Kinetyka chemiczna to badanie procesów chemicznych i szybkość reakcji. Obejmuje to analizę warunków wpływających na prędkość a Reakcja chemiczna, rozumienie mechanizmów reakcji i stanów przejściowych oraz tworzenie modeli matematycznych do przewidywania i opisywania reakcji chemicznej. Szybkość reakcji chemicznej zwykle ma jednostki z ust-1, jednak eksperymenty kinetyczne mogą trwać kilka minut, godzin, a nawet dni.
Znany również jako
Kinetyka chemiczna może być również nazywana kinetyką reakcji lub po prostu „kinetyką”.
Historia kinetyki chemicznej
Dziedzina kinetyki chemicznej rozwinęła się na podstawie prawa masowego działania, sformułowanego w 1864 r. Przez Petera Waage i Cato Guldberga. Prawo masowego działania stwierdza, że szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do ilości reagentów. Jacobus van't Hoff badał dynamikę chemiczną. Jego publikacja z 1884 r. „Etudes de dynamique chimique” doprowadziła do nagrody Nobla w dziedzinie chemii z 1901 r. (Która była pierwszym rokiem przyznania nagrody Nobla). Niektóre reakcje chemiczne mogą wiązać się ze skomplikowaną kinetyką, ale podstawowe zasady kinetyki uczy się na lekcjach chemii ogólnej w szkołach średnich i wyższych.
Najważniejsze informacje: kinetyka chemiczna
- Kinetyka chemiczna lub kinetyka reakcji jest naukowym badaniem szybkości reakcji chemicznych. Obejmuje to opracowanie modelu matematycznego opisującego szybkość reakcji oraz analizę czynników wpływających na mechanizmy reakcji.
- Peterowi Waage i Cato Guldbergowi przypisuje się pionierstwo w dziedzinie kinetyki chemicznej poprzez opisanie prawa akcji masowej. Prawo masowego działania mówi, że szybkość reakcji jest proporcjonalna do ilości reagentów.
- Czynniki wpływające na szybkość reakcji obejmują stężenie reagentów i innych gatunków, pole powierzchni, charakter reagentów, temperatura, katalizatory, ciśnienie, czy jest światło, oraz stan fizyczny reagenty.
Prawa i stałe stawek
Dane eksperymentalne służą do znalezienia szybkości reakcji, na podstawie których ustalane są prawa szybkości i stałe szybkości kinetyki chemicznej poprzez zastosowanie prawa akcji masowej. Prawa szybkości pozwalają na proste obliczenia dla reakcji zerowego rzędu, reakcji pierwszego rzędu i reakcje drugiego rzędu.
- Szybkość reakcji rzędu zerowego jest stała i niezależna od stężenia reagentów.
stopa = k - Szybkość reakcji pierwszego rzędu jest proporcjonalna do stężenia jednego reagenta:
stopa = k [A] - Szybkość reakcji drugiego rzędu ma szybkość proporcjonalną do kwadratu stężenia pojedynczego reagenta lub produktu stężenia dwóch reagentów.
stopa = k [A]2 lub k [A] [B]
Prawa szybkości dla poszczególnych etapów muszą być łączone, aby uzyskać prawa dla bardziej złożonych reakcji chemicznych. Dla tych reakcji:
- Istnieje etap określania prędkości, który ogranicza kinetykę.
- Równania Arrheniusa i równania Eyringa można wykorzystać do eksperymentalnego określenia energii aktywacji.
- Można zastosować przybliżenia stanu ustalonego, aby uprościć prawo dotyczące stawek.
Czynniki wpływające na szybkość reakcji chemicznej
Kinetyka chemiczna przewiduje, że szybkość reakcji chemicznej wzrośnie o czynniki zwiększające energię kinetyczną reagenty (do pewnego stopnia), co prowadzi do zwiększenia prawdopodobieństwa, że reagenty będą oddziaływać ze sobą. Podobnie, można oczekiwać, że czynniki, które zmniejszają prawdopodobieństwo zderzenia reagentów ze sobą, obniżą szybkość reakcji. Głównymi czynnikami wpływającymi na szybkość reakcji są:
- stężenie reagentów (wzrastający stężenie zwiększa szybkość reakcji)
- temperatura (wzrost temperatury zwiększa szybkość reakcji do pewnego punktu)
- obecność katalizatorów (katalizatory zaoferować reakcji mechanizm, który wymaga niższego energia aktywacji, więc obecność katalizatora zwiększa szybkość reakcji)
- stan fizyczny reagentów (reagenty w tej samej fazie mogą wejść w kontakt poprzez działanie termiczne, ale pole powierzchni i mieszanie wpływają na reakcje między reagentami w różnych fazach)
- nacisk (dla reakcji z udziałem gazów, wzrost ciśnienia zwiększa zderzenia między reagentami, zwiększenie szybkości reakcji)
Należy zauważyć, że chociaż kinetyka chemiczna może przewidzieć szybkość reakcji chemicznej, nie określa ona stopnia, w jakim zachodzi reakcja. Termodynamika służy do przewidywania równowagi.
Źródła
- Espenson, J.H. (2002). Kinetyka chemiczna i mechanizmy reakcji (Wydanie drugie). McGraw-Hill. ISBN 0-07-288362-6.
- C. Guldberg M.; Waage, P. (1864). „Badania dotyczące powinowactwa” Forhandlinger i Videnskabs-Selskabet i Christiania
- Gorban, A. N.; Jabłoński. SOL. S. (2015). Trzy fale dynamiki chemicznej. Modelowanie matematyczne zjawisk naturalnych 10(5).
- Laidler, K. JOT. (1987). Kinetyka chemiczna (Wydanie trzecie). Harper and Row. ISBN 0-06-043862-2.
- Steinfeld J. I., Francisco J. S.; Hase W. L. (1999). Kinetyka chemiczna i dynamika (Wydanie drugie). Prentice-Hall. ISBN 0-13-737123-3.