קינטיקה גורמים כימיים, סדר התגובה, יישומים

ה קינטיקה כימית זהו המחקר של מהירויות התגובה. זה מסיק נתונים ניסיוניים או תיאורטיים על המנגנון המולקולרי, באמצעות חוקים לידי ביטוי על ידי משוואות מתמטיות. המנגנונים מורכבים מסדרה של צעדים, שחלקם מהירים וחלקם איטיים.

האיטי ביותר של אלה נקרא צעד קביעת המהירות. לכן, לדעת מינים מתווך ומנגנון אופרנטי של צעד זה חשוב מאוד במונחים של קינטיקה. הדמיה של האמור לעיל היא להניח כי ריאגנטים הם סגורים בבקבוק וכי, כאשר מגיבים, את המוצרים להימלט החוצה.

לבסוף, המוצרים לצאת בחופשיות דרך הפה של הבקבוק ללא מכשולים קינטית נוספת. מנקודת מבט זו, ישנם בקבוקים של גדלים ועיצובים רבים. עם זאת, לכולם יש מרכיב אחד משותף: צוואר צר, אינדיקטור של הצעד הקובע של התגובה.

אינדקס

• מה לומד קינטיקה כימית?
• 2 קצב התגובה
  • 2.1 הגדרה
  • 2.2 משוואה כללית
  • 2.3 דוגמה לקינוח
  • 2.4 כיצד לקבוע את זה
• 3 גורמים המשפיעים על קצב התגובה
  • 3.1 טבע המינים הכימיים
  • 3.2 ריכוז של ריאגנטים
  • 3.3 טמפרטורה
• 4 סדר התגובה קינטיקה כימית
  • 4.1 תגובות של סדר אפס
  • 4.2 תגובת סדר ראשון
  • 4.3 תגובה מסדר שני
  • 4.4 סדר התגובה מול מולקולריות
• 5 יישומים
• 6 הפניות

מה מחקרים קינטיקה כימית?

מבחינה ניסויית, ענף זה של הכימיה בוחן את וריאציות הריכוז הכרוכות בתגובה כימית, ממדידת מאפיין מסוים.

קינטיקה כימית היא ענף של כימיה האחראית על לימוד כל המידע שניתן להפיק מהמהירות של תגובה. שמו מזמין אותך לדמיין שעון כיס המסמן את זמנו של תהליך, לא משנה היכן הוא מתרחש: בכור, בענן, בנהר, בגוף האדם וכו '..

כל התגובות הכימיות, ולכן כל שינוי, יש תרמודינמי, שיווי משקל והיבטים קינטיים. התרמודינמיקה מציינת אם התגובה היא ספונטנית או לא; האיזון מידת הכמות שלו; ואת התנאים הקינטיים כי לטובת מהירות שלה, כמו גם את הנתונים על המנגנון שלה.

רבים מן ההיבטים החיוניים של קינטיקה כימית ניתן לראות בחיי היומיום: במקרר, אשר קופא מזון כדי להפחית את הפירוק שלה על ידי הקפאת מים כי הוא חלק מהם. כמו כן, בהתבגרות של יינות, אשר ההזדקנות שלהם נותן להם טעמים נעימים שלהם.

עם זאת, "הזמן של המולקולות" שונה מאוד בקשקשים הזעירים שלה, והוא משתנה מאוד על פי גורמים רבים (מספר וסוגי קישורים, גדלים, מצבי חומר וכדומה).

כי הזמן הוא החיים, וזה גם כסף, חשוב מאוד לדעת אילו משתנים לאפשר תגובה כימית להמשיך מהר ככל האפשר. עם זאת, לפעמים ההפך הוא הרצוי: כי התגובה מתרחשת לאט מאוד, במיוחד אם זה exothermic ויש סיכונים של פיצוץ.

מהם המשתנים האלה? חלקם פיזית, כגון באיזה לחץ או טמפרטורה הכור או המערכת חייב להיות; ואחרים הם כימיים, כגון סוג של ממס, pH, מליחות, מבנה מולקולרי, וכו '.

עם זאת, לפני לבוא עם משתנים אלה, תחילה עלינו ללמוד את הקינטיקה של התגובה הנוכחית.

