Ipinapakita ng graph kung paano ito bumababa sa paglipas ng panahon, dahil natupok ito, at kung paano tumataas ang curve na may positibong slope dahil ito ang produkto.

Makikita rin na ito ay may posibilidad na maging zero (kung walang balanse) at naabot nito ang isang maximum na halaga na pinamamahalaan ng stoichiometry at kung kumpleto ang reaksyon (lahat ay natupok).

Ang rate ng reaksyon ng parehong A at B ay ang padaplis na linya sa alinman sa mga curves na ito; sa madaling salita, ang nagmula.

Mga Kadahilanan na nakakaapekto sa rate ng reaksyon

Kalikasan ng mga species ng kemikal

Kung ang lahat ng mga reaksyon ng kemikal ay agad-agad, ang kanilang pag-aaral ng kinetic ay hindi magkakaroon. Maraming may napakabilis na bilis kaya hindi nila masusukat; iyon ay, hindi sila nasusukat.

Kaya, ang mga reaksyon sa pagitan ng mga ion ay karaniwang napakabilis at kumpleto (na may ani sa paligid ng 100%). Sa kabilang banda, ang mga may kinalaman sa mga organikong compound ay nangangailangan ng ilang oras. Ang isang reaksyon ng unang uri ay:

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

Ang malakas na pakikipag-ugnay ng electrostatic sa pagitan ng mga ion ay pinapaboran ang mabilis na pagbuo ng tubig at sodium sulfate. Sa halip, ang isang reaksyon ng pangalawang uri ay, halimbawa, ang esterification ng acetic acid:

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

Bagaman nabuo rin ang tubig, ang reaksyon ay hindi agad; kahit sa ilalim ng kanais-nais na mga kondisyon, kinakailangan ng maraming oras upang makumpleto.

Gayunpaman, ang iba pang mga variable ay may higit na impluwensya sa bilis ng reaksyon: konsentrasyon ng mga reaksyon, temperatura, presyon at pagkakaroon ng mga catalysts.

Muling konsentrasyon

Sa mga kemikal na kinetiko ang puwang sa ilalim ng pag-aaral, na nahiwalay sa kawalang-hanggan, ay tinatawag na isang sistema. Halimbawa, ang isang reaktor, isang beaker, isang basahan, isang ulap, isang bituin, atbp, ay maaaring isaalang-alang bilang sistema sa ilalim ng pag-aaral.

Kaya, sa loob ng system ang mga molekula ay hindi static ngunit sa halip "paglalakbay" sa lahat ng mga sulok nito. Sa ilan sa mga pag-iwas na ito ay nakabangga ito ng isa pang molekula upang ibalik o gumawa ng mga produkto.

Pagkatapos ang bilang ng mga banggaan ay proporsyonal sa konsentrasyon ng mga reaksyon. Inilalarawan ng imahe sa itaas kung paano nagbabago ang system mula sa mababa hanggang sa mataas na konsentrasyon.

Gayundin, ang mas maraming banggaan doon, mas mataas ang rate ng reaksyon, dahil ang posibilidad ng dalawang molekula na tumataas na pagtaas.

Kung ang mga reaktor ay gasgas, pagkatapos ay ang variable ng presyon ay hawakan at nauugnay sa konsentrasyon ng gas na ipinapalagay ang alinman sa maraming umiiral na mga equation (tulad ng perpektong gas); O kaya, ang dami ng system ay nabawasan upang madagdagan ang mga pagkakataon na mabangga ang mga molekula ng gas.

Temperatura

Bagaman ang bilang ng mga banggaan ay tumataas, hindi lahat ng mga molekula ay may lakas na kinakailangan upang lumampas sa activation energy ng proseso.

Ito ay kung saan ang temperatura ay gumaganap ng isang mahalagang papel: ginagampanan nito ang pag-andar ng thermally accelerating ang mga molekula upang makabanggaan sila ng mas maraming enerhiya.

Kaya, ang reaksyon ng rate sa pangkalahatan ay nagdodoble para sa bawat 10 ° C pagtaas sa temperatura ng system. Gayunpaman, para sa lahat ng mga reaksyon hindi ito palaging nangyayari. Paano mahulaan ang pagtaas na ito? Sinasagot ng equation ng Arrhenius ang tanong:

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

Ang K ay ang rate ng pare-pareho sa temperatura T, R ay ang palagiang gas at E ang enerhiya ng pag-activate. Ang enerhiya na ito ay nagpapahiwatig ng enerhiya na hadlang na dapat masukat ng mga reaktor upang umepekto.

