Động học hóa học: Các yếu tố, thứ tự phản ứng, ứng dụng
Động học hóa học là nghiên cứu về vận tốc của một phản ứng. Nó suy ra dữ liệu thực nghiệm hoặc lý thuyết về cơ chế phân tử, thông qua các định luật được biểu thị bằng các phương trình toán học. Các cơ chế bao gồm một loạt các bước, một số bước nhanh và một số bước khác chậm.
Chậm nhất trong số này được gọi là bước xác định tốc độ. Do đó, việc biết các loài trung gian và cơ chế hoạt động của bước này là rất quan trọng về mặt động học. Một hình dung ở trên là giả định rằng các thuốc thử được đặt trong chai và khi chúng phản ứng, các sản phẩm thoát ra bên ngoài.
Cuối cùng, các sản phẩm xuất hiện tự do qua miệng chai mà không gặp trở ngại động học nào nữa. Từ quan điểm này, có những chai có nhiều kích cỡ và kiểu dáng. Tuy nhiên, tất cả chúng đều có một yếu tố chung: cổ hẹp, chỉ báo bước quyết định của phản ứng.
Động học hóa học học gì?
Thực nghiệm, ngành hóa học này nghiên cứu các biến thể nồng độ liên quan đến phản ứng hóa học, từ việc đo lường một tính chất cụ thể.
Động học hóa học là nhánh của hóa học chịu trách nhiệm nghiên cứu tất cả các thông tin có thể được bắt nguồn từ tốc độ của một phản ứng. Tên của nó mời bạn tưởng tượng một chiếc đồng hồ bỏ túi đánh dấu thời gian của một quá trình, bất kể nó xảy ra ở đâu: trong lò phản ứng, trong đám mây, trên sông, trong cơ thể con người, v.v.
Tất cả các phản ứng hóa học, và do đó tất cả các biến đổi, có các khía cạnh nhiệt động, cân bằng và động học. Nhiệt động lực học cho biết một phản ứng là tự phát hay không; sự cân bằng mức độ định lượng của nó; và các điều kiện động học có lợi cho tốc độ của nó và cũng như dữ liệu về cơ chế của nó.
Nhiều khía cạnh thiết yếu của động học hóa học có thể được quan sát trong cuộc sống hàng ngày: trong tủ lạnh, làm lạnh thực phẩm để giảm sự phân hủy của nó bằng cách đóng băng nước là một phần của chúng. Ngoài ra, trong sự trưởng thành của rượu vang, sự lão hóa mang đến cho họ hương vị dễ chịu của chúng.
Tuy nhiên, "thời gian của các phân tử" rất khác nhau ở quy mô nhỏ của nó và thay đổi rất lớn theo nhiều yếu tố (số lượng và loại liên kết, kích cỡ, trạng thái của vật chất, v.v.).
Bởi vì thời gian là cuộc sống và cũng là tiền bạc, điều rất quan trọng là phải biết biến nào cho phép phản ứng hóa học tiến hành càng nhanh càng tốt. Tuy nhiên, đôi khi điều ngược lại là mong muốn: rằng phản ứng xảy ra rất chậm, đặc biệt nếu nó tỏa nhiệt và có nguy cơ nổ.
Những biến này là gì? Một số là vật lý, chẳng hạn như ở áp suất hoặc nhiệt độ mà lò phản ứng hoặc hệ thống phải có; và những thứ khác là hóa chất, chẳng hạn như loại dung môi, pH, độ mặn, cấu trúc phân tử, v.v.
Tuy nhiên, trước khi đưa ra các biến này, trước tiên chúng ta phải nghiên cứu động học của phản ứng hiện tại.
Thế nào? Thông qua sự thay đổi nồng độ, có thể được theo dõi nếu một thuộc tính cụ thể được định lượng tỷ lệ với tỷ lệ đầu tiên. Trong suốt lịch sử, các phương pháp đã trở nên tinh vi hơn, cho phép các phép đo chính xác và chính xác hơn, và với các khoảng ngày càng giảm.
