Chemische Kinetikfaktoren, Reaktionsreihenfolge, Anwendungen

Die chemische Kinetik Es ist das Studium der Geschwindigkeiten einer Reaktion. Es leitet experimentelle oder theoretische Daten über den molekularen Mechanismus durch Gesetze, die durch mathematische Gleichungen ausgedrückt werden, her. Die Mechanismen bestehen aus einer Reihe von Schritten, von denen einige schnell und andere langsam sind.

Der langsamste von diesen wird der geschwindigkeitsbestimmende Schritt genannt. Daher ist es sehr wichtig, die intermediären Spezies und den operanten Mechanismus dieses Schritts zu kennen, was die Kinetik betrifft. Eine Visualisierung des Obigen ist anzunehmen, dass die Reagenzien in einer Flasche eingeschlossen sind und dass die Produkte bei der Reaktion nach außen entweichen.

Mit Fortschreiten des Mechanismus nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit auf einen minimalen Wert ab. Dieser Minimalwert ist der bestimmende Schritt der Geschwindigkeit und wird als Flaschenhals dargestellt; Je enger der Hals, desto langsamer wird dieser Schritt.

Schließlich treten die Produkte ohne weitere kinetische Hindernisse frei aus dem Mund der Flasche aus. Aus dieser Perspektive gibt es Flaschen in vielen Größen und Designs. Sie alle haben jedoch eines gemeinsam: einen schmalen Hals, der den entscheidenden Schritt der Reaktion anzeigt.

Index

• 1 Was untersucht die chemische Kinetik?
• 2 Reaktionsgeschwindigkeit
  • 2.1 Definition
  • 2.2 Allgemeine Gleichung
  • 2.3 Dessertbeispiel
  • 2.4 Wie man es bestimmt
• 3 Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen
  • 3.1 Art der chemischen Spezies
  • 3.2 Konzentration der Reagenzien
  • 3.3 Temperatur
• 4 Reaktionsordnung in der chemischen Kinetik
  • 4.1 Reaktionen nullter Ordnung
  • 4.2 Reaktion erster Ordnung
  • 4.3 Reaktion zweiter Ordnung
  • 4.4 Reihenfolge der Reaktion gegen Molekularität
• 5 Anwendungen
• 6 Referenzen

Was untersucht die chemische Kinetik?

Experimentell untersucht dieser Zweig der Chemie die Konzentrationsvariationen, die bei einer chemischen Reaktion auftreten, aus der Messung einer bestimmten Eigenschaft.

Die chemische Kinetik ist der Zweig der Chemie, der für die Untersuchung aller Informationen verantwortlich ist, die aus der Geschwindigkeit einer Reaktion abgeleitet werden können. Sein Name lädt dazu ein, sich eine Taschenuhr vorzustellen, die die Zeit eines Prozesses markiert, egal wo er auftritt: in einem Reaktor, in einer Wolke, in einem Fluss, im menschlichen Körper usw.

Alle chemischen Reaktionen und damit alle Umwandlungen haben thermodynamische, Gleichgewichts- und kinetische Aspekte. Die Thermodynamik zeigt an, ob eine Reaktion spontan ist oder nicht; der Rest sein Quantifizierungsgrad; und die kinetischen Bedingungen, die seine Geschwindigkeit begünstigen, sowie die Daten über seinen Mechanismus.

Viele der wesentlichen Aspekte der chemischen Kinetik können im täglichen Leben beobachtet werden: im Kühlschrank, der die Nahrung einfriert, um ihre Zersetzung zu reduzieren und das Wasser gefriert, das ein Teil von ihnen ist. Auch bei der Reifung von Weinen, deren Alterung ihnen ihren angenehmen Geschmack verleiht.

Die "Zeit der Moleküle" ist jedoch in ihren winzigen Maßstäben sehr unterschiedlich und variiert enorm nach vielen Faktoren (Anzahl und Arten von Verbindungen, Größen, Aggregatzuständen usw.).

Weil Zeit Leben ist und es auch Geld ist, ist es sehr wichtig zu wissen, welche Variablen eine chemische Reaktion so schnell wie möglich ablaufen lassen. Manchmal ist jedoch das Gegenteil erwünscht: Die Reaktion verläuft sehr langsam, insbesondere wenn sie exotherm ist und Explosionsgefahr besteht.

