Kimyasal Kinetik Faktörler, Reaksiyon Sırası, Uygulamalar

kimyasal kinetik Bir reaksiyonun hızlarının incelenmesi. Moleküler mekanizma hakkında deneysel veya teorik verileri, matematiksel denklemlerle ifade edilen yasalar aracılığıyla çıkarır. Mekanizmalar, bazıları hızlı, bazıları yavaş olan bir dizi adımdan oluşur..

Bunlardan en yavaş olanı hız belirleme adımı olarak adlandırılır. Bu nedenle, bu türün aracı türlerini ve işleyiş mekanizmasını bilmek kinetik açısından çok önemlidir. Yukarıdakilerin bir görselleştirmesi, reaktiflerin bir şişeye konduğunu ve ürünlerin reaksiyon sırasında dışarıya kaçtıklarını varsaymaktır..

Son olarak, ürünler başka kinetik engeller olmadan şişenin ağzından serbestçe çıkar. Bu açıdan bakıldığında birçok büyüklükte ve tasarımda şişeler var. Bununla birlikte, hepsinin ortak bir elemanı vardır: dar bir boyun, reaksiyonun belirleyici adımının göstergesi.

indeks

• 1 Kimyasal kinetik eğitimi nedir?
• 2 reaksiyon oranı
  • 2.1 Tanım
  • 2.2 Genel denklem
  • 2.3 Tatlı örneği
  • 2.4 Nasıl belirlenir?
• 3 Reaksiyon hızını etkileyen faktörler
  • 3.1 Kimyasal türlerin doğası
  • 3.2 Reaktiflerin konsantrasyonu
  • 3.3 Sıcaklık
• 4 Kimyasal kinetikte reaksiyon sırası
  • 4.1 Sıfır dereceli reaksiyonlar
  • 4.2 Birinci dereceden reaksiyon
  • 4.3 İkinci dereceden reaksiyon
  • 4.4 Molekülerliğe karşı reaksiyon sırası
• 5 uygulama
• 6 Kaynakça

Kimyasal kinetiği inceleyen nedir?

Deneysel olarak, bu kimya dalı kimyasal bir reaksiyonda yer alan konsantrasyon değişikliklerini belirli bir özelliğin ölçümünden inceler.

Kimyasal kinetik, bir reaksiyonun hızından elde edilebilecek tüm bilgileri çalışmaktan sorumlu olan kimya dalıdır. Adı, nerede olursa olsun, bir sürecin zamanını gösteren bir cep saati hayal etmeye davet ediyor: bir reaktörde, bulutta, nehirde, insan vücudunda vb..

Tüm kimyasal reaksiyonlar ve dolayısıyla tüm dönüşümler, termodinamik, denge ve kinetik özelliklere sahiptir. Termodinamik, bir reaksiyonun kendiliğinden olup olmadığını gösterir; denge derecesini ölçmek; ve hızını ve aynı zamanda mekanizmasıyla ilgili verileri destekleyen kinetik koşullar.

Kimyasal kinetiğin temel özelliklerinin birçoğu günlük yaşamda gözlenebilir: buzdolabında, parçalarını azaltmak için ayrışmasını azaltmak amacıyla gıdaları dondurucu buzdolabında. Ayrıca, yaşlanmaları onlara hoş tatlar veren şarapların olgunlaşmasında.

Bununla birlikte, "moleküllerin zamanı" küçük ölçeklerinde çok farklıdır ve birçok faktöre göre (bağlantıların sayısı ve türleri, büyüklükleri, maddenin halleri vb.) Çok büyük farklılıklar gösterir..

Zaman hayattır ve aynı zamanda para olduğundan, hangi değişkenlerin bir kimyasal reaksiyonun mümkün olduğunca çabuk ilerlemesini sağladığını bilmek çok önemlidir. Bununla birlikte, bazen tam tersi istenir: reaksiyonun özellikle ekzotermik olması ve patlama riski olması durumunda çok yavaş gerçekleşmesi.

Bu değişkenler nelerdir? Bazıları bir reaktör veya sistemin sahip olması gereken basınç veya sıcaklıkta olduğu gibi fizikseldir; ve diğerleri çözücü tipi, pH, tuzluluk, moleküler yapı vb. gibi kimyasal maddelerdir..