איך? באמצעות וריאציה ריכוז, אשר ניתן לעקוב אחר אם נכס מסוים הוא לכמת כי הוא פרופורציונלי הראשון. לאורך ההיסטוריה השיטות הפכו מתוחכמות יותר, המאפשר מדידות מדויקות יותר ומדויק, ועם מרווחים קטנים יותר ויותר.

שיעור התגובה

כדי לקבוע את המהירות של תגובה כימית, יש צורך לדעת איך הריכוז משתנה לאורך זמן של כל המינים המעורבים. מהירות זו תלויה במידה רבה בגורמים רבים, אבל הדבר החשוב ביותר הוא שזה למדידה עבור אותן תגובות המתרחשות "לאט".

כאן המילה "לאט" היא יחסית ומוגדרת לכל דבר שניתן למדוד עם הטכניקות אינסטרומנטלי זמין. אם, למשל, התגובה היא הרבה יותר מהר מאשר קיבולת המדידה של הציוד, אז זה לא יהיה כמותי ולא ניתן ללמוד את הקינטיקה שלה..

לאחר מכן, שיעור התגובה נקבע על סף כל תהליך לפני שהוא מגיע שיווי משקל. למה? כי בשיווי משקל את מהירות התגובה הישירה (היווצרות של מוצרים) ואת התגובה של ההפך (היווצרות של מגיבים) שווים.

שליטה על המשתנים הפועלים על המערכת, וכתוצאה מכך, קינטיקה שלה או את מהירות התגובה, התנאים האידיאליים ניתן לבחור לייצר כמות מסוימת של המוצר בזמן הרצוי ביותר ובטוח.

מצד שני, ידע זה מגלה את המנגנון המולקולרי, שהוא בעל ערך כאשר מגדילים את הביצועים של תגובה.

הגדרה

המהירות היא שינוי של גודל כפונקציה של זמן. עבור מחקרים אלה, האינטרס טמון בקביעת וריאציה של ריכוז כמו שעות, דקות עובר; ננו, שיא או אפילו femtosonds (10)^-15s).

זה יכול להיות יחידות רבות, אבל הפשוטה והקלה ביותר של כל הוא M · s^-1, או מה שווה mol / L · s. ללא קשר ליחידות שלה, זה חייב תמיד יש ערך חיובי, שכן הוא כמות פיזית (כגון ממדים או מסה).

עם זאת, לפי הסכם שיעורי היעלמות עבור מגיב יש סימן שלילי, ואת שיעורי המראה של מוצר, סימן חיובי.

אבל אם למגיבים ולמוצרים יש מהירויות משלהם, כיצד לקבוע את המהירות של התגובה הכוללת? התשובה טמונה במקדמים stoichiometric.

משוואה כללית

המשוואה הכימית הבאה מבטאת את התגובה של A ו- B לצורה C ו- D:

אא + .בB => cג + דד

ריכוזי טוחנת מתבטאים בדרך כלל בסוגריים, כך, למשל, הריכוז של מינים A נכתב כ [A]. לפיכך, שיעור התגובה לכל אחד מהמינים הכימיים המעורבים הוא:

על פי המשוואה המתמטית, ישנם ארבעה מסלולים כדי להגיע למהירות התגובה: הווריאציה של הריכוז של כל המגיבים (A או B) או של המוצרים (C או D) נמדדת.

ואז, עם אחד הערכים האלה, ואת מקדם stoichiometric הנכון שלה, זה מחולק על ידי האחרון ועל מנת להשיג את התגובה rxn מהירות.

מאחר ששיעור התגובה הוא כמות חיובית, הסימן השלילי מכפיל את ערכי המהירות השלילית של המגיבים; מסיבה זו המקדמים א ו .ב להכפיל (-1).

לדוגמה, אם מהירות היעלמות של A הוא - (5M / s), ואת מקדם stoichiometric שלה א הוא 2, אז rxn מהירות שווה 2.5M / s ((-1 / 2) x 5).