Tốc độ phản ứng
Để xác định tốc độ của phản ứng hóa học, cần phải biết nồng độ thay đổi theo thời gian của bất kỳ loài nào có liên quan. Tốc độ này phụ thuộc rất nhiều vào nhiều yếu tố, nhưng điều quan trọng nhất là nó có thể đo lường được đối với những phản ứng diễn ra "từ từ".
Ở đây từ "chậm" là tương đối và được định nghĩa cho mọi thứ có thể đo được bằng các kỹ thuật công cụ có sẵn. Ví dụ, nếu phản ứng nhanh hơn nhiều so với khả năng đo của thiết bị, thì nó sẽ không được định lượng và cũng không thể nghiên cứu động học của nó.
Sau đó, tốc độ phản ứng được xác định ở ngưỡng của bất kỳ quá trình nào trước khi nó đạt đến trạng thái cân bằng. Tại sao? Bởi vì ở trạng thái cân bằng, tốc độ của phản ứng trực tiếp (hình thành sản phẩm) và của phản ứng ngược (hình thành chất phản ứng) là bằng nhau.
Bằng cách kiểm soát các biến hoạt động trên hệ thống, và do đó, động học của nó hoặc tốc độ phản ứng, các điều kiện lý tưởng có thể được chọn để tạo ra một lượng sản phẩm nhất định trong thời gian an toàn và mong muốn nhất.
Mặt khác, kiến thức này cho thấy cơ chế phân tử, có giá trị khi tăng hiệu suất của phản ứng.
Định nghĩa
Tốc độ là sự thay đổi của cường độ như là một hàm của thời gian. Đối với những nghiên cứu này, mối quan tâm nằm ở việc xác định sự thay đổi của nồng độ khi hàng giờ, phút trôi qua; nano, cực đại hoặc thậm chí lên đến femtos giây (10-15 giây).
Nó có thể có nhiều đơn vị, nhưng đơn giản và dễ nhất trong tất cả là M · s-1, hoặc bằng với mol / L · s. Bất kể đơn vị của nó, nó phải luôn có giá trị dương, vì nó là một đại lượng vật lý (như kích thước hoặc khối lượng).
Tuy nhiên, theo thỏa thuận, tỷ lệ biến mất của thuốc thử có dấu hiệu tiêu cực và tỷ lệ xuất hiện của sản phẩm, dấu hiệu tích cực.
Nhưng nếu các chất phản ứng và các sản phẩm có vận tốc riêng thì làm thế nào để xác định tốc độ của phản ứng tổng thể? Câu trả lời nằm ở các hệ số cân bằng hóa học.
Phương trình tổng quát
Phương trình hóa học sau đây biểu thị phản ứng của A và B tạo thành C và D:
a A + b B => c C + d D
Nồng độ mol thường được biểu thị trong ngoặc, do đó, ví dụ, nồng độ của loài A được viết là [A]. Do đó, tốc độ phản ứng của từng loài hóa học liên quan là:
Theo phương trình toán học, có bốn đường để đạt tốc độ của phản ứng: sự thay đổi nồng độ của bất kỳ chất phản ứng nào (A hoặc B) hoặc của các sản phẩm (C hoặc D) được đo.
Sau đó, với một trong những giá trị này và hệ số cân bằng chính xác của nó, nó được chia cho giá trị sau và để có được tốc độ phản ứng rxn.
Vì tốc độ phản ứng là một đại lượng dương, dấu âm sẽ nhân giá trị vận tốc âm của các chất phản ứng; vì lý do này, các hệ số a và b được nhân với (-1).
Ví dụ: nếu vận tốc biến mất của A là - (5M / s) và hệ số cân bằng hóa học của nó là 2, thì vận tốc rxn bằng 2, 5M / s ((-1/2) x 5).
Ví dụ tráng miệng
Nếu sản phẩm là một món tráng miệng, các thành phần tương tự sẽ là chất phản ứng; và phương trình hóa học, công thức:
7 Cookies + 3Brownies + 1Salad => 1Postre
Và tốc độ cho mỗi thành phần ngọt, và cùng một món tráng miệng là:
Do đó, tốc độ mà món tráng miệng được thực hiện có thể được xác định với sự biến đổi của bánh quy, bánh sô cô la, kem hoặc toàn bộ; chia nó tiếp theo giữa các hệ số cân bằng hóa học của nó (7, 3, 1 và 1). Tuy nhiên, một trong những tuyến đường có thể dễ dàng hơn các tuyến khác.
