קינטיקה כימית: גורמים, סדר התגובה ויישומים - כִּימִיָה - 2025

קינטיקה כימית היא חקר שיעורי התגובה. נגז נתונים ניסויים או תיאורטיים על המנגנון המולקולרי, באמצעות חוקים המובעים על ידי משוואות מתמטיות. המנגנונים מורכבים מסדרת צעדים, חלקם מהירים וחלקם איטיים.

האיטי מבין אלה נקרא הצעד לקביעת המהירות. לכן הכרת מינים הביניים ומנגנון ההפעלה של שלב זה חשובה מאוד מבחינה קינטית. ויזואליזציה אחת של האמור לעיל היא להניח כי המגיבים מוגדרים בבקבוק וכאשר הם מגיבים, המוצרים בורחים מבחוץ.

לבסוף, המוצרים יוצאים בחופשיות מפה הבקבוק ללא מכשולים קינטיים נוספים. מנקודת מבט זו ישנם בקבוקים בגדלים ועיצובים רבים. עם זאת, לכולם מרכיב אחד משותף: צוואר צר, אינדיקטור לצעד המכריע של התגובה.

מה לומד קינטיקה כימית?

באופן ניסיוני, ענף כימיה זה חוקר את וריאציות הריכוז הכרוכות בתגובה כימית, על בסיס מדידת נכס מסוים.

קינטיקה כימית היא ענף הכימיה האחראי על לימוד כל המידע שניתן לגזור ממהירות התגובה. שמו מזמין אתכם לדמיין שעון כיס המסמן את זמן התהליך, לא משנה היכן הוא מתרחש: בכור, בענן, בנהר, בגוף האדם וכו '.

לכל התגובות הכימיות, ולכן כל הטרנספורמציה, יש היבטים תרמודינמיים, שיווי משקל וקינטיים. התרמודינמיקה מציינת אם התגובה היא ספונטנית או לא; לאזן את מידת הכימות שלה; והקינטיקה התנאים העדיפים את מהירותה וכן את הנתונים אודות המנגנון שלה.

ניתן להבחין ברבים מההיבטים החיוניים של קינטיקה כימית בחיי היומיום: במקרר המקפיא מזון כדי להפחית את פירוקו על ידי הקפאת המים שהם חלק ממנו. כמו כן, בהבשלת היינות, שהתיישנותם מקנה לו את טעמיו הנעימים.

עם זאת, "זמן המולקולות" שונה מאוד בסולמות הזעירים שלו, ומשתנה מאוד בהתאם לגורמים רבים (מספר וסוגי הקשר, הגדלים, מצבי החומר וכו ').

מכיוון שהזמן הוא חיים, וזה גם כסף, יש חשיבות עליונה לדעת אילו משתנים מאפשרים לתגובה כימית להתקדם במהירות האפשרית. עם זאת, לפעמים רצוי ההפך: שהתגובה מתרחשת לאט מאוד, במיוחד אם היא אקזוותרמית וקיימים סיכונים להתפוצצות.

מהם המשתנים האלה? חלקם פיזיים, למשל באיזה לחץ או טמפרטורה צריך להיות לכור או למערכת; ואחרים כימיים, כגון סוג הממס, pH, מליחות, מבנה מולקולרי וכו '.

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

אֵיך? באמצעות וריאציה של ריכוז, שאפשר לעקוב אחריה אם מכמת מאפיין מסוים שהוא פרופורציונאלי לראשון. לאורך ההיסטוריה, השיטות הפכו מתוחכמות יותר, ומאפשרות מדידות מדויקות ומדויקות יותר, ועם פרקי זמן קצרים יותר ויותר.

מהירות התגובה

כדי לקבוע את מהירות התגובה הכימית, יש לדעת כיצד הריכוז משתנה לאורך זמן של כל אחד מהזנים המעורבים. מהירות זו תלויה במידה רבה בגורמים רבים, אך הדבר החשוב ביותר הוא שהיא ניתנת למדידה לאותן תגובות שמתרחשות "לאט".