דוגמה לקינוח

אם המוצר היה קינוח, החומרים על ידי אנלוגיה יהיה המגיבים; ואת המשוואה הכימית, את המתכון:

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

ואת המהירות עבור כל החומרים המתוקים, ואותו קינוח הם:

לכן, את המהירות שבה קינוח הוא עשוי להיות נקבע עם וריאציה של עוגיות, בראוניז, גלידה, או את כל קבוצה; חלוקתו הבא בין מקדמי stoichiometric שלה (7, 3, 1 ו 1). עם זאת, אחד המסלולים עשוי להיות קל יותר מאשר אחרים.

לדוגמה, אם אתה מודד כיצד [קינוח] מגדילה במרווחי זמן שונים, מדידות אלה עשויות להיות מסובכות.

מצד שני, זה יכול להיות נוח יותר ומעשי למדידת [עוגיות], בשל מספר או חלק מהמאפיינים שלהם שהופכים את הריכוז שלהם קל יותר לקבוע מאשר של בראוניז או גלידה.

כיצד לקבוע את זה

לאור התגובה הפשוטה A => B, אם A, למשל, בתמיסה מימית, מציג צבע ירוק, אז זה תלוי בריכוז שלה. לכן, כמו A הופך B, הצבע הירוק נעלם, ואם היעלמות זו היא לכמת, אז עקומת [A] לעומת t ניתן להשיג.

מצד שני, אם B הוא מינים חומציים, ה- pH של הפתרון יירד לערכים מתחת ל -7. לפיכך, מהירידה ב- pH אנו משיגים את [B], ובצורה עוקבת, את הגרף [B] לעומת t. Overlaying אז שני גרפים משהו כמו הבא הוא בחן:

בתרשים ניתן לראות כיצד [A] פוחת עם הזמן, מכיוון שהוא נצרך, ואיך עקומת [B] עולה עם שיפוע חיובי כי זה המוצר.

זה גם מראה כי [A] נוטה לאפס (אם אין שיווי משקל) וכי [B] מגיע לערך מקסימלי הנשלט על ידי stoichiometry ואם התגובה הושלמה (כל A הוא נצרך).

מהירות התגובה של A ו- B היא קו משיק על כל העקומות האלה; במילים אחרות, הנגזר.

גורמים המשפיעים על קצב התגובה

טבעם של מינים כימיים

אם כל התגובות הכימיות היו מיידיות, המחקרים הקינטיים שלהם לא היו קיימים. לרבים יש מהירויות גבוהות כל כך, שלא ניתן למדוד אותן; כלומר, הם לא ניתנים למדידה.

לפיכך, התגובות בין היונים הן בדרך כלל מהירות מאוד ומלאות (עם תשואה סביב 100%). מצד שני, אלה מעורבים תרכובות אורגניות דורשים קצת זמן. תגובה מהסוג הראשון היא:

ח₂לכן₄ + 2NaOH => Na₂לכן₄ + 2H₂הו

אינטראקציות אלקטרוסטטית חזקה בין היונים לטובת היווצרות מהירה של מים ונתרן גופרתי. לעומת זאת, התגובה של הסוג השני היא, למשל, האסטריפיקציה של חומצה אצטית:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + ח₂הו

למרות המים נוצר גם, התגובה אינה מיידית; גם בתנאים נוחים, כמה שעות לעבור.

עם זאת, משתנים אחרים יש השפעה רבה יותר על מהירות התגובה: ריכוז של המגיבים, הטמפרטורה, הלחץ נוכחות של זרזים.

ריכוז של ריאגנטים

בקינטיקה כימית החלל הנחקר, המופרד מן האינסוף, נקרא מערכת. לדוגמה, הכור, כוס, בקבוק, ענן, כוכב, וכו ', יכול להיחשב כמערכת תחת מחקר.

לכן, בתוך המערכת המולקולות אינן סטטיות אלא "נסיעות" לכל פינות. בחלק מעקורים אלה מתנגש עם מולקולה אחרת כדי להקפיץ או מקורם של מוצרים.

לאחר מכן, מספר ההתנגשויות הוא יחסי לריכוז של המגיבים. התמונה העליונה מדגימה כיצד המערכת משתנה מ ריכוזים נמוכים עד גבוהים.

כמו כן, כל עוד יש יותר התנגשויות, מהירות התגובה תהיה גבוהה יותר, שכן הסיכויים של שתי מולקולות מגיבים להגדיל.

