cinetica chimică Este studiul ratelor unei reacții. Deduceți date experimentale sau teoretice despre mecanismul molecular, prin legi exprimate prin ecuații matematice. Mecanismele constau dintr-o serie de pași, dintre care unii sunt rapizi, iar alții sunt încet..
Cea mai lentă dintre acestea se numește pasul de determinare a vitezei. Prin urmare, cunoașterea speciilor intermediare și mecanismul de funcționare al acestui pas este foarte important din punct de vedere cinetic. O vizualizare a celor de mai sus este să presupunem că reactivii sunt închiși într-o sticlă și că, atunci când reacționează, produsele scapă spre exterior.
În cele din urmă, produsele ies liber din gura sticlei fără alte impedimente cinetice. Din această perspectivă, există sticle de multe dimensiuni și modele. Cu toate acestea, toate au un element în comun: un gât îngust, un indicator al pasului decisiv al reacției..
Indice articol
Experimental, această ramură a chimiei studiază variațiile de concentrație implicate într-o reacție chimică, de la măsurarea unei proprietăți specifice.
Cinetica chimică este ramura chimiei însărcinată cu studierea tuturor informațiilor care pot fi derivate din viteza unei reacții. Numele său vă invită să vă imaginați un ceas de buzunar care marchează timpul unui proces, indiferent unde se întâmplă: într-un reactor, într-un nor, într-un râu, în corpul uman etc..
Toate reacțiile chimice și, prin urmare, toate transformările, au aspecte termodinamice, de echilibru și cinetice. Termodinamica indică dacă o reacție este spontană sau nu; echilibru gradul său de cuantificare; și cinetica condițiile care îi favorizează viteza, precum și datele despre mecanismul său.
Multe dintre aspectele esențiale ale cineticii chimice pot fi observate în viața de zi cu zi: în frigider, care îngheță alimentele pentru a reduce descompunerea acestora prin înghețarea apei care face parte din acesta. De asemenea, în maturarea vinurilor, a căror îmbătrânire îi conferă aromele sale plăcute.
Cu toate acestea, „timpul moleculelor” este foarte diferit în scările sale minuscule și variază enorm în funcție de mulți factori (număr și tipuri de legături, dimensiuni, stări ale materiei etc.).
Deoarece timpul este viață și este, de asemenea, bani, este foarte important să știți care variabile permit o reacție chimică să se desfășoare cât mai repede posibil. Cu toate acestea, uneori se dorește opusul: reacția are loc foarte încet, mai ales dacă este exotermă și există riscuri de explozie..
Care sunt aceste variabile? Unele sunt fizice, cum ar fi la ce presiune sau temperatură ar trebui să aibă un reactor sau un sistem; iar altele sunt chimice, cum ar fi tipul de solvent, pH-ul, salinitatea, structura moleculară etc..
Cu toate acestea, înainte de a găsi aceste variabile, trebuie mai întâi să studiem cinetica reacției prezente.
Cum? Prin variația concentrației, care poate fi urmărită dacă se cuantifică o anumită proprietate proporțională cu prima. De-a lungul istoriei, metodele au devenit mai sofisticate, permițând măsurători mai precise și mai precise și cu intervale din ce în ce mai scurte..
Pentru a determina viteza unei reacții chimice, este necesar să știm cum variază concentrația în timp a oricăreia dintre speciile implicate. Această viteză depinde în mare măsură de mulți factori, dar cel mai important lucru este că este măsurabilă pentru acele reacții care au loc „încet”.
Aici cuvântul „încet” este relativ și este definit pentru tot ceea ce poate fi măsurat cu tehnicile instrumentale disponibile. Dacă, de exemplu, reacția este mult mai rapidă decât capacitatea de măsurare a echipamentului, atunci nu va fi cantitativă și nici nu poate fi studiată cinetica sa..
Apoi, viteza de reacție este determinată la pragul oricărui proces înainte de a ajunge la echilibru. De ce? Deoarece în echilibru viteza reacției directe (formarea produsului) și cea a reacției inverse (formarea reactantului) sunt aceleași.
Controlând variabilele care acționează asupra sistemului și, în consecință, cinetica acestuia sau viteza de reacție, pot fi alese condițiile ideale pentru a genera o anumită cantitate de produs în cel mai dorit și mai sigur timp..