Upang maisagawa ang isang pag-aaral ng kinetic, kinakailangan upang mapanatili ang pare-pareho ang temperatura at walang mga katalis. Ano ang mga katalista? Ang mga ito ay panlabas na species na nakikibahagi sa reaksyon ngunit hindi natupok, at binabawasan ang enerhiya ng pag-activate.

Ang imahe sa itaas ay naglalarawan ng konsepto ng catalysis para sa reaksyon ng glucose na may oxygen. Ang pulang linya ay kumakatawan sa enerhiya ng pag-activate nang walang enzyme (biological catalyst), habang kasama nito, ang asul na linya ay nagpapakita ng pagbawas sa enerhiya ng pag-activate.

Pagkakasunud-sunod ng reaksyon sa mga kinetikong kemikal

Sa isang equation ng kemikal, ang mga indeks ng stoichiometric, na nauugnay sa mekanismo ng reaksyon, ay hindi katumbas ng mga indeks ng pagkakasunud-sunod ng pareho. Ang mga reaksyon ng kemikal ay karaniwang mayroong una o pangalawang pagkakasunud-sunod, bihirang ikatlong pagkakasunud-sunod o mas mataas.

Para saan ito? Dahil ang mga banggaan ng tatlong masiglang natutuwa na mga molekula ay hindi malamang, at kahit na higit pa ay ang mga quadruple o quintuple na banggaan, kung saan ang posibilidad ay walang hanggan. Posible ang mga order ng reaksyon ng fractional. Halimbawa:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

Ang reaksyon ay unang pagkakasunud-sunod sa isang direksyon (mula kaliwa hanggang kanan) at pangalawang pagkakasunud-sunod sa kabilang (mula kanan hanggang kaliwa) kung ito ay itinuturing na isang balanse. Habang ang sumusunod na balanse ay pangalawang pagkakasunud-sunod sa parehong direksyon:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Ang molekularidad at reaksyon ay magkatulad? Hindi. Ang molekularidad ay ang bilang ng mga molekula na gumanti upang makabuo ng mga produkto, at ang pangkalahatang pagkakasunud-sunod ng reaksyon ay ang parehong pagkakasunud-sunod ng mga reaksyong kasangkot sa hakbang na tumutukoy sa rate.

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

Ang reaksyon na ito, sa kabila ng pagkakaroon ng mataas na stoichiometric indeks (molekularidad), ay talagang pangalawang reaksyon ng order. Sa madaling salita, ang bilis ng pagtukoy ng hakbang ay pangalawang pagkakasunud-sunod.

Mga reaksyon ng zero order

Nagaganap ang mga ito sa kaso ng mga heterogenous na reaksyon. Halimbawa: sa pagitan ng isang likido at isang solid. Kaya, ang bilis ay independiyenteng sa mga konsentrasyon ng mga reaksyon.

Gayundin, kung ang isang reaktor ay may reaksyon ng zero, nangangahulugan ito na hindi lumahok sa bilis ng pagtukoy ng hakbang, ngunit sa mga mabilis.

Reaksyon ng unang order

A => B

Ang isang reaksyon ng first-order ay pinamamahalaan ng sumusunod na batas sa rate:

V = k

Kung ang konsentrasyon ng A doble, doble ang reaksyon ng rate V. Samakatuwid, ang rate ay proporsyonal sa konsentrasyon ng reagent sa pagtukoy ng hakbang ng reaksyon.

Pangalawang reaksyon ng pagkakasunud-sunod

2A => B

A + B => C

Dalawang species ay kasangkot sa ganitong uri ng reaksyon, tulad ng sa dalawang equation kemikal na nakasulat lamang. Ang mga batas sa bilis para sa mga reaksyon ay:

V = k ²

V = k

Sa una, ang bilis ng reaksyon ay proporsyonal sa parisukat ng konsentrasyon ng A, habang sa pangalawa, ang parehong nangyayari tulad ng sa mga first-order na reaksyon: ang bilis ay direktang proporsyonal sa mga konsentrasyon ng parehong A at B.

