العوامل الحركية الكيميائية ، ترتيب التفاعل ، التطبيقات

ال الحركية الكيميائية إنها دراسة سرعات التفاعل. يستنتج البيانات التجريبية أو النظرية حول الآلية الجزيئية ، من خلال القوانين التي تعبر عنها المعادلات الرياضية. تتكون الآليات من سلسلة من الخطوات ، بعضها سريع والبعض الآخر بطيء.

يسمى أبطأ هذه الخطوة تحديد السرعة. لذلك ، فإن معرفة الأنواع الوسيطة وآلية الفاعل لهذه الخطوة مهمة جدًا من حيث علم الحركة. تصور ما ورد أعلاه هو افتراض أن الكواشف محاطة في زجاجة وأنه عند التفاعل ، تهرب المنتجات إلى الخارج.

أخيرًا ، تظهر المنتجات بحرية عبر فم الزجاجة دون أي عوائق حركية أخرى. من هذا المنظور ، توجد زجاجات بأحجام وتصاميم عديدة. ومع ذلك ، لديهم كل عنصر واحد مشترك: رقبة ضيقة ، مؤشر للخطوة المحددة للتفاعل.

مؤشر

• 1 ما الذي يدرس الحركية الكيميائية؟?
• 2 معدل التفاعل
  • 2.1 التعريف
  • 2.2 المعادلة العامة
  • 2.3 مثال على الحلوى
  • 2.4 كيفية تحديد ذلك
• 3 العوامل التي تؤثر على معدل التفاعل
  • 3.1 طبيعة الأنواع الكيميائية
  • 3.2 تركيز الكواشف
  • 3.3 درجة الحرارة
• 4 رد فعل النظام في الحركية الكيميائية
  • 4.1 ردود الفعل من أجل الصفر
  • 4.2 رد فعل من الدرجة الأولى
  • 4.3 رد فعل من الدرجة الثانية
  • 4.4 ترتيب رد الفعل مقابل الجزيئية
• 5 تطبيقات
• 6 المراجع

ما يدرس الحركية الكيميائية?

من الناحية التجريبية ، يدرس هذا الفرع من الكيمياء الاختلافات في التركيز التي تنطوي عليها التفاعل الكيميائي ، من قياس خاصية معينة.

الحركية الكيميائية هي فرع الكيمياء المسؤول عن دراسة جميع المعلومات التي يمكن استخلاصها من سرعة التفاعل. يدعوك اسمه لتخيل ساعة جيب تحدد وقت العملية ، بغض النظر عن مكان حدوثها: في مفاعل ، في سحابة ، في نهر ، في جسم الإنسان ، إلخ..

جميع التفاعلات الكيميائية ، وبالتالي كل التحول ، لها جوانب ديناميكية حرارية وتوازن وحركية. تشير الديناميكا الحرارية إلى ما إذا كان التفاعل تلقائيًا أم لا ؛ التوازن درجة الكمي. والظروف الحركية التي تفضل سرعتها وكذلك البيانات حول آليتها.

يمكن ملاحظة العديد من الجوانب الأساسية للحركية الكيميائية في الحياة اليومية: في الثلاجة ، التي تجمد الطعام لتقليل تحللها عن طريق تجميد الماء الذي يمثل جزءًا منها. أيضا ، في نضوج النبيذ ، الذي يعطيه الشيخوخة نكهاتها اللطيفة.

ومع ذلك ، فإن "وقت الجزيئات" يختلف اختلافًا كبيرًا في مقاييسه الدقيقة ، وهو يختلف اختلافًا كبيرًا وفقًا للعديد من العوامل (عدد وأنواع الروابط والأحجام وحالات المادة ، إلخ.).

نظرًا لأن الوقت هو الحياة ، وهو أيضًا مال ، فمن المهم للغاية معرفة المتغيرات التي تسمح بتفاعل كيميائي في أسرع وقت ممكن. ومع ذلك ، في بعض الأحيان يكون العكس هو المطلوب: أن رد الفعل يحدث ببطء شديد ، وخاصة إذا كان طارد للحرارة وهناك مخاطر الانفجار.

ما هي هذه المتغيرات؟ بعضها مادي ، مثل الضغط أو درجة الحرارة الذي يجب أن يكون لدى المفاعل أو النظام ؛ والبعض الآخر مادة كيميائية ، مثل نوع المذيب ، درجة الحموضة ، الملوحة ، التركيب الجزيئي ، إلخ..

ومع ذلك ، قبل الخروج بهذه المتغيرات ، يجب أولاً دراسة حركية التفاعل الحالي.