Bununla birlikte, bu değişkenlerle karşılaşmadan önce, şimdiki reaksiyonun kinetiğini incelemeliyiz.

Nasıl? Konsantrasyon varyasyonuyla, ilkine orantılı olan belirli bir özellik ölçülürse izlenebilir. Tarih boyunca, yöntemler daha sofistike hale geldi, daha doğru ve kesin ölçümler sağladı ve giderek daha küçük aralıklarla.

Reaksiyon hızı

Bir kimyasal reaksiyonun hızını belirlemek için, konsantrasyonun ilgili türlerin herhangi birinin zaman içinde nasıl değiştiğini bilmek gerekir. Bu hız büyük ölçüde birçok faktöre bağlıdır, ancak en önemli şey "yavaş" meydana gelen reaksiyonlar için ölçülebilir olmasıdır..

Burada "yavaş" kelimesi görecelidir ve mevcut enstrümantal tekniklerle ölçülebilen her şey için tanımlanmıştır. Örneğin, reaksiyon ekipmanın ölçüm kapasitesinden çok daha hızlı ise, o zaman kantitatif olmayacak ve kinetiği çalışılmayacaktır..

Ardından, reaksiyon hızı dengeye ulaşmadan önce herhangi bir işlemin eşiğinde belirlenir. Neden? Çünkü dengede, doğrudan reaksiyonun (ürün oluşumu) ve ters reaksiyonun (reaktan oluşumu) hızı aynıdır..

Sisteme etki eden değişkenleri ve dolayısıyla kinetiğini veya reaksiyonun hızını kontrol ederek, ideal koşullar, en çok istenen ve güvenli sürede belirli bir miktarda ürün üretmek için seçilebilir..

Öte yandan, bu bilgi bir reaksiyonun performansını arttırırken değerli olan moleküler mekanizmayı ortaya koymaktadır.

tanım

Hız, zamanın bir fonksiyonu olarak büyüklüğün değişmesidir. Bu çalışmalar için ilgi saat, dakika geçtikçe konsantrasyondaki değişimin belirlenmesinde yatmaktadır; nano, tepe veya hatta femtosaniye (10^-15s).

Birçok birime sahip olabilir, ancak hepsinden en basit ve en kolay olanı M · s^-1, veya mol / L'ye eşit olan. Birimleri ne olursa olsun, fiziksel bir nicelik olduğundan (boyutlar veya kütle gibi) daima pozitif bir değere sahip olmalıdır..

Bununla birlikte, anlaşmaya varıldığında, bir reaktifin kaybolma oranlarının negatif bir işareti ve bir ürün için görünüm oranlarının pozitif işareti bulunur..

Ancak, tepkenler ve ürünler kendi hızlarına sahipse, toplam tepkimenin hızını nasıl belirleyebiliriz? Cevap, stokiyometrik katsayılarda yatmaktadır..

Genel denklem

Aşağıdaki kimyasal denklem, A ve B'nin C ve D'yi oluşturma reaksiyonunu ifade eder:

içinbir + bB => cC + dD

Molar konsantrasyonları genellikle parantez içinde ifade edilir, böylece örneğin A türünün konsantrasyonu [A] olarak yazılır. Dolayısıyla, katılan kimyasal türlerin her biri için reaksiyon hızı:

Matematiksel denkleme göre, reaksiyonun hızına ulaşmak için dört yol vardır: herhangi bir reaktifin (A veya B) veya ürünlerin (C veya D) konsantrasyonunun değişmesi ölçülür..

Daha sonra, bu değerlerden biri ve doğru stokiyometrik katsayısı ile sonuncusuna bölünerek reaksiyon hızını elde etmek için rxn.

Reaksiyon hızı pozitif bir miktar olduğundan, negatif işaret reaktanların negatif hız değerlerini çoğaltır; bu nedenle katsayılar için ve b (-1) ile çarp.

Örneğin, A'nın kaybolma hızı - (5M / s) ve bunun stokiyometrik katsayısı ise için 2 ise, o zaman hız rxn 2.5M / s'ye ((-1/2) x 5) eşittir.