Was sind diese Variablen? Einige sind physikalisch, z. B. bei welchem ​​Druck oder Temperatur ein Reaktor oder System haben muss; und andere sind chemisch, wie die Art des Lösungsmittels, pH-Wert, Salzgehalt, Molekülstruktur usw.

Bevor wir jedoch mit diesen Variablen beginnen, müssen wir zunächst die Kinetik der vorliegenden Reaktion untersuchen.

Wie? Durch die Konzentrationsvariation, die befolgt werden kann, wenn eine bestimmte Eigenschaft quantifiziert wird, die proportional zu der ersten ist. Im Laufe der Geschichte sind die Methoden immer ausgefeilter geworden, was präzisere und präzisere Messungen mit immer kürzeren Intervallen ermöglicht.

Reaktionsgeschwindigkeit

Um die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion zu bestimmen, ist es notwendig zu wissen, wie sich die Konzentration einer der beteiligten Spezies zeitlich ändert. Diese Geschwindigkeit hängt in hohem Maße von vielen Faktoren ab, aber das Wichtigste ist, dass sie für jene Reaktionen messbar ist, die "langsam" stattfinden.

Hier ist das Wort "langsam" relativ und ist für alles definiert, was mit den verfügbaren instrumentellen Techniken gemessen werden kann. Wenn zum Beispiel die Reaktion viel schneller ist als die Messkapazität der Ausrüstung, dann wird sie nicht quantitativ sein, noch kann ihre Kinetik untersucht werden.

Dann wird die Reaktionsrate an der Schwelle irgendeines Prozesses bestimmt, bevor sie das Gleichgewicht erreicht. Warum? Weil im Gleichgewicht die Geschwindigkeit der direkten Reaktion (Bildung von Produkten) und die der umgekehrten Reaktion (Bildung von Reaktanten) gleich ist.

Durch Steuern der Variablen, die auf das System einwirken, und folglich seiner Kinetik oder der Geschwindigkeit der Reaktion können die idealen Bedingungen gewählt werden, um eine bestimmte Produktmenge zu der gewünschten und sichersten Zeit zu erzeugen.

Auf der anderen Seite zeigt dieses Wissen den molekularen Mechanismus, der wertvoll ist, wenn die Reaktionsleistung erhöht wird.

Definition

Geschwindigkeit ist die Veränderung einer Größe als Funktion der Zeit. Für diese Studien besteht das Interesse darin, die Variation der Konzentration als Stunden, Minuten zu bestimmen; der Nano, Peak oder sogar Femtosekunden (10^-15s).

Es kann viele Einheiten haben, aber die einfachste und einfachste ist M · s^-1oder was ist gleich mol / L · s. Unabhängig von seinen Einheiten muss es immer einen positiven Wert haben, da es sich um eine physikalische Größe (wie Dimensionen oder Masse) handelt.

Übereinstimmend haben jedoch die Verschwinderaten für ein Reagens ein negatives Vorzeichen und die Erscheinungsraten für ein Produkt ein positives Vorzeichen.

Aber wenn die Reaktanten und die Produkte ihre eigenen Geschwindigkeiten haben, wie kann man dann die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion bestimmen? Die Antwort liegt in den stöchiometrischen Koeffizienten.

Allgemeine Gleichung

Die folgende chemische Gleichung drückt die Reaktion von A und B aus, um C und D zu bilden:

aA + bB => cC + dD

Molare Konzentrationen werden üblicherweise in Klammern ausgedrückt, so dass z. B. die Konzentration der Spezies A als [A] geschrieben wird. Somit ist die Reaktionsrate für jede der beteiligten chemischen Spezies:

Gemäß der mathematischen Gleichung gibt es vier Wege, um die Geschwindigkeit der Reaktion zu erreichen: Die Variation der Konzentration eines der Reaktanten (A oder B) oder der Produkte (C oder D) wird gemessen.

Dann wird mit einem dieser Werte und seinem korrekten stöchiometrischen Koeffizienten dieser geteilt und um die Reaktionsgeschwindigkeit rxn zu erhalten.

Da die Reaktionsrate eine positive Größe ist, multipliziert das negative Vorzeichen die negativen Geschwindigkeitswerte der Reaktanten; Aus diesem Grund die Koeffizienten a und b multiplizieren mit (-1).