Order ng reaksyon kumpara sa molekular

Ayon sa nakaraang halimbawa, ang mga coefficient ng stoichiometric ay maaaring o hindi magkakasabay sa mga order ng reaksyon.

Gayunpaman, nangyayari ito para sa mga reaksyon ng elemental, na tumutukoy sa mekanismo ng molekular ng anumang hakbang sa isang reaksyon. Sa mga reaksyong ito ang mga coefficient ay katumbas ng bilang ng mga kalahok na molekula.

Halimbawa, ang isang molekula ng A ay tumutugon sa isa sa B upang makabuo ng isang molekula ng C. Narito ang molekularidad ay 1 para sa mga reakto at samakatuwid sa pagpapahayag ng rate ng batas sila ay nag-tutugma sa mga reaksyon ng reaksyon.

Mula dito sinusunod na ang molekularidad ay dapat palaging isang integer, at probabilistically, mas mababa sa apat.

Bakit? Dahil sa pagpasa ng isang mekanismo ay napaka-malamang na ang apat na mga molekula ay lumahok sa parehong oras; dalawa sa kanila ang maaaring umepekto muna, at pagkatapos ang natitirang dalawa ay magiging reaksyon sa produktong ito.

Matematika ito ay isa sa mga pangunahing pagkakaiba sa pagitan ng mga reaksyon ng reaksyon at molekularidad: ang isang pagkakasunud-sunod ng reaksyon ay maaaring kumuha ng mga pinahahalagahan na halaga (1/2, 5/2, atbp.).

Ito ay dahil ang dating ay sumasalamin lamang kung paano nakakaapekto ang konsentrasyon ng mga species sa bilis, ngunit hindi kung paano nakikialam ang kanilang mga molekula sa proseso.

Aplikasyon

- Pinapayagan nitong matukoy ang oras na ang isang gamot ay nananatili sa katawan bago kumpleto ang pagsukat nito. Gayundin, salamat sa mga pag-aaral ng kinetic, ang pagkalumpon ng enzymatic ay maaaring sundin bilang mga berdeng pamamaraan kumpara sa iba pang mga katalista na may negatibong epekto sa kapaligiran; o gagamitin din sa mga hindi mabilang na proseso sa industriya.

- Sa industriya ng automotiko, partikular sa loob ng mga makina, kung saan ang mga reaksyon ng electrochemical ay dapat isagawa nang mabilis upang magsimula ang sasakyan. Gayundin sa mga tubo ng maubos nito, na may catalytic converters upang ibahin ang anyo ng mga nakakapinsalang gas na CO, NO at NO _{x sa} CO ₂ , H ₂ O, N ₂ at O ₂ sa pinakamainam na oras.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

-Ako ang reaksyon sa likod kung bakit bumagsak ang airbags, ang 'airbags', nang bumangga ang mga sasakyan. Kapag mahirap gulong ang mga gulong, ang isang detektor ay electrically detonates ang sodium azide, NaN ₃ . Ang reagent na ito ay "sumasabog" na naglalabas ng N ₂ , na mabilis na sinakop ang buong dami ng bag.

Ang metalikong sodium pagkatapos ay tumugon sa iba pang mga sangkap upang neutralisahin ito, sapagkat sa dalisay nitong estado ay nakakalason.

Mga Sanggunian

1. Walter J. Moore. (1963). Physical Chemistry. Sa Chemical kinetics. Pang-apat na edisyon, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Mga prinsipyo ng physicochemistry. Ika-anim na edisyon, pp 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (Disyembre 23, 2011). Molekular-banggaan-ay. . Nakuha noong Abril 30, 2018, mula sa: es.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Teksto ng pisikal na kimika. Sa Chemical kinetics. Ikalawang edisyon. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (Marso 8, 2017). Kahulugan ng kemikal kinetics. Nakuha noong Abril 30, 2018, mula sa: thoughtco.com
6. Khan Academy. (2018). Mga rate ng reaksyon at mga batas sa rate. Nakuha noong Abril 30, 2018, mula sa: khanacademy.org
7. Aleman Fernández. (Hulyo 26, 2010). Mga kinetikong kemikal. Nakuha noong Abril 30, 2018, mula sa: quimicafisica.com