אם המגיבים הם גזיים, אז הלחץ משתנה משתנה ומתייחס ריכוז הגז בהנחה של כל המשוואות הקיימות רבות (כגון גז אידיאלי); או, נפח המערכת מופחת כדי להגדיל את הסבירות של מולקולות גז מתנגש.

טמפרטורה

למרות שמספר ההתנגשויות גדל, לא לכל המולקולות יש את האנרגיה הדרושה כדי להתגבר על אנרגיית ההפעלה של התהליך.

זה המקום שבו טמפרטורה משחק תפקיד חשוב: הוא ממלא את הפונקציה של תרמית להאיץ את המולקולות, כך שהם מתנגשים עם יותר אנרגיה.

לכן, בדרך כלל שיעור התגובה מכפיל עבור כל 10 מעלות צלזיוס של עלייה בטמפרטורה של המערכת. עם זאת, עבור כל התגובות זה לא תמיד ככה. איך לחזות את הגידול הזה? משוואת ארניוס עונה על השאלה:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K הוא קבוע של מהירות בטמפרטורה T, R הוא קבוע של גזים ו- E הוא אנרגיית ההפעלה. אנרגיה זו היא אינדיקציה של מחסום האנרגיה כי ריאגנטים חייב בקנה מידה להגיב.

על מנת לבצע מחקר קינטי יש צורך לשמור על טמפרטורה קבועה וללא זרזים. מה הם זרזים? הם מינים חיצוניים המתערבים בתגובתם אך מבלי להיות נצרכים, וזה להקטין את האנרגיה ההפעלה.

הרעיון של קטליזה לתגובה של גלוקוז עם חמצן מודגם בתמונה לעיל. הקו האדום מייצג את אנרגיית ההפעלה ללא האנזים (זרז ביולוגי), ואילו עם זאת, הקו הכחול מראה ירידה באנרגיה ההפעלה.

סדר התגובה קינטיקה כימית

במשוואה כימית המדדים stoichiometric, הקשורים למנגנון של התגובה אינם שווים המדדים של הסדר של אותו. תגובות כימיות בדרך כלל יש צווי הראשון או השני, לעתים רחוקות בסדר השלישי או גבוה יותר.

למה זה? שלש התנגשויות הן מולקולות נרגשות אנרגטיות סבירות, והם התנגשויות נוספות או מחומש מרובע, שבה ההסתברות היא על חוט שערה. צווי תגובה חלקיים אפשריים גם כן. לדוגמה:

NH₄Cl <=>NH₃ + HCl

התגובה היא סדר ראשון בכיוון אחד (משמאל לימין) וסדר שני בשנייה (מימין לשמאל) אם היא נחשבת לאיזון. בעוד שהאיזון הבא מסדר שני בשני הכיוונים:

2HI <=> ח₂ + אני₂

מולקולתיות וסדר תגובה זהים? לא מולקולריות היא מספר המולקולות המגיבות להוליד מוצרים, וסדר התגובה העולמית הוא אותו סדר של ריאגנטים המעורבים בשלב הקובע את המהירות.

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂לכן₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂לכן₄ + 8ay₂הו

תגובה זו, למרות שיש גבוהה stoichiometric אינדקסים (מולקולרית), היא למעשה תגובה מסדר שני. במילים אחרות, הצעד הקובע של המהירות הוא הסדר השני.

אפס סדר התגובות

הם מתרחשים במקרה של תגובות הטרוגניות. לדוגמה: בין נוזל לבין מוצק. לכן, המהירות היא עצמאית של ריכוזי המגיבים.

כמו כן, אם מגיב יש תגובה של אפס זה אומר שזה לא להשתתף בשלב הקובע של המהירות, אבל אלה מהר.

תגובה ראשונה

A => B

תגובה על סדר ראשון כפופה לחוק המהירות הבא:

V = k [A]

אם הריכוז של A זוגות, שיעור התגובה V גם עושה זאת. לכן, המהירות היא יחסית לריכוז של מגיב בשלב הקובע את התגובה.