Zum Beispiel, wenn die Rate des Verschwindens von A ist - (5M / s), und sein stöchiometrischer Koeffizient a ist 2, dann ist die Geschwindigkeit rxn gleich 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Nachtisch Illustration

Wenn das Produkt ein Dessert wäre, wären die Bestandteile analog die Reaktanten; und die chemische Gleichung, das Rezept:

7Kekse + 3Brownies + 1 Salat => 1Postre

Und die Geschwindigkeiten für jede der süßen Zutaten und das gleiche Dessert sind:

Somit kann die Geschwindigkeit, mit der das Dessert zubereitet wird, mit der Variation von entweder den Keksen, den Brownies, der Eiscreme oder dem Set selbst bestimmt werden; Unterteilen sie als nächstes unter ihren stöchiometrischen Koeffizienten (7, 3, 1 und 1). Eine der Routen ist jedoch möglicherweise einfacher als die andere.

Wenn Sie beispielsweise messen, wie [Nachspeise] in verschiedenen Zeitintervallen ansteigt, können diese Messungen kompliziert sein.

Auf der anderen Seite kann es praktischer und praktischer sein, [Kekse] zu messen, aufgrund ihrer Anzahl oder einiger ihrer Eigenschaften, die ihre Konzentration leichter bestimmen lassen als die von Brownies oder Eiscreme.

Wie man es bestimmt

Bei der einfachen Reaktion A => B, wenn A beispielsweise in wässriger Lösung eine Grünfärbung aufweist, hängt dies von seiner Konzentration ab. Wenn also A zu B wird, verschwindet die grüne Farbe und wenn dieses Verschwinden quantifiziert wird, kann eine Kurve von [A] gegen t erhalten werden.

Wenn B andererseits eine saure Spezies ist, wird der pH-Wert der Lösung auf Werte unter 7 fallen. Somit erhalten wir aus der Abnahme des pH-Werts [B] und anschließend den Graphen [B] gegen t. Überlagernd werden dann beide Graphen wie folgt bewertet:

In der Grafik können Sie sehen, wie [A] mit der Zeit abnimmt, weil es verbraucht wird und wie Kurve [B] mit positiver Steigung ansteigt, weil es das Produkt ist.

Es ist auch ersichtlich, dass [A] gegen Null geht (wenn kein Gleichgewicht vorliegt) und dass [B] einen maximalen Wert erreicht, der durch die Stöchiometrie bestimmt wird und wenn die Reaktion vollständig ist (alles A wird verbraucht).

Die Reaktionsgeschwindigkeit von sowohl A als auch B ist die Tangente an jeder dieser Kurven; mit anderen Worten, die Ableitung.

Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen

Art der chemischen Spezies

Wenn alle chemischen Reaktionen augenblicklich wären, würden ihre kinetischen Studien nicht existieren. Viele haben Geschwindigkeiten so hoch, dass sie nicht gemessen werden können; das heißt, sie sind nicht messbar.

Daher sind die Reaktionen zwischen den Ionen gewöhnlich sehr schnell und vollständig (mit einer Ausbeute von etwa 100%). Auf der anderen Seite benötigen diejenigen mit organischen Verbindungen einige Zeit. Eine Reaktion des ersten Typs ist:

H₂SO₄ + 2NaOH => Na₂SO₄ + 2H₂O

Die starken elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen den Ionen begünstigen die schnelle Bildung von Wasser und Natriumsulfat. Im Gegensatz dazu ist eine Reaktion des zweiten Typs beispielsweise die Veresterung von Essigsäure:

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Obwohl auch Wasser gebildet wird, ist die Reaktion nicht sofort; selbst unter günstigen Bedingungen vergehen mehrere Stunden.

Andere Variablen haben jedoch einen größeren Einfluss auf die Geschwindigkeit der Reaktion: Konzentration der Reaktanten, Temperatur, Druck und die Anwesenheit von Katalysatoren.

Konzentration der Reagenzien

In der chemischen Kinetik wird der untersuchte Raum, getrennt vom Unendlichen, System genannt. Zum Beispiel kann ein Reaktor, ein Becher, eine Flasche, eine Wolke, ein Stern usw. als das untersuchte System betrachtet werden.

