KINETIK KIMIA: FAKTOR, URUTAN TINDAK BALAS DAN APLIKASI - KIMIA - 2026

The kinetik kimia adalah kajian tentang kadar tindak balas. Kurangkan data eksperimen atau teori mengenai mekanisme molekul, melalui undang-undang yang dinyatakan oleh persamaan matematik. Mekanisme terdiri daripada beberapa langkah, beberapa di antaranya cepat dan ada yang lambat.

Yang paling lambat disebut langkah menentukan kelajuan. Oleh itu, mengetahui spesies perantaraan dan mekanisme operasi langkah ini sangat penting dari segi kinetik. Salah satu gambaran di atas adalah dengan menganggap bahawa reagen tertutup dalam botol dan bahawa, ketika bertindak balas, produk melarikan diri ke luar.

Akhirnya, produk itu keluar dengan bebas dari mulut botol tanpa halangan kinetik. Dari perspektif ini, terdapat sebotol dengan pelbagai saiz dan reka bentuk. Walau bagaimanapun, mereka semua mempunyai satu kesamaan: leher sempit, penunjuk langkah penentu reaksi.

Apa yang dikaji oleh kinetik kimia?

Secara eksperimen, cabang kimia ini mengkaji variasi kepekatan yang terlibat dalam tindak balas kimia, berdasarkan pengukuran sifat tertentu.

Kimia kimia adalah cabang kimia yang bertugas untuk mengkaji semua maklumat yang dapat diperoleh dari kelajuan tindak balas. Namanya mengundang anda untuk membayangkan jam saku menandakan masa proses, tidak kira di mana ia berlaku: di reaktor, di awan, di sungai, di dalam tubuh manusia, dll.

Semua tindak balas kimia, dan oleh itu semua transformasi, mempunyai aspek termodinamik, keseimbangan dan kinetik. Termodinamik menunjukkan sama ada tindak balas spontan atau tidak; keseimbangan tahap pengukurannya; dan kinetik keadaan yang sesuai dengan kelajuannya dan juga data mengenai mekanismenya.

Banyak aspek penting dari kinetik kimia dapat diperhatikan dalam kehidupan seharian: di dalam peti sejuk, yang membekukan makanan untuk mengurangkan penguraiannya dengan membekukan air yang menjadi sebahagian daripadanya. Juga, dalam kematangan wain, yang penuaan memberikan rasa yang menyenangkan.

Walau bagaimanapun, "masa molekul" sangat berbeza dalam skala kecilnya, dan sangat berbeza mengikut banyak faktor (bilangan dan jenis ikatan, ukuran, keadaan jirim, dll.).

Kerana masa adalah kehidupan, dan itu juga wang, mengetahui pemboleh ubah mana yang memungkinkan tindak balas kimia berjalan secepat mungkin adalah sangat penting. Walau bagaimanapun, kadang-kadang yang sebaliknya diinginkan: bahawa reaksi berlaku dengan sangat perlahan, terutamanya jika ia eksotermik dan terdapat risiko letupan.

Apakah pemboleh ubah ini? Sebilangannya bersifat fizikal, seperti pada tekanan atau suhu apa yang harus dimiliki oleh reaktor atau sistem; dan lain-lain adalah bahan kimia, seperti jenis pelarut, pH, kemasinan, struktur molekul, dll.

Walau bagaimanapun, sebelum menemui pemboleh ubah ini, kita mesti terlebih dahulu mengkaji kinetik reaksi ini.

Bagaimana? Melalui variasi kepekatan, yang dapat diikuti jika sifat tertentu yang sebanding dengan yang pertama diukur. Sepanjang sejarah, kaedah menjadi lebih canggih, memungkinkan pengukuran yang lebih tepat dan tepat, dan dengan selang waktu yang semakin pendek.