Ví dụ: nếu bạn đo cách [Món tráng miệng] tăng ở các khoảng thời gian khác nhau, các phép đo này có thể phức tạp.
Mặt khác, có thể thuận tiện và thiết thực hơn khi đo [cookie], do số lượng của chúng hoặc một số tính chất của chúng làm cho nồng độ của chúng dễ xác định hơn so với brownies hoặc kem.
Làm thế nào để xác định nó
Cho phản ứng đơn giản A => B, nếu A, ví dụ, trong dung dịch nước, thể hiện màu xanh lục, thì điều này phụ thuộc vào nồng độ của nó. Do đó, khi A trở thành B, màu xanh lục biến mất và nếu biến mất này được định lượng, thì có thể thu được đường cong [A] vs t.
Mặt khác, nếu B là một loài có tính axit, độ pH của dung dịch sẽ giảm xuống các giá trị dưới 7. Do đó, từ việc giảm pH chúng ta thu được [B], và liên tiếp, biểu đồ [B] so với t. Xếp chồng lên nhau sau đó cả hai biểu đồ giống như sau được đánh giá:
Trong biểu đồ, bạn có thể thấy [A] giảm theo thời gian như thế nào, bởi vì nó được tiêu thụ và cách đường cong [B] tăng theo độ dốc dương vì đó là sản phẩm.
Nó cũng cho thấy [A] có xu hướng bằng không (nếu không có trạng thái cân bằng) và [B] đạt đến giá trị tối đa chi phối bởi phép cân bằng hóa học và nếu phản ứng hoàn thành (tất cả A được tiêu thụ).
Tốc độ phản ứng của cả A và B là đường tiếp tuyến trên bất kỳ đường cong nào; nói cách khác, đạo hàm.
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng
Bản chất của loài hóa học
Nếu tất cả các phản ứng hóa học là tức thời, nghiên cứu động học của họ sẽ không tồn tại. Nhiều người có tốc độ cao đến mức không thể đo được; đó là họ không thể đo lường được
Do đó, các phản ứng giữa các ion thường rất nhanh và hoàn thành (với hiệu suất khoảng 100%). Mặt khác, những chất liên quan đến các hợp chất hữu cơ đòi hỏi một chút thời gian. Một phản ứng của loại thứ nhất là:
H 2 SO 4 + 2NaOH => Na 2 SO 4 + 2H 2 O
Các tương tác tĩnh điện mạnh giữa các ion ủng hộ sự hình thành nhanh chóng của nước và natri sunfat. Ngược lại, một phản ứng thuộc loại thứ hai, ví dụ, phản ứng ester hóa axit axetic:
CH 3 COOH + CH 3 CH 2 OH => CH 3 COOCH 2 CH 3 + H 2 O
Mặc dù nước cũng được hình thành, phản ứng không tức thời; ngay cả trong điều kiện thuận lợi, vài giờ trôi qua để hoàn thành.
Tuy nhiên, các biến khác có ảnh hưởng nhiều hơn đến tốc độ của phản ứng: nồng độ của chất phản ứng, nhiệt độ, áp suất và sự có mặt của chất xúc tác.
Nồng độ của thuốc thử
Trong động học hóa học, không gian nghiên cứu, tách khỏi vô cực, được gọi là một hệ thống. Ví dụ, lò phản ứng, cốc thủy tinh, bình, đám mây, ngôi sao, v.v., có thể được coi là hệ thống đang nghiên cứu.
Do đó, trong hệ thống, các phân tử không tĩnh mà "di chuyển" đến tất cả các góc. Trong một số chuyển vị này va chạm với một phân tử khác để nảy hoặc tạo ra sản phẩm.
