KIMYASAL KINETIK: FAKTÖRLER, REAKSIYON SIRASI VE UYGULAMALAR - KIMYA - 2025

Kimyasal kinetik reaksiyon oranlarının çalışmadır. Matematiksel denklemlerle ifade edilen yasalar aracılığıyla moleküler mekanizma hakkında deneysel veya teorik verileri çıkarın. Mekanizmalar, bazıları hızlı ve bazıları yavaş olan bir dizi adımdan oluşur.

Bunlardan en yavaş olanına hız belirleme adımı denir. Bu nedenle ara türlerin ve bu adımın işleyiş mekanizmasının bilinmesi kinetik açıdan çok önemlidir. Yukarıdakilerin bir görselleştirmesi, reaktiflerin bir şişe içine alındığını ve reaksiyona girdiğinde ürünlerin dışarıya kaçtığını varsaymaktır.

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

Kimyasal kinetik neyi inceler?

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

Kimyasal kinetik, bir reaksiyonun hızından türetilebilecek tüm bilgileri incelemekten sorumlu kimya dalıdır. Adı sizi, nerede meydana gelirse gelsin, bir sürecin zamanını işaretleyen bir cep saati hayal etmeye davet ediyor: bir reaktörde, bir bulutta, bir nehirde, insan vücudunda vb.

Tüm kimyasal reaksiyonlar ve dolayısıyla tüm dönüşümler termodinamik, denge ve kinetik yönlere sahiptir. Termodinamik, bir reaksiyonun spontan olup olmadığını gösterir; denge, niceleme derecesi; ve hızını ve mekanizmasıyla ilgili verileri destekleyen koşullar kinetik.

Kimyasal kinetiğin temel özelliklerinin çoğu, günlük yaşamda gözlemlenebilir: bir parçası olan suyu dondurarak bozunmasını azaltmak için yiyecekleri donduran buzdolabında. Ayrıca, yaşlanmasına hoş tatlar veren şarapların olgunlaşmasında.

Bununla birlikte, "moleküllerin zamanı" küçük ölçeklerinde çok farklıdır ve birçok faktöre göre (bağ sayısı ve türü, boyutlar, maddenin halleri vb.) Büyük ölçüde değişir.

Çünkü zaman hayattır ve aynı zamanda paradır, hangi değişkenlerin bir kimyasal reaksiyonun olabildiğince hızlı ilerlemesine izin verdiğini bilmek son derece önemlidir. Ancak bazen tam tersi istenir: özellikle ekzotermik ise ve patlama riski varsa reaksiyon çok yavaş gerçekleşir.

Bu değişkenler nelerdir? Bir reaktör veya sistemin sahip olması gereken basınç veya sıcaklık gibi bazıları fizikseldir; ve diğerleri, çözücü türü, pH, tuzluluk, moleküler yapı vb. gibi kimyasaldır.

Bununla birlikte, bu değişkenleri bulmadan önce, önce mevcut reaksiyonun kinetiğini incelemeliyiz.

Nasıl? Birinciyle orantılı olan belirli bir özellik ölçülürse takip edilebilen konsantrasyon değişimi yoluyla. Tarih boyunca, yöntemler daha karmaşık hale geldi, daha doğru ve hassas ölçümlere izin verdi ve giderek daha kısa aralıklarla.

Reaksiyon hızı

Kimyasal bir reaksiyonun hızını belirlemek için, ilgili türlerin herhangi birinin konsantrasyonunun zaman içinde nasıl değiştiğini bilmek gerekir. Bu hız büyük ölçüde birçok faktöre bağlıdır, ancak en önemlisi "yavaş" gerçekleşen reaksiyonlar için ölçülebilir olmasıdır.

Burada "yavaş" kelimesi görecelidir ve mevcut enstrümantal tekniklerle ölçülebilen her şey için tanımlanmıştır. Örneğin, reaksiyon ekipmanın ölçüm kapasitesinden çok daha hızlıysa, bu durumda nicel olmayacak ve kinetiği çalışılamayacaktır.

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

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

Öte yandan, bu bilgi, bir reaksiyonun verimini artırırken değerli olan moleküler mekanizmayı ortaya çıkarır.

Tanım

Hız, zamanın bir fonksiyonu olarak büyüklüğün değişmesidir. Bu çalışmalar için ilgi, saatler ve dakikalar geçtikçe konsantrasyonun değişimini belirlemektir; nano, pico veya hatta femtosaniye ( ^10-15 s).