כאן המילה "לאט" היא יחסית ומוגדרת לכל מה שניתן למדוד בעזרת הטכניקות האינסטרומנטליות הקיימות. אם למשל התגובה מהירה הרבה יותר מכושר המדידה של הציוד, אז היא לא תהיה כמותית ולא ניתן ללמוד את הקינטיקה שלה.

לאחר מכן, קצב התגובה נקבע על סף התהליך לפני שהוא מגיע לשיווי משקל. למה? מכיוון שבשיווי משקל המהירות של התגובה קדימה (היווצרות מוצר) והתגובה ההפוכה (היווצרות מגיבים) שווים.

על ידי שליטה במשתנים הפועלים על המערכת, וכתוצאה מכך בקינטיקה שלה או במהירות התגובה, ניתן לבחור את התנאים האידיאליים לייצר כמות מסוימת של מוצר בזמן הרצוי והבטוח ביותר.

מצד שני, ידע זה חושף את המנגנון המולקולרי, שהוא בעל ערך כאשר מגדילים את תשואת התגובה.

הַגדָרָה

מהירות היא שינוי גודל כמו פונקציה של זמן. עבור מחקרים אלה, העניין טמון בקביעת שונות השינוי בריכוז ככל שחולפות השעות והדקות; ננו, פיקו, או femtoseconds אפילו (10 ^-15 s).

יכולות להיות לו יחידות רבות, אבל הפשוט והקל ביותר מכולם הוא M · s ^-1 , או מה שווה ל- mol / L · s. ללא קשר ליחידותיו, עליו תמיד להיות בעל ערך חיובי, מכיוון שמדובר בכמות פיזית (כמו מידות או מסה).

עם זאת, כמוסכמת, שיעורי ההיעלמות של מגיב הם בעלי סימן שלילי, ואלו של מראה המוצר יש סימן חיובי.

אבל אם למגיבים ולמוצרים המהירות שלהם, אז כיצד לקבוע את קצב התגובה הכולל? התשובה היא במקדמים הסטויו-מטריים.

משוואה כללית

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

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

ריכוזי טוחנות מתבטאים בדרך כלל בסוגריים מרובעים, כך למשל ריכוז המינים A כתוב כ. לפיכך, שיעור התגובה עבור כל אחד מהמינים הכימיים המעורבים הוא:

על פי המשוואה המתמטית, ישנם ארבעה דרכים להגיע למהירות התגובה: נמדד השונות בריכוז של כל אחד מהגיבים (A או B) או של המוצרים (C או D).

ואז, עם אחד מערכים אלה, ומקדם הסטויו-מטרי הנכון שלו, מחלקים על ידי האחרונים וכך משיגים את קצב התגובה rxn.

מכיוון שקצב התגובה הוא כמות חיובית, הסימן השלילי מכפיל את ערכי הקצב השלילי של המגיבים; מסיבה זו מכפילים את המקדמים a ו- b על ידי (-1).

לדוגמה, אם קצב ההיעלמות של A הוא - (5M / s), והמקדם הסטוכיומטרי שלו a הוא 2, אז הקצב rxn שווה ל- 2.5M / s ((-1/2) x 5).

דוגמא לקינוח

אם המוצר היה קינוח, המרכיבים באנלוגיה היו המגיבים; והמשוואה הכימית, המתכון:

7 עוגיות + 3 בראוניז + גלידה 1 => קינוח 1

והמהירות לכל אחד מהמרכיבים המתוקים, והקינוח עצמו הם:

לפיכך, ניתן לקבוע את המהירות בה נעשה הקינוח בעזרת הווריאציה של העוגיות, הבראוניז, הגלידה או הסט עצמו; ואז מחלקים אותו במקדמים הסטויו-מטריים שלה (7, 3, 1 ו- 1). עם זאת, אחד המסלולים עשוי להיות קל יותר מהשני.