Pe de altă parte, această cunoaștere relevă mecanismul molecular, care este valoros atunci când crește randamentul unei reacții..
Viteza este schimbarea unei mărimi în funcție de timp. Pentru aceste studii, interesul constă în determinarea variației concentrației pe măsură ce trec orele și minutele; nano, pico sau chiar femtosecunde (10-cincisprezeces).
Puteți avea multe unități, dar cea mai simplă și mai ușoară dintre toate este M s-1, sau ceea ce este egal cu mol / L · s. Indiferent de unitățile sale, ar trebui să aibă întotdeauna o valoare pozitivă, deoarece este o cantitate fizică (cum ar fi dimensiunile sau masa).
Cu toate acestea, prin convenție, ratele de dispariție pentru un reactant au un semn negativ, iar cele de apariție pentru un produs, au un semn pozitiv..
Dar dacă reactanții și produsele au propriile viteze, atunci cum să determinați viteza de reacție globală? Răspunsul este în coeficienții stoichiometrici.
Următoarea ecuație chimică exprimă reacția lui A și B pentru a forma C și D:
laLA + bB => cC + dD
Concentrațiile molare sunt de obicei exprimate în paranteze pătrate, astfel încât, de exemplu, concentrația speciilor A este scrisă ca [A]. Astfel, viteza de reacție pentru fiecare dintre speciile chimice implicate este:
Conform ecuației matematice, există patru căi pentru a atinge viteza de reacție: se măsoară variația concentrației oricăruia dintre reactanți (A sau B) sau a produselor (C sau D)..
Apoi, cu una dintre aceste valori și coeficientul său stoichiometric corect, împărțiți la acesta din urmă și pentru a obține viteza de reacție rxn.
Deoarece viteza de reacție este o cantitate pozitivă, semnul negativ înmulțește valorile ratei negative ale reactanților; din acest motiv coeficienții la Da b înmulțiți cu (-1).
De exemplu, dacă rata de dispariție a lui A este - (5M / s), iar coeficientul său stoichiometric la este 2, deci viteza rxn este egală cu 2,5M / s ((-1/2) x 5).
Dacă produsul ar fi un desert, ingredientele prin analogie ar fi reactivii; și ecuația chimică, rețeta:
7Biscuiți + 3 Brownies + 1 înghețată => 1 desert
Iar viteza pentru fiecare dintre ingredientele dulci și pentru desert în sine este:
Astfel, viteza cu care se face desertul poate fi determinată fie cu variația fie a cookie-urilor, a brownies-urilor, a înghețatei, fie a setului în sine; apoi împărțindu-l la coeficienții săi stoichiometrici (7, 3, 1 și 1). Cu toate acestea, una dintre rute poate fi mai ușoară decât cealaltă..
De exemplu, dacă măsurați cum crește [Desert] la intervale de timp diferite, aceste măsurători pot fi dificile..
Pe de altă parte, poate fi mai convenabil și mai practic să se măsoare [Cookie-urile], datorită numărului lor sau a unora dintre proprietățile lor care fac concentrația lor mai ușor de determinat decât cea a brownies-ului sau a înghețatei..
Având în vedere reacția simplă A => B, dacă A, de exemplu, în soluție apoasă, prezintă o colorare verde, atunci aceasta depinde de concentrația sa. Astfel, pe măsură ce A devine B, culoarea verde dispare și, dacă această dispariție este cuantificată, atunci se poate obține o curbă de [A] vs t.
Pe de altă parte, dacă B este o specie acidă, pH-ul soluției va scădea la valori sub 7. Astfel, din scăderea pH-ului obținem [B] și, consecutiv, graficul [B] vs t. Apoi suprapunând ambele grafice putem vedea ceva de genul următor:
În grafic putem vedea cum scade [A] cu timpul, deoarece este consumată și cum crește curba [B] cu o pantă pozitivă, deoarece este produsul.
Se poate observa, de asemenea, că [A] tinde la zero (dacă nu există echilibru) și că [B] atinge o valoare maximă guvernată de stoichiometrie și dacă reacția este completă (se consumă tot A).
Viteza de reacție atât a lui A, cât și a lui B este linia tangentă pe oricare dintre aceste curbe; cu alte cuvinte, derivatul.