Tatlı örneği

Ürün bir tatlı olsaydı, analojiye göre içerikler reaktanlar olurdu; ve kimyasal denklem tarifi:

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

Ve her tatlı bileşenin hızı ve aynı tatlı:

Böylece, tatlının yapılma hızı, çerezlerin, keklerin, dondurmanın veya bütün setin çeşitliliği ile belirlenebilir; yanında stokiyometrik katsayıları (7, 3, 1 ve 1) ayırır. Ancak, rotalardan biri diğerinden daha kolay olabilir.

Örneğin, [Tatlı] 'nın farklı zaman aralıklarında nasıl arttığını ölçerseniz, bu ölçümler karmaşık olabilir.

Öte yandan, [çerezleri] ölçmek, konsantrasyonlarını keklerin veya dondurmadan daha kolay bir şekilde belirlemelerini kolaylaştıran sayıları veya bazı özellikleri nedeniyle ölçmek daha uygun ve pratik olabilir..

Nasıl belirlenir

Basit reaksiyon A => B verildiğinde, örneğin sulu çözeltideki A, yeşil bir renk sergilerse, bu durum konsantrasyonuna bağlıdır. Böylece, A B olduğunda yeşil renk kaybolur ve eğer bu kaybolma ölçülürse, [A] - t eğrisi elde edilebilir..

Öte yandan, eğer B asidik bir tür ise, çözeltinin pH'ı 7'nin altındaki değerlere düşecektir. Bu nedenle, pH'taki düşüşten [B] elde ettik ve ardışık olarak, [B] grafiğine t. Overlaying daha sonra her iki grafik de aşağıdaki gibi bir şey değerlendirilir:

Grafikte, tüketildiği için [A] 'nın zamanla nasıl azaldığını, tüketildiği için [B] eğrisinin ürün olduğu için pozitif eğimle nasıl arttığını görebilirsiniz..

Ayrıca [A] sıfıra meyillidir (eğer denge yoksa) ve [B] 'nin stokiyometri tarafından yönetilen bir maksimum değere ulaştığını ve reaksiyonun tamamlanıp tamamlanmadığını (tüm A tüketilir) gösterir..

Hem A hem de B'nin reaksiyon hızı, bu eğrilerin herhangi biri üzerindeki teğet çizgidir; Başka bir deyişle, türev.

Reaksiyon hızını etkileyen faktörler

Kimyasal türlerin doğası

Tüm kimyasal reaksiyonlar anlık olsaydı, kinetik çalışmaları mevcut olmazdı. Birçoğunun ölçülemeyecek kadar yüksek hızları vardır; yani, ölçülebilir değiller.

Bu nedenle, iyonlar arasındaki reaksiyonlar genellikle çok hızlı ve tamdır (% 100 verim ile). Öte yandan, organik bileşikler içerenler biraz zaman gerektirir. İlk tipin bir reaksiyonu:

'H₂GB₄ + 2NaOH => Na₂GB₄ + 2H₂Ey

İyonlar arasındaki güçlü elektrostatik etkileşimler, hızlı su ve sodyum sülfat oluşumunu kolaylaştırır. Buna karşılık, ikinci tipte bir reaksiyon, örneğin asetik asidin esterleştirilmesidir:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + 'H₂Ey

Su da oluşmasına rağmen, reaksiyon anlık değildir; uygun koşullarda bile, birkaç saatin tamamlanması.

Bununla birlikte, diğer değişkenler reaksiyonun hızı üzerinde daha büyük etkiye sahiptir: reaktanların konsantrasyonu, sıcaklık, basınç ve katalizörlerin varlığı.

Reaktiflerin konsantrasyonu

Kimyasal kinetikte, incelenen uzaya sonsuzdan ayrılmış bir sistem adı verilir. Örneğin, bir reaktör, bir beher, bir şişe, bir bulut, bir yıldız vb. İncelenen sistem olarak düşünülebilir..

Böylece, sistem içerisinde moleküller statik değildir, tüm köşelere "seyahat" eder. Bu yer değiştirmelerin bazılarında, ürünlerin sıçraması veya menşei için başka bir molekülle çarpışması.

Daha sonra, çarpışmaların sayısı reaktanların konsantrasyonu ile orantılıdır. Üstteki görüntü, sistemin düşük konsantrasyonlardan yüksek konsantrasyonlara nasıl değiştiğini göstermektedir.

Ayrıca, daha fazla çarpışma olduğu sürece, iki molekülün reaksiyona girme şansı arttığından, reaksiyon hızı artacaktır..