לדוגמה, אם מודדים כיצד הוא גדל במרווחי זמן שונים, המדידות הללו יכולות להיות מסובכות.

מצד שני, יתכן ומדויק יותר בזמן ובמעשי, בגלל מספרם או חלק מהתכונות שלהם, המקלים על קביעת הריכוז שלהם מאשר זו של בראוניז או גלידה.

כיצד לקבוע זאת

בהתחשב בתגובה הפשוטה A => B, אם A, למשל, בתמיסה מימית, מראה צבע ירוק, הרי שזה תלוי בריכוזו. לפיכך, ככל ש- A הופכת ל- B, הצבע הירוק נעלם, ואם הכמויות של היעלמות זו ניתן להשיג עקומת לעומת t.

לעומת זאת, אם B הוא מין חומצי, pH של התמיסה יירד לערכים שמתחת 7. לכן מהירידה ב pH, הגרף לעומת t מתקבל ברציפות. ואז מציג את שני הגרפים מחדש, אנו יכולים לראות משהו כמו הבא:

הגרף מראה כיצד הוא פוחת עם הזמן, מכיוון שהוא נצרך, ואיך העקומה גדלה עם שיפוע חיובי מכיוון שהוא המוצר.

ניתן לראות גם כי הוא נוטה לאפס (אם אין שיווי משקל) וכי הוא מגיע לערך מקסימאלי הנשלט על ידי סטואיציומטריה ואם התגובה הושלמה (כל ה- A נצרך).

קצב התגובה של A וגם B הוא הקו המשיק באף אחד מהעקומות הללו; במילים אחרות, הנגזרת.

גורמים המשפיעים על שיעור התגובה

אופי המינים הכימיים

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

לפיכך, התגובות בין היונים בדרך כלל מהירות מאוד ושלמות (עם תשואה בסביבות 100%). מצד שני, אלה שמעורבים בתרכובות אורגניות דורשים זמן מה. תגובה מהסוג הראשון היא:

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

האינטראקציות האלקטרוסטטיות החזקות בין היונים מעדיפות היווצרות מהירה של מים ונתרן גופרתי. במקום זאת, תגובה מהסוג השני היא, למשל, אסטרציה של חומצה אצטית:

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

למרות שנוצרים גם מים, התגובה אינה מיידית; אפילו בתנאים נוחים, לוקח כמה שעות להשלים.

עם זאת, משתנים אחרים משפיעים יותר על מהירות התגובה: ריכוז של מגיבים, טמפרטורה, לחץ ונוכחות זרזים.

ריכוז מגיב

בקינטיקה כימית המרחב הנבדק, המופרד מאינסוף, נקרא מערכת. לדוגמא, כור, כוס, בקבוק, ענן, כוכב וכו ', יכולים להיחשב כמערכת הנלמדת.

לפיכך, בתוך המערכת המולקולות אינן סטטיות אלא "נעות" לכל פינותיה. בחלק מהעקירות הללו הוא מתנגש במולקולה אחרת כדי להקפיץ או לייצר מוצרים.

ואז מספר ההתנגשויות פרופורציונלי לריכוז המגיבים. התמונה לעיל ממחישה כיצד המערכת משתנה מריכוז נמוך לגבוה.

כמו כן, ככל שיש יותר התנגשויות, קצב התגובה גבוה יותר, ככל שהסיכוי לשתי מולקולות להגיב גדל.

אם המגיבים הם גזים, אז מטפלים במשתנה הלחץ וקשור לריכוז הגז בהנחה של אחת מהמשוואות הקיימות הרבות (כמו הגז האידיאלי); לחלופין, נפח המערכת מצטמצם כדי להגדיל את הסיכוי שמולקולות הגזים מתנגשות.