Sau đó, số lượng va chạm tỷ lệ thuận với nồng độ của các chất phản ứng. Hình ảnh trên minh họa cách hệ thống thay đổi từ nồng độ thấp đến cao.
Ngoài ra, miễn là có nhiều va chạm, tốc độ phản ứng sẽ cao hơn, vì cơ hội hai phân tử phản ứng tăng lên.
Nếu các chất phản ứng là khí, thì áp suất thay đổi được xử lý và liên quan đến nồng độ khí giả sử bất kỳ phương trình nào hiện có (như khí lý tưởng); hoặc cũng có thể giảm thể tích của hệ thống để tăng xác suất các phân tử khí va chạm vào nhau.
Nhiệt độ
Mặc dù chúng làm tăng số lượng va chạm, nhưng không phải tất cả các phân tử đều có năng lượng cần thiết để vượt qua năng lượng kích hoạt của quá trình.
Đây là nơi nhiệt độ đóng vai trò quan trọng: nó hoàn thành chức năng gia tốc nhiệt các phân tử để chúng va chạm với nhiều năng lượng hơn.
Do đó, nhìn chung tốc độ phản ứng tăng gấp đôi cứ sau 10 ° C tăng nhiệt độ của hệ thống. Tuy nhiên, đối với tất cả các phản ứng không phải lúc nào cũng như vậy. Làm thế nào để dự đoán sự gia tăng này? Phương trình Arrhenius trả lời câu hỏi:
d (lnK) / dT = E / (RT2)
K là hằng số vận tốc ở nhiệt độ T, R là hằng số của khí và E là năng lượng kích hoạt. Năng lượng này là dấu hiệu của hàng rào năng lượng mà các chất phản ứng phải mở rộng để phản ứng.
Để thực hiện một nghiên cứu động học, cần phải giữ nhiệt độ không đổi và không có chất xúc tác. Các chất xúc tác là gì? Chúng là những loài bên ngoài can thiệp vào phản ứng nhưng không bị tiêu thụ, và điều đó làm giảm năng lượng kích hoạt.
Khái niệm xúc tác cho phản ứng của glucose với oxy được minh họa trong hình trên. Đường màu đỏ đại diện cho năng lượng kích hoạt mà không có enzyme (chất xúc tác sinh học), trong khi với nó, đường màu xanh cho thấy sự giảm năng lượng kích hoạt.
Thứ tự phản ứng trong động học hóa học
Trong một phương trình hóa học, các chỉ số cân bằng hóa học, liên quan đến cơ chế của phản ứng không bằng các chỉ số của thứ tự giống nhau. Phản ứng hóa học thường có thứ tự đầu tiên hoặc thứ hai, hiếm khi thứ ba hoặc cao hơn.
Tại sao vậy? Rằng các va chạm của ba phân tử bị kích thích năng lượng là không thể xảy ra, và thậm chí nhiều hơn là các va chạm gấp bốn hoặc gấp bốn lần, trong đó xác suất là vô hạn. Lệnh phản ứng phân số cũng có thể. Ví dụ:
NH 4 Cl NH 3 + HCl
Phản ứng là thứ tự đầu tiên theo một hướng (từ trái sang phải) và thứ hai theo hướng khác (phải sang trái) nếu nó được coi là cân bằng. Trong khi số dư sau đây là thứ hai theo cả hai hướng:
2HI H 2 + I 2
Phân tử và thứ tự phản ứng có giống nhau? Số phân tử là số lượng phân tử phản ứng tạo ra sản phẩm và thứ tự phản ứng toàn cầu là cùng thứ tự của các thuốc thử liên quan đến bước xác định tốc độ.
2KMnO 4 + 10KI + 8H 2 SO 4 => 2MnSO 4 + 5I 2 + 6K 2 SO 4 + 8H 2 O
Phản ứng này, mặc dù có chỉ số cân bằng hóa học (phân tử) cao, nhưng thực sự là phản ứng bậc hai. Nói cách khác, bước xác định tốc độ là thứ hai.
Phản ứng không thứ tự
Chúng xảy ra trong trường hợp phản ứng không đồng nhất. Ví dụ: giữa chất lỏng và chất rắn. Do đó, tốc độ không phụ thuộc vào nồng độ của các chất phản ứng.