كيف؟ من خلال تباين التركيز ، والذي يمكن اتباعه إذا تم تحديد خاصية معينة بما يتناسب مع الأول. على مر التاريخ ، أصبحت الأساليب أكثر تطوراً ، مما يتيح قياسات أكثر دقة ودقّة ، وبفواصل زمنية أصغر.

معدل التفاعل

لتحديد سرعة التفاعل الكيميائي ، من الضروري معرفة مدى اختلاف التركيز مع مرور الوقت لأي من الأنواع المعنية. تعتمد هذه السرعة إلى حد كبير على العديد من العوامل ، ولكن الشيء الأكثر أهمية هو أنها قابلة للقياس لتلك التفاعلات التي تحدث "ببطء".

هنا كلمة "ببطء" نسبي ويتم تعريفها لكل شيء يمكن قياسه باستخدام التقنيات الآلية المتاحة. إذا كان التفاعل ، على سبيل المثال ، أسرع بكثير من قدرة القياس على الجهاز ، فلن يكون كميًا ولا يمكن دراسة حركياته..

ثم ، يتم تحديد معدل التفاعل عند عتبة أي عملية قبل أن تصل إلى التوازن. لماذا؟ لأنه في حالة التوازن ، تكون سرعة التفاعل المباشر (تشكيل المنتجات) وسرعة رد الفعل العكسي (تشكيل المواد المتفاعلة) متساوية.

التحكم في المتغيرات التي تعمل على النظام ، وبالتالي الحركية أو سرعة التفاعل ، يمكن اختيار الظروف المثالية لتوليد كمية معينة من المنتج في الوقت الأكثر أمانًا والأمان.

من ناحية أخرى ، تكشف هذه المعرفة عن الآلية الجزيئية ، والتي تعد ذات قيمة عند زيادة أداء التفاعل.

تعريف

السرعة هي تغيير الحجم كدالة للوقت. بالنسبة لهذه الدراسات ، يكمن الاهتمام في تحديد تباين التركيز مع مرور الساعات والدقائق. النانو ، الذروة أو حتى الفمتوثانية (10^-15الصورة).

يمكن أن تحتوي على العديد من الوحدات ، لكن أبسط وأسهل من ذلك كله هو M^-1, أو ما يساوي mol / L · s. بغض النظر عن وحداتها ، يجب أن يكون لها دائمًا قيمة موجبة ، لأنها كمية مادية (مثل الأبعاد أو الكتلة).

ومع ذلك ، بالاتفاق ، يكون لمعدلات اختفاء الكاشف علامة سلبية ، ومعدلات ظهور المنتج إيجابية.

ولكن إذا كانت المواد المتفاعلة والمنتجات لها سرعاتها الخاصة ، فكيف إذن تحديد سرعة رد الفعل الكلي؟ الجواب يكمن في معاملات العناصر المتكافئة.

المعادلة العامة

المعادلة الكيميائية التالية تعبر عن تفاعل A و B لتشكيل C و D:

إلىA + بب => جC + دD

يتم التعبير عن تركيزات المولي عادة بين قوسين ، بحيث ، على سبيل المثال ، يتم كتابة تركيز الأنواع A كـ [A]. وبالتالي ، فإن معدل التفاعل لكل نوع من الأنواع الكيميائية المعنية هو:

وفقًا للمعادلة الرياضية ، هناك أربعة طرق للوصول إلى سرعة التفاعل: يتم قياس تباين تركيز أي من المواد المتفاعلة (A أو B) أو المنتجات (C أو D).

بعد ذلك ، مع إحدى هذه القيم ومعاملها المتكافئ الصحيح ، يتم تقسيمها بواسطة الأخيرة ومن أجل الحصول على سرعة رد الفعل rxn.

بما أن معدل التفاعل هو كمية موجبة ، تضاعف العلامة السلبية قيم السرعة السلبية للمفاعلات ؛ لهذا السبب المعاملات إلى و ب اضرب ب (-1).

على سبيل المثال ، إذا كانت سرعة اختفاء A هي - (5M / s) ، ومعاملها المتكافئ إلى تساوي 2 ، ثم تساوي سرعة rxn 2.5M / s ((-1/2) × 5).

المثال الحلوى

إذا كان المنتج حلوى ، فإن المكونات عن طريق القياس هي المواد المتفاعلة ؛ والمعادلة الكيميائية ، وصفة:

7ملفات تعريف الارتباط + 3Brownies + 1Salad => 1Postre

والسرعات لكل من المكونات الحلوة ، ونفس الحلوى:

وبالتالي ، يمكن تحديد السرعة التي يتم بها صنع الحلوى مع اختلاف ملفات تعريف الارتباط أو الكعك أو الآيس كريم أو المجموعة الكاملة ؛ تقسيمها بعد ذلك بين معاملاتها المتكافئة (7 ، 3 ، 1 و 1). ومع ذلك ، قد يكون أحد الطرق أسهل من الآخر.