טֶמפֶּרָטוּרָה

למרות שמספר ההתנגשויות גדל, לא לכל המולקולות יש את האנרגיה הדרושה כדי לחרוג מאנרגיית ההפעלה של התהליך.

זה המקום בו הטמפרטורה ממלאת תפקיד חשוב: היא מבצעת את התפקיד של האצת המולקולות התרמית כך שהם יתנגשו עם יותר אנרגיה.

לפיכך, קצב התגובה בדרך כלל מוכפל עבור כל עלייה של 10 מעלות טמפרטורת המערכת. עם זאת, לכל התגובות לא תמיד זה המצב. איך לחזות את העלייה הזו? משוואת ארהניוס עונה על השאלה:

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

K הוא הקצב קבוע בטמפרטורה T, R הוא קבוע הגז ו- E הוא אנרגיית ההפעלה. אנרגיה זו מעידה על מחסום האנרגיה שעל המגיבים להגדיל כדי להגיב.

על מנת לבצע מחקר קינטי יש צורך לשמור על הטמפרטורה קבועה וללא זרזים. מהם זרזים? הם מינים חיצוניים שלוקחים חלק בתגובה אך אינם נצרכים, ומורידים את אנרגיית ההפעלה.

התמונה לעיל ממחישה את מושג הקטליזה לתגובה של גלוקוז עם חמצן. הקו האדום מייצג את אנרגיית ההפעלה ללא האנזים (זרז ביולוגי) ואילו איתו הקו הכחול מראה ירידה באנרגיית ההפעלה.

סדר התגובה בקינטיקה כימית

במשוואה כימית, המדדים הסטואיציומטריים, הקשורים למנגנון התגובה, אינם שווים למדדים בסדר גודל זהה. לתגובות כימיות יש בדרך כלל סדר ראשון או שני, לעתים נדירות מסדר שלישי ומעלה.

כי מה זה? מכיוון שהתנגשות של שלוש מולקולות נרגשות באופן אנרגטי אינן סבירות, והתנגשויות מרובעות או רביעיות הן אפילו יותר, כאשר ההסתברות היא אינסופית. אפשר גם פקודות תגובה חלקיות. לדוגמה:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

התגובה היא סדר ראשון בכיוון אחד (משמאל לימין) וסדר שני בכיוון השני (מימין לשמאל) אם היא נחשבת כשיווי משקל. בעוד שהשיווי המשקל הבא הוא מסדר שני לשני הכיוונים:

2HI <=> H ₂ + I ₂

מולקולריות ותגובה זהים? לא. מולקולריות היא מספר המולקולות המגיבות לייצור מוצרים, וסדר התגובה הכולל הוא אותו סדר של המגיבים המעורבים בשלב שקובע את הקצב.

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

תגובה זו, למרות שיש לה מדדים סטואיציומטריים גבוהים (מולקולריות), היא למעשה תגובה מסדר שני. במילים אחרות, הצעד הקובע את המהירות הוא מסדר שני.

תגובות אפס-סדר

הם מתרחשים במקרה של תגובות הטרוגניות. לדוגמא: בין נוזל למוצק. לפיכך המהירות אינה תלויה בריכוזי המגיבים.

באופן דומה, אם למגיב יש סדר תגובה של אפס, פירושו שהוא אינו משתתף בצעד לקביעת המהירות, אלא בזריזות המהירות.

תגובה מסדר ראשון

A => B

תגובת הסדר הראשון נשלטת על ידי חוק השיעור הבא:

V = k

אם ריכוז A מוכפל, קצב התגובה V מוכפל. לפיכך, השיעור פרופורציונלי לריכוז המגיב בשלב הקובע של התגובה.

תגובה מסדר שני

2 א => ב

A + B => C

שני מינים מעורבים בסוג זה של תגובה, ממש כמו בשתי המשוואות הכימיות שנכתבו זה עתה. חוקי המהירות לתגובות הם:

V = k ²

V = k

בראשון, מהירות התגובה היא פרופורציונאלית לריבוע הריכוז של A, ואילו בשנייה, הדבר קורה כמו בתגובות מסדר ראשון: המהירות פרופורציונאלית ישירה לריכוזים של A וגם B.