Kelajuan tindak balas

Untuk menentukan kelajuan tindak balas kimia, perlu diketahui bagaimana kepekatannya berbeza-beza dari masa ke masa mana-mana spesies yang terlibat. Kelajuan ini sangat bergantung pada banyak faktor, tetapi yang paling penting ialah ia dapat diukur untuk reaksi yang berlaku secara "perlahan".

Di sini perkataan "perlahan" adalah relatif dan didefinisikan untuk semua yang dapat diukur dengan teknik instrumental yang ada. Sekiranya, misalnya, reaksi jauh lebih cepat daripada kapasiti pengukuran peralatan, maka ia tidak akan bersifat kuantitatif dan kinetiknya tidak dapat dipelajari.

Kemudian, kadar tindak balas ditentukan di ambang sebarang proses sebelum mencapai keseimbangan. Kenapa? Kerana dalam keseimbangan kelajuan tindak balas ke hadapan (pembentukan produk) dan tindak balas terbalik (pembentukan reaktan) adalah sama.

Dengan mengawal pemboleh ubah yang bertindak pada sistem, dan akibatnya, kinetiknya atau kelajuan tindak balas, keadaan yang ideal dapat dipilih untuk menghasilkan sejumlah produk dalam masa yang paling diinginkan dan selamat.

Sebaliknya, pengetahuan ini mengungkapkan mekanisme molekul, yang sangat berharga ketika meningkatkan hasil tindak balas.

Definisi

Velocity adalah perubahan magnitud sebagai fungsi masa. Untuk kajian ini, minat terletak pada menentukan variasi kepekatan seiring waktu dan minit berlalu; nano, pico, atau bahkan femtoseconds (10 ^-15 s).

Ia boleh mempunyai banyak unit, tetapi yang paling mudah dan termudah adalah M · s ^-1 , atau yang sama dengan mol / L · s. Terlepas dari unitnya, ia harus selalu mempunyai nilai positif, kerana itu adalah kuantiti fizikal (seperti dimensi atau jisim).

Namun, secara konvensional, kadar kehilangan bagi reaktan mempunyai tanda negatif, dan kadar kemunculan bagi produk mempunyai tanda positif.

Tetapi jika reaktan dan produk mempunyai halaju tersendiri, lalu bagaimana menentukan kadar tindak balas keseluruhan? Jawapannya ada dalam pekali stoikiometrik.

Persamaan umum

Persamaan kimia berikut menyatakan tindak balas A dan B untuk membentuk C dan D:

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

Kepekatan molar biasanya dinyatakan dalam tanda kurung persegi, jadi, misalnya, kepekatan spesies A ditulis sebagai. Oleh itu, kadar tindak balas bagi setiap spesies kimia yang terlibat adalah:

Menurut persamaan matematik, terdapat empat laluan untuk mencapai kelajuan tindak balas: variasi kepekatan mana-mana reaktan (A atau B) atau produk (C atau D) diukur.

Kemudian, dengan salah satu nilai ini, dan pekali stoikiometriknya yang betul, bahagikan dengan yang terakhir dan dapatkan kadar tindak balas rxn.

Oleh kerana kadar tindak balas adalah kuantiti positif, tanda negatif menggandakan nilai kadar negatif reaktan; untuk sebab ini pekali a dan b didarabkan dengan (-1).

Sebagai contoh, jika kadar kehilangan A adalah - (5M / s), dan pekali stoikiometrik a adalah 2, maka kadar rxn sama dengan 2.5M / s ((-1/2) x 5).

Contoh pencuci mulut

Sekiranya produk itu adalah pencuci mulut, bahan-bahan dengan analogi akan menjadi reagen; dan persamaan kimia, resipi:

7 Cookies + 3 Brownies + 1 Ice Cream => 1 Pencuci mulut

Kelajuan untuk setiap ramuan manis, dan pencuci mulut itu sendiri adalah:

Oleh itu, kelajuan pencuci mulut dibuat dapat ditentukan dengan variasi kuki, brownies, ais krim, atau set itu sendiri; kemudian bahagikannya dengan pekali stoikiometriknya (7, 3, 1 dan 1). Walau bagaimanapun, salah satu laluan mungkin lebih mudah daripada yang lain.