Birçok birimi olabilir, ancak en basit ve en kolayı M · s ^-1 veya mol / L · s'ye eşittir. Birimlerine bakılmaksızın, fiziksel bir nicelik (boyutlar veya kütle gibi) olduğundan her zaman pozitif bir değere sahip olmalıdır.

Bununla birlikte, geleneksel olarak, bir reaktan için kaybolma oranlarının negatif bir işareti vardır ve bir ürün için görünme oranlarının pozitif bir işareti vardır.

Ancak reaktanların ve ürünlerin kendi hızları varsa, genel reaksiyon hızı nasıl belirlenir? Cevap stokiyometrik katsayılardadır.

Genel denklem

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

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

Molar konsantrasyonlar genellikle köşeli parantez içinde ifade edilir, bu nedenle, örneğin, A türünün konsantrasyonu olarak yazılır. Bu nedenle, ilgili kimyasal türlerin her biri için reaksiyon hızı şöyledir:

Matematiksel denkleme göre, reaksiyon hızına ulaşmak için dört yol vardır: reaktanlardan herhangi birinin (A veya B) veya ürünlerin (C veya D) konsantrasyonundaki değişim ölçülür.

Daha sonra, bu değerlerden biri ve onun doğru stoikiometrik katsayısı ile ikincisine bölün ve böylece reaksiyon hızı rxn'yi elde edin.

Reaksiyon hızı pozitif bir miktar olduğundan, negatif işaret reaktanların negatif oran değerlerini çarpar; bu nedenle a ve b katsayıları (-1) ile çarpılır.

Örneğin, A'nın kaybolma oranı - (5M / s) ise ve stoikiometrik katsayısı a 2 ise, o zaman rxn oranı 2.5M / s'ye ((-1/2) x 5) eşittir.

Tatlı örneği

Ürün bir tatlı olsaydı, benzer şekilde bileşenler reaktifler olurdu; ve kimyasal denklem, tarif:

7 Kurabiye + 3 Kek + 1 Dondurma => 1 Tatlı

Ve tatlı bileşenlerin her biri ve tatlının kendisi için hızlar:

Böylece, tatlıların yapılma hızı, kurabiyelerin, keklerin, dondurmanın veya setin kendisinin varyasyonuyla belirlenebilir; daha sonra stokiyometrik katsayılarına (7, 3, 1 ve 1) bölünür. Ancak rotalardan biri diğerinden daha kolay olabilir.

Örneğin, farklı zaman aralıklarında nasıl arttığını ölçerseniz, bu ölçümler karmaşık olabilir.

Öte yandan, sayıları veya konsantrasyonlarının belirlenmesini kek veya dondurmaya göre daha kolay hale getiren özelliklerinden dolayı ölçüm yapmak daha zamanında ve pratik olabilir.

Nasıl belirlenir

Basit reaksiyon A => B verildiğinde, örneğin sulu çözelti içinde A yeşil bir renk gösteriyorsa, bu onun konsantrasyonuna bağlıdır. Böylece, A, B olduğunda, yeşil renk kaybolur ve bu kaybolma ölçülürse, o zaman a vs t eğrisi elde edilebilir.

Öte yandan, B asidik bir tür ise, çözeltinin pH'ı 7'nin altındaki değerlere düşecektir. Böylece, pH'daki düşüşten, ardışık olarak t'ye karşı grafik elde edilir. Ardından, her iki grafiği üst üste bindirerek aşağıdaki gibi bir şey görebiliriz:

Grafik, tüketildiği için zamanla nasıl azaldığını ve ürün olduğu için eğrinin pozitif bir eğimle nasıl arttığını gösterir.

Ayrıca sıfıra meylettiği (eğer denge yoksa) ve stokiyometri tarafından yönetilen bir maksimum değere ulaştığı ve reaksiyon tamamlandığında (tüm A tüketilir) takdir edilmektedir.

Hem A hem de B'nin reaksiyon hızı, bu eğrilerden herhangi biri üzerindeki teğet doğrudur; başka bir deyişle, türev.

Reaksiyon Hızını Etkileyen Faktörler

Kimyasal türlerin doğası

Tüm kimyasal reaksiyonlar anlık olsaydı kinetik çalışmaları olmayacaktı. Birçoğunun ölçülemeyecek kadar yüksek hızları vardır; yani ölçülemezler.