Dacă toate reacțiile chimice ar fi instantanee, studiile lor cinetice nu ar exista. Mulți au viteze atât de mari încât nu pot fi măsurate; adică nu sunt măsurabile.
Astfel, reacțiile dintre ioni sunt de obicei foarte rapide și complete (cu un randament de aproximativ 100%). Pe de altă parte, cei care implică compuși organici necesită ceva timp. O reacție de primul tip este:
HDouăSW4 + 2NaOH => NaDouăSW4 + 2HDouăSAU
Interacțiunile electrostatice puternice dintre ioni favorizează formarea rapidă a apei și a sulfatului de sodiu. În schimb, o reacție de al doilea tip este, de exemplu, esterificarea acidului acetic:
CH3COOH + CH3CHDouăOH => CH3VĂRĂTORDouăCH3 + HDouăSAU
Deși se formează și apă, reacția nu este instantanee; chiar și în condiții favorabile, durează câteva ore până la finalizare.
Cu toate acestea, alte variabile au o influență mai mare asupra vitezei reacției: concentrația reactanților, temperatura, presiunea și prezența catalizatorilor..
În cinetica chimică, spațiul studiat, separat de infinit, se numește sistem. De exemplu, un reactor, un pahar, un balon, un nor, o stea etc., pot fi considerați ca sistemul în studiu..
Astfel, în cadrul sistemului moleculele nu sunt statice, ci mai degrabă „călătoresc” către toate colțurile sale. În unele dintre aceste deplasări, se ciocnește cu o altă moleculă pentru a reveni sau a produce produse..
Apoi, numărul de coliziuni este proporțional cu concentrația reactanților. Imaginea de mai sus ilustrează modul în care sistemul se schimbă de la concentrații mici la mari.
De asemenea, cu cât există mai multe coliziuni, cu atât viteza de reacție este mai mare, deoarece șansele ca două molecule să reacționeze cresc..
Dacă reactanții sunt gazoși, atunci variabila de presiune este tratată și este legată de concentrația gazului presupunând oricare dintre numeroasele ecuații existente (cum ar fi cea a gazului ideal); sau, de asemenea, volumul sistemului este redus pentru a crește șansele ca moleculele gazoase să se ciocnească.
Deși numărul de coliziuni crește, nu toate moleculele au energia necesară pentru a depăși energia de activare a procesului.
Aici temperatura joacă un rol important: îndeplinește funcția de accelerare termică a moleculelor, astfel încât acestea să se ciocnească cu mai multă energie..
Astfel, viteza de reacție se dublează în general pentru fiecare creștere de 10 ° C a temperaturii sistemului. Cu toate acestea, pentru toate reacțiile, acest lucru nu este întotdeauna cazul. Cum se prezice această creștere? Ecuația Arrhenius răspunde la întrebarea:
d (lnK) / dT = E / (RTDouă)
K este constanta vitezei la temperatura T, R este constanta gazului și E este energia de activare. Această energie este indicativă a barierei energetice pe care reactanții trebuie să o scaleze pentru a reacționa..
Pentru a efectua un studiu cinetic, este necesar să se mențină temperatura constantă și fără catalizatori. Ce sunt catalizatorii? Sunt specii externe care intervin în reacție dar fără a fi consumate și care scad energia de activare.
Imaginea de mai sus ilustrează conceptul de cataliză pentru reacția glucozei cu oxigenul. Linia roșie reprezintă energia de activare fără enzimă (catalizator biologic), în timp ce odată cu aceasta, linia albastră arată o scădere a energiei de activare.
Într-o ecuație chimică, indicii stoichiometrici, legați de mecanismul de reacție, nu sunt egali cu indicii de același ordin. Reacțiile chimice au de obicei ordinul I sau II, rareori ordinul III sau superior..
Pentru ce este asta? Deoarece coliziunile a trei molecule excitate energetic sunt improbabile și cu atât mai mult sunt coliziunile cvadruple sau cvintuple, unde probabilitatea este infinitesimală. Sunt posibile și ordine de reacție fracționată. De exemplu:
NH4Cl <=>NH3 + acid clorhidric
Reacția este de ordinul întâi într-un sens (de la stânga la dreapta) și de ordinul al doilea în celălalt (de la dreapta la stânga) dacă este considerată a fi un echilibru. În timp ce următorul echilibru este de ordinul doi în ambele direcții:
2HI <=> HDouă + EuDouă
Molecularitatea și ordinea reacției sunt aceleași? Nu. Molecularitatea este numărul de molecule care reacționează pentru a da naștere la produse și ordinea generală a reacției este aceeași ordine a reactanților implicați în etapa de determinare a vitezei..