Sebagai contoh, jika anda mengukur kenaikannya pada selang waktu yang berbeza, pengukuran ini boleh menjadi rumit.

Sebaliknya, mungkin lebih tepat pada masanya dan praktikal untuk mengukur, kerana jumlahnya atau sebilangan sifatnya yang menjadikan kepekatannya lebih mudah ditentukan berbanding dengan brownies atau ais krim.

Cara menentukannya

Memandangkan tindak balas sederhana A => B, jika A, misalnya, dalam larutan berair, menunjukkan warna hijau, maka ini bergantung pada kepekatannya. Oleh itu, ketika A menjadi B, warna hijau akan hilang, dan jika penghilangan ini dihitung, maka kurva vs t dapat diperoleh.

Sebaliknya, jika B adalah spesies berasid, pH larutan akan turun ke nilai di bawah 7. Oleh itu, dari penurunan pH, grafik vs t diperoleh secara berturut-turut. Kemudian meletakkan kedua-dua grafik tersebut kita dapat melihat seperti berikut:

Grafik menunjukkan bagaimana ia menurun dari masa ke masa, kerana ia habis, dan bagaimana kurva meningkat dengan cerun positif kerana ia adalah produk.

Ia juga dapat dilihat bahawa ia cenderung ke nol (jika tidak ada keseimbangan) dan bahawa ia mencapai nilai maksimum yang diatur oleh stoikiometri dan jika reaksi selesai (semua A habis).

Kadar tindak balas kedua-dua A dan B adalah garis tangen pada salah satu lengkung ini; dengan kata lain, kata terbitan.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kadar Reaksi

Sifat spesies kimia

Sekiranya semua tindak balas kimia berlaku seketika, kajian kinetiknya tidak akan wujud. Banyak mempunyai kelajuan yang sangat tinggi sehingga tidak dapat diukur; iaitu, mereka tidak boleh diukur.

Oleh itu, tindak balas antara ion biasanya sangat cepat dan lengkap (dengan hasil sekitar 100%). Sebaliknya, yang melibatkan sebatian organik memerlukan sedikit masa. Reaksi jenis pertama adalah:

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

Interaksi elektrostatik yang kuat antara ion mendorong pembentukan air dan natrium sulfat yang cepat. Sebaliknya, tindak balas jenis kedua adalah, misalnya, esterifikasi asid asetik:

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

Walaupun air juga terbentuk, reaksi tidak seketika; walaupun dalam keadaan baik, diperlukan beberapa jam untuk disiapkan.

Walau bagaimanapun, pemboleh ubah lain lebih berpengaruh pada kelajuan tindak balas: kepekatan reaktan, suhu, tekanan dan kehadiran pemangkin.

Kepekatan reagen

Dalam kinetika kimia, ruang yang dikaji, terpisah dari tak terhingga, disebut sistem. Sebagai contoh, reaktor, bikar, termos, awan, bintang, dan lain-lain, boleh dianggap sebagai sistem yang sedang dikaji.

Oleh itu, dalam sistem molekul tidak statik melainkan "bergerak" ke semua penjuru. Dalam beberapa anjakan ini, ia bertembung dengan molekul lain untuk bangkit semula atau menghasilkan produk.

Maka jumlah perlanggaran sebanding dengan kepekatan reaktan. Gambar di atas menggambarkan bagaimana sistem berubah dari kepekatan rendah ke tinggi.

Juga, semakin banyak perlanggaran, semakin tinggi kadar reaksi, kerana kemungkinan dua molekul bertindak balas meningkat.

Sekiranya reaktan bersifat gas, maka pemboleh ubah tekanan ditangani dan berkaitan dengan kepekatan gas dengan andaian terdapat banyak persamaan yang ada (seperti gas yang ideal); Atau, isipadu sistem dikurangkan untuk meningkatkan kemungkinan molekul gas bertabrakan.