Innerhalb des Systems sind Moleküle also nicht statisch, sondern "wandern" in alle Ecken. In einigen dieser Verschiebungen kollidiert mit einem anderen Molekül zu springen oder Produkte hervorzubringen.

Dann ist die Anzahl der Kollisionen proportional zur Konzentration der Reaktanten. Das obere Bild zeigt, wie sich das System von niedrigen zu hohen Konzentrationen ändert.

Solange mehr Kollisionen auftreten, wird die Reaktionsrate höher sein, da die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Moleküle reagieren, zunimmt.

Wenn die Reagenzien gasförmig sind, wird der variable Druck gehandhabt und auf die Gaskonzentration bezogen, wobei eine der vielen existierenden Gleichungen (wie das ideale Gas) angenommen wird; oder auch das Volumen des Systems wird reduziert, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Gasmoleküle kollidieren.

Temperatur

Obwohl die Anzahl der Kollisionen zunimmt, haben nicht alle Moleküle die Energie, die benötigt wird, um die Aktivierungsenergie des Prozesses zu überwinden.

Hier spielt die Temperatur eine wichtige Rolle: Sie erfüllt die Aufgabe, die Moleküle thermisch so zu beschleunigen, dass sie mit mehr Energie kollidieren.

Somit verdoppelt sich im Allgemeinen die Reaktionsrate für jede Erhöhung der Temperatur des Systems um 10 ° C. Bei allen Reaktionen ist dies jedoch nicht immer der Fall. Wie prognostiziere ich diesen Anstieg? Die Arrhenius-Gleichung beantwortet die Frage:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K ist die Geschwindigkeitskonstante bei der Temperatur T, R ist die Konstante der Gase und E ist die Aktivierungsenergie. Diese Energie ist ein Hinweis auf die Energiebarriere, die die Reaktanten zur Reaktion skalieren müssen.

Um eine kinetische Studie durchzuführen, ist es notwendig, die Temperatur konstant und ohne Katalysatoren zu halten. Was sind die Katalysatoren? Sie sind externe Spezies, die in die Reaktion eingreifen, aber nicht verbraucht werden und die Aktivierungsenergie verringern.

Im oberen Bild ist das Konzept der Katalyse für die Reaktion von Glucose mit Sauerstoff dargestellt. Die rote Linie stellt die Aktivierungsenergie ohne das Enzym (biologischer Katalysator) dar, während mit ihr die blaue Linie eine Abnahme der Aktivierungsenergie zeigt.

Reaktionsordnung in der chemischen Kinetik

In einer chemischen Gleichung sind die stöchiometrischen Indizes, die mit dem Reaktionsmechanismus in Beziehung stehen, nicht gleich den Indizes der Reihenfolge derselben. Chemische Reaktionen haben normalerweise erste oder zweite Ordnung, selten dritter Ordnung oder höher.

Warum ist es? Dass die Kollisionen von drei energetisch angeregten Molekülen unwahrscheinlich sind, und noch mehr sind Vierfach- oder Fünffachzusammenstöße, bei denen die Wahrscheinlichkeit infinitesimal ist. Fraktionale Reaktionsordnungen sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel:

NH₄Cl <=> NH₃ + HCl

Die Reaktion ist erste Ordnung in einer Richtung (von links nach rechts) und zweite Ordnung in der anderen Richtung (rechts nach links), wenn es sich um ein Gleichgewicht handelt. Während das folgende Gleichgewicht in beiden Richtungen von zweiter Ordnung ist:

2HI <=> H₂ + Ich₂

Molekularität und Reaktionsordnung sind gleich? Nein. Die Molekülzahl ist die Anzahl der Moleküle, die reagieren, um Produkte hervorzubringen, und die Reihenfolge der globalen Reaktion ist die gleiche Reihenfolge der an der schrittbestimmenden Geschwindigkeit beteiligten Reagenzien.

2 KMnO₄ + 10KI + 8H₂SO₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂SO₄ + 8H₂O

Diese Reaktion ist trotz der hohen stöchiometrischen Indizes (Molekularität) tatsächlich eine Reaktion zweiter Ordnung. Mit anderen Worten, der Geschwindigkeitsbestimmungsschritt ist zweiter Ordnung.