Eğer tepkenler gaz halinde ise, değişken basınç kullanılır ve mevcut birçok denklemin (ideal gaz gibi) olduğu varsayılarak gaz konsantrasyonuyla ilişkilidir; veya aynı zamanda, gaz moleküllerinin çarpışması olasılığını artırmak için sistemin hacmi azalır.

sıcaklık

Çarpışmaların sayısı artmasına rağmen, tüm moleküller işlemin aktivasyon enerjisinin üstesinden gelmek için gereken enerjiye sahip değildir..

Bu, sıcaklığın önemli bir rol oynadığı yerdir: molekülleri termal olarak hızlandırarak fonksiyonlarını yerine getirir, böylece daha fazla enerji ile çarpışırlar..

Bu nedenle, genellikle reaksiyon hızı, sistem sıcaklığındaki her 10 ° C'lik artış için iki katına çıkar. Ancak, tüm reaksiyonlar için her zaman böyle değildir. Bu artış nasıl tahmin edilir? Arrhenius denklemi soruyu cevaplıyor:

d (İNK) / dT = E / (RT²)

K, T sıcaklıktaki hız sabitidir, R, gazların sabittir ve E, aktivasyon enerjisidir. Bu enerji, reaktiflerin reaksiyona girmesi için ölçeklenmesi gereken enerji bariyerinin bir göstergesidir..

Kinetik bir çalışma yapmak için sıcaklığı sabit ve katalizörsüz tutmak gerekir. Katalizörler nelerdir? Bunlar reaksiyona müdahale eden, ancak tüketilmeden, aktivasyon enerjisini azaltan dış türlerdir..

Glikozun oksijenle reaksiyonu için kataliz kavramı yukarıdaki resimde gösterilmektedir. Kırmızı çizgi, enzimsiz (biyolojik katalizör) aktivasyon enerjisini temsil ederken, bununla birlikte mavi çizgi, aktivasyon enerjisinde bir azalma gösterir..

Kimyasal kinetikte reaksiyon sırası

Kimyasal bir denklemde, reaksiyonun mekanizmasıyla ilgili stokiyometrik endeksler, aynı sıranın indekslerine eşit değildir. Kimyasal reaksiyonlar genellikle ilk veya ikinci derecelere, nadiren üçüncü dereceye veya daha yüksek derecelere sahiptir..

Neden o Enerjik olarak uyarılmış üç molekülün çarpışmalarının muhtemel olmadığı ve daha da fazlası, ihtimalin sonsuz olduğu dört veya beşli çarpışmalardır. Kesirli reaksiyon siparişleri de mümkündür. Örneğin:

NH₄Cı <=>NH₃ + HCl

Bir denge olarak kabul edilirse, reaksiyon birinci sırada bir yönde (soldan sağa) ve diğerinde ikinci sırada (sağdan sola). Aşağıdaki denge her iki yönde de ikinci mertebe iken:

2HI <=> 'H₂ + ben₂

Molekülerlik ve reaksiyon sırası aynı mıdır? Hayır. Molekülerlik, ürünlere yol açmak için reaksiyona giren moleküllerin sayısıdır ve global reaksiyonun sırası, hızı belirleyen adımda yer alan reaktiflerin aynı sıralamasıdır..

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂GB₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂GB₄ + 8H₂Ey

Bu reaksiyon, yüksek stokiyometrik indekslere (molekülerlik) sahip olmasına rağmen, aslında ikinci dereceden bir reaksiyondur. Başka bir deyişle, hızın belirleyici adımı ikinci derecedir.

Sıfır dereceli reaksiyonlar

Heterojen reaksiyonlarda ortaya çıkarlar. Örneğin: bir sıvı ve bir katı arasında. Dolayısıyla, hız, reaktanların konsantrasyonlarından bağımsızdır.

Benzer şekilde, bir reaktif sıfır reaksiyon sırasına sahipse, hızın belirleyici adımına değil, hızlı olana katılmayacağı anlamına gelir..

Birinci dereceden reaksiyon

A => B

Bir birinci dereceden tepki aşağıdaki hız yasasına tabidir:

V = k [A]

A konsantrasyonu iki katına çıkarsa, reaksiyon hızı V de bunu yapar. Bu nedenle, hız, reaksiyonu belirleyen adımdaki reaktifin konsantrasyonu ile orantılıdır..