תגובה מסדר שני

2A => B

A + B => C

בסוג זה של תגובה, שני מינים מתערבים, כמו בשתי משוואות כימיות שכתבו. חוקי המהירות לתגובות הם:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

בחודש הראשון שיעור התגובה הוא יחסי לריבוע הריכוז של A, ואילו השני קורה כמו בתגובות של הסדר הראשון: המהירות היא ביחס ישר לריכוזים של A ו- B.

סדר התגובה מול מולקולריות

על פי הדוגמה הקודמת, מקדמים stoichiometric עשוי או לא יעלה בקנה אחד עם ההזמנות של התגובה.

עם זאת, זה קורה עבור תגובות יסודי, אשר קובעים את המנגנון המולקולרי של כל צעד של תגובה. בתגובות אלה המקדמים שווים למספר המולקולות המשתתפות.

לדוגמא, מולקולה מגיבה עם B ליצירת מולקולה של ג כאן molecularity הוא 1 עבור המגיבים ואז חוק שיעור ביטוי בקנה אחד עם פקודות התגובה.

מכאן המולקולריות צריכה תמיד להיות מספר שלם, ו probabilistically, פחות מארבע.

למה? כי במעבר של מנגנון זה מאוד לא סביר כי ארבע מולקולות להשתתף בו זמנית; יכול להגיב שניים מהם קודם, ואז שני האחרים היו מגיבים עם מוצר זה.

מבחינה מתמטית זהו אחד ההבדלים העיקריים בין פקודות התגובה למולקולות: סדר תגובה יכול לקחת ערכים שברים (1/2, 5/2 וכו ').

הסיבה לכך היא כי הראשון רק משקף כיצד הריכוז של המין משפיע על המהירות, אבל לא איך המולקולות שלהם להתערב בתהליך.

יישומים

- זה מאפשר לקבוע את הזמן כי התרופה נותרת באורגניזם לפני חילוף החומרים שלה. כמו כן, בזכות מחקרים קינטיים, קטליזה אנזימטית ניתן לעקוב אחר שיטות ירוקות נגד זרזים אחרים עם השפעות סביבתיות שליליות; או לשמש גם בתהליכים תעשייתיים רבים.

- בענף הרכב, במיוחד בתוך המנוע, איפה התגובות אלקטרוכימיים יש להביא במהירות מתחיל הרכב. גם tailpipes שלהם, אשר יש ממירים קטליטיים להפוך CO גזים מזיקים, לא ולא_x ב CO₂, ח₂O, N₂ ו O₂ בזמן האופטימלי.

2NN₃(ים) = 2Na (ים) + 3N₂(ז)

-זוהי התגובה מאחורי כריות אוויר מנופחים, כאשר כלי הרכב מתנגשים. כאשר הבלמים צמיגים בבת אחת, גלאי מפוצץ חשמלית אזיד, NaN₃. מגיב זה "מתפוצץ" שחרור N₂, אשר תופסת את כל נפח התיק במהירות.

לאחר מכן, הנתרן המתכתי מגיב עם מרכיבים אחרים כדי לנטרל אותו, משום שבמצבו הטהור הוא רעיל.

הפניות

1. וולטר מור מור. (1963). כימיה פיסיקלית ב קינטיקה כימית. מהדורה רביעית, Longmans.
2. אירה נ 'לוין. (2009). עקרונות הפיסיקוכימיה. מהדורה שישית, עמ '479-540. מק גרב היל.
3. UAwiki (23 בדצמבר 2011). התנגשויות מולקולריות - [Figua] אחזור ב -30 באפריל 2018, מ: enwwikipedia.org
4. גלססטון. (1970). ספר לימוד בכימיה פיסיקלית. ב קינטיקה כימית. מהדורה שנייה. ד ון נוסטרנד, החברה, Inc.
5. אן מארי הלמנסטין, Ph.D. (8 במרץ 2017). הגדרת קינטיקה כימית. אוחזר ב -30 באפריל 2018, מתוך: thinkco.com
6. האקדמיה לחאן. (2018). שיעורי התגובה וחוקי התעריף. אחזור ב -30 באפריל 2018, מתוך: khanacademy.org
7. ג'רמן פרננדז. (26 ביולי 2010). קינטיקה כימית אחזור ב -30 באפריל 2018, מתוך: quimicafisica.com