Reaktionen nullter Ordnung

Sie treten bei heterogenen Reaktionen auf. Zum Beispiel: zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff. Somit ist die Geschwindigkeit unabhängig von den Konzentrationen der Reaktanten.

Wenn ein Reagenz eine Reaktionsordnung von null hat, bedeutet dies, dass es nicht an dem Geschwindigkeitsbestimmungsschritt, sondern an den schnellen beteiligt ist.

Reaktion erster Ordnung

A => B

Eine Reaktion erster Ordnung unterliegt dem folgenden Geschwindigkeitsgesetz:

V = k [A]

Wenn sich die Konzentration von A verdoppelt, ist die Reaktionsrate V ebenfalls gleich. Daher ist die Geschwindigkeit proportional zur Konzentration des Reagens in dem Schritt, der die Reaktion bestimmt.

Reaktion zweiter Ordnung

2A => B

A + B => C

Zwei Spezies greifen in diese Art von Reaktion ein, wie in den beiden gerade geschriebenen chemischen Gleichungen. Die Geschwindigkeitsgesetze für Reaktionen sind:

V = k [A]²

V = k [A] [B]

In der ersten ist die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Quadrat der Konzentration von A, während in der zweiten dasselbe geschieht wie in den Reaktionen erster Ordnung: die Geschwindigkeit ist direkt proportional zu den Konzentrationen von A und B.

Reaktionsordnung gegen Molekularität

Gemäß dem vorhergehenden Beispiel können die stöchiometrischen Koeffizienten mit den Ordnungen der Reaktion übereinstimmen oder nicht.

Dies geschieht jedoch für Elementarreaktionen, die den molekularen Mechanismus eines jeden Reaktionsschrittes bestimmen. In diesen Reaktionen sind die Koeffizienten gleich der Anzahl der beteiligten Moleküle.

Zum Beispiel reagiert ein Molekül von A mit einem von B, um ein Molekül von C zu bilden. Hier ist die Molekularität 1 für die Reaktanten und dann stimmen sie in der Ausprägung des Geschwindigkeitsgesetzes mit den Reaktionsordnungen überein.

Daraus folgt, dass die Molekularität immer eine ganze Zahl und probabilistisch weniger als vier sein muss.

Warum? Weil es im Verlauf eines Mechanismus sehr unwahrscheinlich ist, dass vier Moleküle gleichzeitig teilnehmen; Sie könnten zuerst zwei von ihnen reagieren, und dann würden die anderen zwei mit diesem Produkt reagieren.

Mathematisch ist dies einer der Hauptunterschiede zwischen Reaktionsordnungen und Molekularität: Eine Reaktionsordnung kann gebrochene Werte annehmen (1/2, 5/2 usw.).

Dies ist darauf zurückzuführen, dass das erstgenannte nur angibt, wie sich die Konzentration der Spezies auf die Geschwindigkeit auswirkt, nicht aber, wie ihre Moleküle in den Prozess eingreifen.

Anwendungen

- Es ermöglicht die Bestimmung der Zeit, in der ein Medikament vor seiner vollständigen Metabolisierung im Organismus verbleibt. Dank kinetischer Studien kann die enzymatische Katalyse auch als grüne Methode gegen andere Katalysatoren mit negativen Auswirkungen auf die Umwelt verfolgt werden; oder auch in unzähligen industriellen Prozessen eingesetzt werden.

- In der Automobilindustrie, speziell in den Motoren, wo elektrochemische Reaktionen schnell durchgeführt werden müssen, damit das Fahrzeug startet. Auch in seinen Auspuffrohren, die Katalysatoren haben, um die schädlichen Gase CO, NO und NO umzuwandeln_x in CO₂, H₂O, N₂ und O₂ während der optimalen Zeit.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(G)

-Es ist die Reaktion dahinter, warum Airbags aufgeblasen werden, die Airbags, wenn Fahrzeuge kollidieren. Wenn die Reifen abrupt bremsen, detoniert ein Detektor Natriumazid, NaN, elektrisch₃. Dieses Reagenz "explodiert" und setzt N frei₂, die das gesamte Volumen der Tasche schnell einnimmt.

Das metallische Natrium reagiert dann mit anderen Komponenten, um es zu neutralisieren, weil es in seinem reinen Zustand giftig ist.

Referenzen

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