Bu nedenle, iyonlar arasındaki reaksiyonlar genellikle çok hızlı ve tamamlanır (yaklaşık% 100 verimle). Öte yandan, organik bileşikler içerenler biraz zaman gerektirir. İlk türden bir tepki:

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

İyonlar arasındaki güçlü elektrostatik etkileşimler, hızlı su ve sodyum sülfat oluşumunu destekler. Bunun yerine, ikinci türden bir reaksiyon, örneğin, asetik asidin esterleştirilmesidir:

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

Su da oluşmasına rağmen, reaksiyon anlık değildir; uygun koşullar altında bile tamamlanması birkaç saat sürer.

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

Reaktif konsantrasyonu

Kimyasal kinetikte, sonsuzdan ayrılmış, incelenen uzaya sistem denir. Örneğin, bir reaktör, bir beher, bir şişe, bir bulut, bir yıldız vb., İncelenen sistem olarak kabul edilebilir.

Bu nedenle, sistem içinde moleküller statik değildir, daha çok tüm köşelerine "seyahat eder". Bu yer değiştirmelerin bazılarında, geri sekmek veya ürün üretmek için başka bir molekülle çarpışır.

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

Ayrıca, ne kadar çok çarpışma olursa, iki molekülün reaksiyona girme şansı arttıkça reaksiyon hızı da o kadar yüksek olur.

Reaktifler gaz halinde ise, basınç değişkeni ele alınır ve mevcut birçok denklemden (ideal gaz gibi) herhangi biri varsayılarak gaz konsantrasyonu ile ilişkilidir; Ya da gaz moleküllerinin çarpışma olasılığını artırmak için sistemin hacmi azaltılır.

Sıcaklık

Çarpışma sayısı artmasına rağmen, tüm moleküller, sürecin aktivasyon enerjisini aşmak için gereken enerjiye sahip değildir.

Sıcaklığın önemli bir rol oynadığı yer burasıdır: Molekülleri daha fazla enerjiyle çarpışmaları için termal olarak hızlandırma işlevini yerine getirir.

Bu nedenle, reaksiyon hızı genellikle sistem sıcaklığındaki her 10 ° C'lik artış için ikiye katlanır. Ancak, tüm tepkiler için bu her zaman geçerli değildir. Bu artış nasıl tahmin edilir? Arrhenius denklemi şu soruyu yanıtlar:

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

K, T sıcaklığındaki hız sabitidir, R gaz sabiti ve E aktivasyon enerjisidir. Bu enerji, reaktanların reaksiyona girmesi için ölçeklenmesi gereken enerji bariyerinin bir göstergesidir.

Kinetik bir çalışma yapabilmek için sıcaklığın katalizörsüz ve sabit tutulması gerekir. Katalizörler nelerdir? Reaksiyonda yer alan ancak tüketilmeyen, aktivasyon enerjisini azaltan dış türlerdir.

Yukarıdaki görüntü, glikozun oksijen ile reaksiyonu için kataliz kavramını göstermektedir. Kırmızı çizgi, enzim (biyolojik katalizör) olmadan aktivasyon enerjisini temsil ederken, bununla birlikte mavi çizgi aktivasyon enerjisinde bir düşüşü gösterir.

Kimyasal kinetikte reaksiyon sırası

Kimyasal bir denklemde, reaksiyon mekanizmasıyla ilgili stokiyometrik indisler, aynı sıranın indislerine eşit değildir. Kimyasal reaksiyonlar genellikle birinci veya ikinci dereceye sahiptir, nadiren üçüncü derece veya daha yüksektir.

Bu ne için? Çünkü enerjisel olarak uyarılmış üç molekülün çarpışması olası değildir ve olasılığın sonsuz küçük olduğu yerlerde dörtlü veya beşli çarpışmalar daha da fazladır. Kesirli reaksiyon sıraları da mümkündür. Örneğin:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

Reaksiyon, bir denge olarak kabul edilirse, bir yönde (soldan sağa) birinci mertebe ve diğerinde (sağdan sola) ikinci derecedir. Aşağıdaki denge her iki yönde de ikinci mertebeden olsa da:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Molekülerlik ve reaksiyon sırası aynı mı? Hayır. Molekülerlik, ürünleri üretmek için reaksiyona giren moleküllerin sayısıdır ve genel reaksiyon sırası, hız belirleme adımında yer alan reaktanların aynı sırasına sahiptir.

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

Bu reaksiyon, yüksek stokiyometrik indislere (molekülerlik) sahip olmasına rağmen, aslında ikinci dereceden bir reaksiyondur. Diğer bir deyişle, hız belirleme adımı ikinci derecedir.

Sıfır dereceden reaksiyonlar

Heterojen reaksiyonlar durumunda ortaya çıkarlar. Örneğin: bir sıvı ile bir katı arasında. Bu nedenle oran, reaktanların konsantrasyonlarından bağımsızdır.