Tương tự như vậy, nếu thuốc thử có thứ tự phản ứng bằng 0, điều đó có nghĩa là nó không tham gia vào bước xác định tốc độ, mà là trong các thuốc thử nhanh.
Phản ứng thứ nhất
A => B
Phản ứng thứ tự đầu tiên được điều chỉnh bởi luật tốc độ sau:
V = k [A]
Nếu nồng độ của A tăng gấp đôi thì tốc độ phản ứng V cũng làm như vậy. Do đó, tốc độ tỷ lệ thuận với nồng độ của thuốc thử trong bước xác định phản ứng.
Phản ứng bậc hai
2A => B
A + B => C
Trong kiểu phản ứng này, hai loài đã can thiệp, như trong hai phương trình hóa học vừa viết. Quy luật tốc độ cho các phản ứng là:
V = k [A] 2
V = k [A] [B]
Trong lần đầu tiên, tốc độ phản ứng tỷ lệ với bình phương nồng độ của A, trong khi ở lần thứ hai xảy ra tương tự như trong các phản ứng bậc nhất: tốc độ tỷ lệ thuận với nồng độ của cả A và B.
Thứ tự phản ứng so với phân tử
Theo ví dụ trước, các hệ số cân bằng hóa học có thể hoặc không trùng với thứ tự của phản ứng.
Tuy nhiên, điều này xảy ra đối với các phản ứng cơ bản, xác định cơ chế phân tử của bất kỳ bước nào của phản ứng. Trong các phản ứng này, các hệ số bằng số lượng phân tử tham gia.
Ví dụ, một phân tử A phản ứng với một trong B để tạo thành một phân tử C. Ở đây phân tử là 1 cho các chất phản ứng và sau đó trong biểu thức của định luật tốc độ chúng trùng với thứ tự của phản ứng.
Từ đó, phân tử phải luôn luôn là một số nguyên và có xác suất nhỏ hơn bốn.
Tại sao? Bởi vì trong quá trình thông qua một cơ chế, rất khó có khả năng bốn phân tử tham gia cùng một lúc; đầu tiên họ có thể phản ứng hai trong số họ, và sau đó hai người kia sẽ phản ứng với sản phẩm này.
Về mặt toán học, đây là một trong những khác biệt chính giữa thứ tự phản ứng và phân tử: một thứ tự phản ứng có thể lấy các giá trị phân số (1/2, 5/2, v.v.).
Điều này là do trước đây chỉ phản ánh mức độ tập trung của loài ảnh hưởng đến tốc độ, chứ không phải cách các phân tử của chúng can thiệp vào quá trình.
Ứng dụng
- Nó cho phép xác định thời gian một loại thuốc tồn tại trong cơ thể trước khi chuyển hóa hoàn toàn. Ngoài ra, nhờ các nghiên cứu động học, xúc tác enzyme có thể được theo sau như các phương pháp xanh chống lại các chất xúc tác khác có tác động môi trường tiêu cực; hoặc cũng được sử dụng trong vô số các quy trình công nghiệp.
- Trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt trong các động cơ, nơi các phản ứng điện hóa phải được thực hiện nhanh chóng để xe khởi động. Ngoài ra, trong các ống xả của chúng, có bộ chuyển đổi xúc tác để biến đổi các khí độc hại CO, NO và NO x thành CO 2, H 2 O, N 2 và O 2 trong thời gian tối ưu.
2Na 3 (s) = 2Na (3) + 3N 2 (g)
-Đó là phản ứng đằng sau tại sao túi khí bị thổi phồng, túi khí khi xe va chạm. Khi lốp xe đột ngột, một máy dò phát nổ điện azide natri, NaN 3 . Thuốc thử này "phát nổ" giải phóng N 2, chiếm toàn bộ thể tích của túi một cách nhanh chóng.
Natri kim loại sau đó phản ứng với các thành phần khác để trung hòa nó, bởi vì ở trạng thái tinh khiết, nó là chất độc.