Suhu

Walaupun jumlah perlanggaran meningkat, tidak semua molekul mempunyai tenaga yang diperlukan untuk melebihi tenaga pengaktifan proses.

Di sinilah suhu memainkan peranan penting: ia melakukan fungsi mempercepat molekul secara termal sehingga mereka bertabrakan dengan lebih banyak tenaga.

Oleh itu, kadar tindak balas secara amnya berlipat ganda untuk setiap kenaikan suhu sistem 10 ° C. Walau bagaimanapun, untuk semua reaksi ini tidak selalu berlaku. Bagaimana untuk meramalkan kenaikan ini? Persamaan Arrhenius menjawab soalan:

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

K ialah pemalar kadar pada suhu T, R adalah pemalar gas dan E adalah tenaga pengaktifan. Tenaga ini menunjukkan penghalang tenaga yang mesti dibuat skala untuk bertindak balas.

Untuk menjalankan kajian kinetik, suhu perlu tetap dan tanpa pemangkin. Apa itu pemangkin? Mereka adalah spesies luaran yang mengambil bahagian dalam reaksi tetapi tidak dimakan, dan yang menurunkan tenaga pengaktifan.

Gambar di atas menggambarkan konsep pemangkin untuk tindak balas glukosa dengan oksigen. Garis merah mewakili tenaga pengaktifan tanpa enzim (pemangkin biologi), sementara dengannya, garis biru menunjukkan penurunan tenaga pengaktifan.

Susunan tindak balas dalam kinetik kimia

Dalam persamaan kimia, indeks stoikiometrik, yang berkaitan dengan mekanisme tindak balas, tidak sama dengan indeks urutan yang sama. Tindak balas kimia biasanya mempunyai urutan pertama atau kedua, jarang urutan ketiga atau lebih tinggi.

Untuk apa ini? Kerana perlanggaran tiga molekul yang bersemangat tidak mungkin berlaku, dan perlanggaran empat atau empat kali ganda lebih besar lagi, di mana kebarangkaliannya sangat kecil. Perintah tindak balas pecahan juga mungkin. Sebagai contoh:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

Reaksi adalah urutan pertama dalam satu arah (dari kiri ke kanan) dan urutan kedua di arah yang lain (dari kanan ke kiri) jika dianggap sebagai keseimbangan. Sementara keseimbangan berikut adalah urutan kedua dalam kedua arah:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Molekul dan tindak balas sama? Tidak. Molekul adalah bilangan molekul yang bertindak balas untuk menghasilkan produk, dan susunan tindak balas keseluruhan adalah susunan reaktan yang sama yang terlibat dalam langkah penentuan kadar.

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

Reaksi ini, walaupun mempunyai indeks stoikiometrik (molekuliti) yang tinggi, sebenarnya adalah tindak balas urutan kedua. Dengan kata lain, langkah menentukan kelajuan adalah urutan kedua.

Reaksi pesanan sifar

Mereka berlaku sekiranya berlaku tindak balas heterogen. Contohnya: antara cecair dan pepejal. Oleh itu, kelajuan tidak bergantung kepada kepekatan reaktan.

Begitu juga, jika reaktan mempunyai urutan tindak balas sifar, ia bermaksud bahawa ia tidak mengambil bahagian dalam menentukan tahap kelajuan, tetapi pada tahap cepat.

Reaksi pesanan pertama

A => B

Reaksi pesanan pertama diatur oleh undang-undang kadar berikut:

V = k

Sekiranya kepekatan A berganda, kadar tindak balas V berganda. Oleh itu, kadarnya sebanding dengan kepekatan reagen dalam langkah penentu tindak balas.

Reaksi pesanan kedua

2A => B

A + B => C

Dua spesies terlibat dalam jenis reaksi ini, sama seperti dalam dua persamaan kimia yang baru ditulis. Undang-undang kelajuan untuk tindak balas adalah:

V = k ²

V = k

Pada yang pertama, kadar tindak balas berkadaran dengan kuadrat kepekatan A, sementara yang kedua, yang sama berlaku seperti pada tindak balas urutan pertama: kadarnya berkadar langsung dengan kepekatan kedua-dua A dan B.