2KMnO4 + 10KI + 8HDouăSW4 => 2MnSO4 + 5IDouă + 6KDouăSW4 + 8HDouăSAU
Această reacție, deși are indici stoichiometrici (molecularitate) mari, este de fapt o reacție de ordinul doi. Cu alte cuvinte, etapa determinantă a vitezei este de ordinul doi.
Ele apar în cazul reacțiilor eterogene. De exemplu: între un lichid și un solid. Astfel, viteza este independentă de concentrațiile reactanților.
La fel, dacă un reactant are o ordine de reacție zero, înseamnă că nu participă la etapa determinantă a vitezei, ci la cea rapidă.
A => B
O reacție de prim ordin este guvernată de următoarea lege a ratei:
V = k [A]
Dacă concentrația de A se dublează, viteza de reacție V se dublează. Prin urmare, viteza este proporțională cu concentrația reactivului în etapa determinantă a reacției..
2A => B
A + B => C
Două specii sunt implicate în acest tip de reacție, la fel ca în cele două ecuații chimice tocmai scrise. Legile de viteză pentru reacții sunt:
V = k [A]Două
V = k [A] [B]
În prima, viteza de reacție este proporțională cu pătratul concentrației lui A, în timp ce în al doilea, același lucru se întâmplă ca în reacțiile de ordinul întâi: rata este direct proporțională cu concentrațiile atât ale lui A cât și ale lui B.
Conform exemplului anterior, coeficienții stoichiometrici pot coincide sau nu cu ordinele reacției.
Cu toate acestea, acest lucru se întâmplă pentru reacțiile elementare, care determină mecanismul molecular al oricărei etape a unei reacții. În aceste reacții, coeficienții sunt egali cu numărul de molecule participante.
De exemplu, o moleculă de A reacționează cu una din B pentru a forma o moleculă de C. Aici molecularitatea este 1 pentru reactanți și apoi în expresia legii vitezei coincid cu ordinele de reacție.
Din aceasta rezultă că molecularitatea trebuie să fie întotdeauna un număr întreg și probabilistic mai mică de patru.
De ce? Deoarece la trecerea unui mecanism este foarte puțin probabil ca patru molecule să participe în același timp; doi dintre ei ar putea reacționa mai întâi, iar apoi restul de doi ar reacționa cu acest produs.
Din punct de vedere matematic, aceasta este una dintre diferențele principale dintre ordinele de reacție și molecularitate: o ordine de reacție poate lua valori fracționare (1/2, 5/2 etc.).
Acest lucru se datorează faptului că prima reflectă doar modul în care concentrația speciei afectează viteza, dar nu modul în care moleculele lor intervin în acest proces..
- Permite determinarea timpului în care un medicament rămâne în organism înainte de metabolismul său complet. De asemenea, datorită studiilor cinetice, cataliza enzimatică poate fi urmată ca metode ecologice în comparație cu alți catalizatori cu impact negativ asupra mediului; sau, de asemenea, pentru a fi utilizat în nenumărate procese industriale.
- În industria automobilelor, în special în cadrul motoarelor, unde reacțiile electrochimice trebuie efectuate rapid pentru a porni vehiculul. De asemenea, în conductele sale de eșapament, care au convertoare catalitice pentru a transforma gazele nocive CO, NO și NO.X în CODouă, HDouăPEDouă pe mineDouă în timpul optim.
2NaN3(s) = 2Na (s) + 3NDouă(g)
-Este reacția din spatele motivului pentru care airbagurile, „airbagurile”, se umflă atunci când vehiculele se ciocnesc. Când anvelopele trântesc pe frâne, un detector detonează electric azida de sodiu, NaN3. Acest reactiv „explodează” eliberând NDouă, care ocupă rapid întregul volum al sacului.
Sodiul metalic reacționează apoi cu alte componente pentru a-l neutraliza, deoarece în stare pură este otrăvitor.
Nimeni nu a comentat acest articol încă.