Benzer şekilde, bir reaktan sıfır reaksiyon sırasına sahipse, bu, hız belirleme adımına değil, hızlı olanlara katıldığı anlamına gelir.

Birinci dereceden reaksiyon

A => B

Birinci dereceden bir reaksiyon, aşağıdaki oran yasasına tabidir:

V = k

A konsantrasyonu iki katına çıkarsa, reaksiyon hızı V ikiye katlanır. Bu nedenle hız, reaksiyonun belirleme adımında reaktifin konsantrasyonu ile orantılıdır.

İkinci dereceden reaksiyon

2A => B

A + B => C

Az önce yazılan iki kimyasal denklemde olduğu gibi, bu tür reaksiyona iki tür dahil olur. Tepkiler için hız yasaları:

V = k ²

V = k

Birincisinde, reaksiyon hızı A'nın konsantrasyonunun karesiyle orantılıyken, ikincisinde, birinci dereceden reaksiyonlarda olduğu gibi aynı şey olur: hız, hem A hem de B'nin konsantrasyonlarıyla doğru orantılıdır.

Reaksiyon sırası ile molekülerlik

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

Bununla birlikte, bu, bir reaksiyondaki herhangi bir adımın moleküler mekanizmasını belirleyen temel reaksiyonlar için meydana gelir. Bu reaksiyonlarda katsayılar, katılan moleküllerin sayısına eşittir.

Örneğin, bir A molekülü, bir C molekülü oluşturmak için B'den biriyle reaksiyona girer. Burada, reaktanlar için molekülerlik 1'dir ve bu nedenle, hız yasasının ifadesinde reaksiyon sıralarına denk gelirler.

Bundan, molekülerliğin her zaman bir tamsayı ve olasılıksal olarak dörtten küçük olması gerektiği sonucu çıkar.

Neden? Çünkü bir mekanizmanın geçişinde aynı anda dört molekülün katılması pek olası değildir; Bunlardan ikisi önce tepki verebilir, sonra kalan ikisi bu ürünle tepkimeye girerdi.

Matematiksel olarak bu, reaksiyon sıraları ve molekülerlik arasındaki temel farklardan biridir: bir reaksiyon sırası kesirli değerler alabilir (1/2, 5/2, vb.).

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

Uygulamalar

- Bir ilacın tam metabolize olmadan önce vücutta kaldığı süreyi belirlemeye olanak sağlar. Aynı şekilde kinetik çalışmalar sayesinde enzimatik kataliz, olumsuz çevresel etkilere sahip diğer katalizörlere göre daha yeşil yöntemler olarak izlenebilmektedir; ya da sayısız endüstriyel süreçte kullanılmak üzere.

- Otomotiv endüstrisinde, özellikle de aracın çalışması için elektrokimyasal reaksiyonların hızlı bir şekilde gerçekleştirilmesi gereken motorlarda. Ayrıca CO, NO ve zararlı gazlar dönüştürmek için katalitik dönüştürücüler var olan egzoz borusu içinde _x CO içine ₂ H ₂ , O, N ₂ ve O ₂ uygun bir süre boyunca.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

-Araçlar çarpıştığında hava yastıklarının, yani 'hava yastıklarının' açılmasının ardındaki tepkidir. Lastikler sert fren yaptığında, bir detektör elektriksel olarak sodyum azidi, NaN _3'ü patlatır . Bu reaktif , torbanın tüm hacmini hızla kaplayan N _2'yi serbest bırakarak "patlar" .

Metalik sodyum daha sonra diğer bileşenlerle reaksiyona girerek onu nötralize eder, çünkü saf haliyle zehirlidir.

Referanslar

1. Walter J. Moore. (1963). Fiziksel kimya. Kimyasal kinetikte. Dördüncü baskı, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Fizikokimyanın ilkeleri. Altıncı baskı, s. 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23 Aralık 2011). Moleküler-çarpışmalar-olduğunu. . 30 Nisan 2018'de es.m.wikipedia.org adresinden alındı.
4. Glasstone. (1970). Fiziksel kimya ders kitabı. Kimyasal kinetikte. İkinci baskı. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8 Mart 2017). Kimyasal kinetik tanımı. 30 Nisan 2018'de, düşünceco.com adresinden alındı.
6. Khan Akademisi. (2018). Tepki oranları ve oran yasaları. 30 Nisan 2018'de khanacademy.org adresinden alındı.
7. Germán Fernández. (26 Temmuz 2010). Kimyasal kinetik. 30 Nisan 2018'de quimicafisica.com adresinden alındı