סדר התגובה לעומת מולקולריות

על פי הדוגמה הקודמת, המקדמים הסטויו-מטרמטריים עשויים או לא יופיעו בקנה אחד עם הוראות התגובה.

עם זאת, הדבר מתרחש עבור תגובות אלמנטריות, שקובעות את המנגנון המולקולרי של כל שלב בתגובה. בתגובות אלה המקדמים שווים למספר המולקולות המשתתפות.

לדוגמה, מולקולה של A מגיבה עם אחת מ- B ליצירת מולקולה של C. כאן המולקולריות היא 1 עבור המגיבים ולכן בביטוי של חוק הקצב הם חופפים לצווי התגובה.

מכאן נובע כי המולקולאריות חייבת תמיד להיות מספר שלם, והסתברותית, פחות מארבעה.

למה? מכיוון שבמעבר מנגנון לא סביר מאוד שארבע מולקולות משתתפות בו זמנית; שניים מהם יוכלו להגיב תחילה, ואז השניים הנותרים יגיבו עם המוצר הזה.

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

הסיבה לכך היא שהראשון רק משקף כיצד ריכוז המין משפיע על המהירות, אך לא כיצד המולקולות שלהם מתערבות בתהליך.

יישומים

זה מאפשר לקבוע את הזמן בו נותרת תרופה בגוף לפני חילוף החומרים המלא שלה. באופן דומה, הודות למחקרים קינטיים ניתן לבצע קטליזה אנזימטית כשיטות ירוקות בהשוואה לזרזים אחרים עם השפעות שליליות על הסביבה; או לשימוש גם באינספור תהליכים תעשייתיים.

- בתעשיית הרכב, במיוחד במנועים, שם יש לבצע תגובות אלקטרוכימיות במהירות בכדי שהרכב יתחיל. כמו כן בצינורות הפליטה שלה, שיש להם ממירים קטליטים להפיכת הגזים המזיקים CO, NO ו- NO _x ל- CO ₂ , H ₂ O, N ₂ ו- O ₂ בזמן האופטימלי.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

זו התגובה שמאחורי כריות האוויר מתנפחות, 'כריות האוויר', כאשר כלי רכב מתנגשים. כאשר הצמיגים בולמים חזק, גלאי מפעיל באופן חשמלי את הנתרן אזיד, NaN ₃ . מגיב זה "מתפוצץ" ומשחרר את N ₂ התופס במהירות את כל נפח התיק.

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

הפניות

1. וולטר ג'יי מור. (1963). כימיה פיזיקלית. בקינטיקה כימית. מהדורה רביעית, לונגמן.
2. אירה נ. לוין. (2009). עקרונות הפיזיקו-כימיה. המהדורה השישית, עמ '479-540. מק גריי היל.
3. UWiki. (23 בדצמבר 2011). מולקולרית-התנגשויות-היא. . הוחזר ב- 30 באפריל 2018 מ: es.m.wikipedia.org
4. גלססטון. (1970). ספר לימוד של כימיה פיזיקלית. בקינטיקה כימית. מהדורה שנייה. ד. ואן נוסטרנד, חברה בע"מ
5. אן מארי הלמנסטין, דוקטורט. (8 במרץ, 2017). הגדרת קינטיקה כימית. הוחזר ב- 30 באפריל 2018 מ: thoughtco.com
6. האקדמיה לחאן. (2018). שיעורי תגובה וחוקי שיעורים. הוחזר ב- 30 באפריל 2018 מ: khanacademy.org
7. ז'רמן פרננדס. (26 ביולי 2010). קינטיקה כימית. הוחזר ב- 30 באפריל 2018 מ: quimicafisica.com