İkinci dereceden reaksiyon

2A => B

A + B => C

Bu tür bir reaksiyonda, yeni yazılan iki kimyasal denklemde olduğu gibi iki tür müdahale eder. Tepkiler için hız yasaları:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

Birincisinde, reaksiyon hızı A konsantrasyonunun karesiyle orantılıdır, ikincisinde de birinci dereceden reaksiyonlarında olduğu gibi olur: hız doğrudan hem A hem de B konsantrasyonlarıyla orantılıdır.

Reaksiyon sırası vs molekülerlik

Önceki örneğe göre, stokiyometrik katsayılar reaksiyonun emirleriyle çakışabilir veya çakışmayabilir..

Bununla birlikte, bu, reaksiyonun herhangi bir basamağının moleküler mekanizmasını belirleyen temel reaksiyonlar için meydana gelir. Bu reaksiyonlarda katsayılar katılan molekül sayısına eşittir.

Örneğin, bir A molekülü, bir C molekülü oluşturmak üzere B'den biri ile reaksiyona girer. Burada, molekülerlik, reaktifler için 1'dir ve daha sonra hız düzeninin ifadesinde, reaksiyon siparişleriyle çakışmaktadır..

Molekülerliğin her zaman bir sayı ve olasılıkla dörtten az olması gerektiğini izler..

Neden? Çünkü bir mekanizmanın geçişinde dört molekülün aynı anda katılması pek olası değildir; önce ikisine tepki gösterebilir, sonra diğer ikisi bu ürünle tepkimeye girer.

Matematiksel olarak bu, reaksiyon siparişleri ve molekülerlik arasındaki ana farklardan biridir: bir reaksiyon sırası, kesirli değerleri alabilir (1/2, 5/2, vb.).

Bunun nedeni, ilkinin yalnızca türlerin konsantrasyonunun hızı nasıl etkilediğini yansıtmasıdır, ancak moleküllerinin sürece nasıl müdahale ettiğini değil..

uygulamaları

- Bir ilacın organizmada metabolizmadan önce ne kadar süre kalacağını belirlemeye izin verir. Ayrıca, kinetik çalışmalar sayesinde, olumsuz çevresel etkiye sahip diğer katalizörlere karşı yeşil yöntemler olarak enzimatik kataliz; veya aynı zamanda sayısız endüstriyel işlemlerde kullanılmak üzere.

- Otomotiv endüstrisinde, özellikle motorların içinde, aracın çalışması için elektrokimyasal reaksiyonların hızlı bir şekilde yapılması gerekir. Ayrıca CO, NO ve NO zararlı gazlarını dönüştürmek için katalitik konvertörlere sahip egzoz borularında_x CO'da₂, 'H₂O, N₂ ve O₂ optimal süre boyunca.

2NaN₃(s) = 2Na + 3N₂(G)

-Araçlar çarpıştığında hava yastıklarının neden şişirdiğinin ardındaki tepkidir. Lastikler aniden fren yaptığında, bir dedektör sodyum azit olan NaN'i patlatır.₃. Bu reaktif N serbest bırakarak "patlar"₂, hangi hızla çanta tüm hacmini kaplar.

Metalik sodyum daha sonra onu nötralize etmek için diğer bileşenlerle reaksiyona girer, çünkü saf haliyle zehirlidir.

referanslar

1. Walter J. Moore. (1963). Fiziksel Kimya içinde Kimyasal kinetik. Dördüncü baskı, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Fizikokimyanın prensipleri. Altıncı baskı, sayfa 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23 Aralık 2011). Moleküler çarpışmalar-olduğunu. [Figua]. 30 Nisan 2018’de, en.m.wikipedia.org adresinden alındı.
4. Glasstone. (1970). Fiziksel kimya ders kitabı. içinde Kimyasal kinetik. İkinci baskı. D. Van Nostrand, Şirketi, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8 Mart 2017). Kimyasal kinetik tanımı. 30 Nisan 2018'de alındı, nereden: thoughtco.com
6. Khan Akademisi. (2018). Reaksiyon oranları ve oran yasaları. 30 Nisan 2018’de alınan: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26 Temmuz 2010). Kimyasal kinetik Quimicafisica.com sitesinden 30 Nisan 2018 tarihinde alındı.