Urutan tindak balas berbanding molekul

Menurut contoh sebelumnya, pekali stoikiometrik mungkin atau tidak bertepatan dengan urutan tindak balas.

Walau bagaimanapun, ini berlaku untuk tindak balas unsur, yang menentukan mekanisme molekul dari setiap langkah reaksi. Dalam tindak balas ini, pekali sama dengan bilangan molekul yang mengambil bahagian.

Sebagai contoh, molekul A bertindak balas dengan salah satu B untuk membentuk molekul C. Di sini molekulnya adalah 1 untuk reaktan dan oleh itu dalam ungkapan hukum kadar mereka bertepatan dengan perintah tindak balas.

Dari sinilah bahawa molekul mesti selalu berupa bilangan bulat, dan kemungkinan, kurang dari empat.

Kenapa? Kerana dalam proses mekanisme, tidak mungkin empat molekul berpartisipasi pada masa yang sama; dua daripadanya dapat bertindak balas pertama, dan kemudian dua selebihnya akan bertindak balas dengan produk ini.

Secara matematik ini adalah salah satu perbezaan utama antara pesanan tindak balas dan molekul: susunan tindak balas boleh mengambil nilai pecahan (1/2, 5/2, dll.).

Ini kerana yang pertama hanya mencerminkan bagaimana kepekatan spesies mempengaruhi kelajuan, tetapi bukan bagaimana molekul mereka campur tangan dalam proses tersebut.

Permohonan

- Ini memungkinkan untuk menentukan masa ubat itu berada di dalam badan sebelum metabolisme lengkap. Begitu juga, berkat kajian kinetik, pemangkinan enzimatik dapat diikuti sebagai kaedah hijau dibandingkan dengan pemangkin lain yang mempunyai kesan negatif terhadap alam sekitar; atau juga untuk digunakan dalam proses industri yang tidak terkira banyaknya.

- Dalam industri automotif, khususnya dalam mesin, di mana reaksi elektrokimia mesti dilakukan dengan cepat agar kenderaan dapat dimulakan. Juga dalam paip ekzosnya, yang mempunyai penukar pemangkin untuk mengubah gas berbahaya CO, NO dan NO _x menjadi CO ₂ , H ₂ O, N ₂ dan O ₂ pada masa yang optimum.

2NaN ₃ ( ₂ ) = 2Na + 3N ₂ (g)

-Ini adalah reaksi di sebalik mengapa beg udara mengembang, 'beg udara', ketika kenderaan bertembung. Apabila tayar brek keras, alat pengesan meletupkan elektrik natrium azida, NaN ₃ . Reagen ini "meletup" melepaskan N ₂ , yang menempati seluruh isi beg dengan cepat.

Natrium logam kemudian bertindak balas dengan komponen lain untuk meneutralkannya, kerana dalam keadaan tulen ia beracun.

Rujukan

1. Walter J. Moore. (1963). Kimia Fizikal. Dalam kinetik Kimia. Edisi keempat, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Prinsip fizikokimia. Edisi keenam, ms 479-540. Bukit Mc Graw.
3. UAwiki. (23 Disember 2011). Perlanggaran molekul-adalah. . Diakses pada 30 April 2018, dari: es.m.wikipedia.org
4. Batu Permata. (1970). Buku teks kimia fizikal. Dalam kinetik Kimia. Edisi kedua. D. Van Nostrand, Syarikat, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8 Mac 2017). Definisi kinetik kimia. Diakses pada 30 April 2018, dari: thinkco.com
6. Akademi Khan. (2018). Kadar tindak balas dan undang-undang kadar. Diakses pada 30 April 2018, dari: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26 Julai 2010). Kinetik kimia. Diakses pada 30 April 2018, dari: quimicafisica.com