على سبيل المثال ، إذا قمت بقياس كيفية زيادة [الحلوى] على فترات زمنية مختلفة ، فقد تكون هذه القياسات معقدة.

من ناحية أخرى ، قد يكون قياس [ملفات تعريف الارتباط] أكثر ملاءمة وعمليًا ، نظرًا لأن عددها أو بعض خصائصها تجعل تحديد تركيزها أسهل من تركيز الكعك أو الآيس كريم.

كيفية تحديد ذلك

بالنظر إلى التفاعل البسيط A => B ، إذا كان A ، على سبيل المثال ، في المحلول المائي ، يظهر لونًا أخضر ، فإن هذا يعتمد على تركيزه. وهكذا ، عندما يصبح A ، B ، يختفي اللون الأخضر ، وإذا تم تقدير هذا الاختفاء ، فيمكن الحصول على منحنى [A] مقابل t.

من ناحية أخرى ، إذا كانت B عبارة عن نوع حمضي ، فإن درجة الحموضة في المحلول تنخفض إلى القيم التي تقل عن 7. وبالتالي ، فمن الانخفاض في الرقم الهيدروجيني نحصل على [B] ، وعلى التوالي ، فإن الرسم البياني [B] مقابل t. تراكب ثم يتم تقييم كلا الرسوم البيانية شيء مثل التالي:

في الرسم البياني يمكنك أن ترى كيف يتناقص [A] مع مرور الوقت ، لأنه يتم استهلاكه ، وكيف يزداد المنحنى [B] مع الميل الإيجابي لأنه المنتج.

كما يوضح أن [A] يميل إلى الصفر (إذا لم يكن هناك توازن) وأن [B] يصل إلى الحد الأقصى للقيمة التي تحكمها الكيمياء المتفاعلة وإذا كان رد الفعل كاملاً (يتم استهلاك الكل A).

سرعة رد الفعل لكل من A و B هي خط المماس على أي من هذه المنحنيات. بمعنى آخر ، المشتق.

العوامل التي تؤثر على معدل التفاعل

طبيعة الأنواع الكيميائية

إذا كانت جميع التفاعلات الكيميائية لحظية ، فلن توجد دراسات حركية لها. العديد من بسرعات عالية جدا بحيث لا يمكن قياسها. وهذا هو ، فهي ليست قابلة للقياس.

وبالتالي ، فإن ردود الفعل بين الأيونات تكون عادة سريعة وكاملة للغاية (مع العائد حوالي 100 ٪). من ناحية أخرى ، تتطلب المركبات التي تحتوي على مركبات عضوية بعض الوقت. رد فعل النوع الأول هو:

H₂SW₄ + 2NaOH => Na₂SW₄ + 2H₂O

التفاعلات الإلكتروستاتية القوية بين الأيونات تفضل التكوين السريع للماء وكبريتات الصوديوم. في المقابل ، فإن تفاعل النوع الثاني هو ، على سبيل المثال ، تقدير حمض الأسيتيك:

CH₃طهي + CH₃CH₂OH => CH₃كوتش₂CH₃ + H₂O

على الرغم من أن الماء يتشكل أيضًا ، فإن التفاعل ليس فوريًا ؛ حتى في ظل ظروف مواتية ، تنقضي عدة ساعات.

ومع ذلك ، فإن المتغيرات الأخرى لها تأثير أكبر على سرعة التفاعل: تركيز المواد المتفاعلة ودرجة الحرارة والضغط ووجود المحفزات.

تركيز الكواشف

في الحركية الكيميائية ، يطلق على الفضاء قيد الدراسة ، المنفصل عن اللانهائي ، نظام. على سبيل المثال ، يمكن اعتبار مفاعل ، أو دورق ، أو قارورة ، أو سحابة ، أو نجمًا ، كنظام قيد الدراسة..

وبالتالي ، فإن الجزيئات داخل النظام ليست ثابتة ولكنها "تسافر" إلى جميع الزوايا. في بعض هذه النزوح ، يصطدم جزيء آخر لترتد أو تنشأ المنتجات.

ثم ، يتناسب عدد الاصطدامات مع تركيز المواد المتفاعلة. توضح الصورة العليا كيف يتغير النظام من تركيزات منخفضة إلى عالية.

أيضًا ، طالما أن هناك المزيد من الاصطدامات ، ستكون سرعة رد الفعل أعلى ، حيث تزداد فرص تفاعل جزيئين.

إذا كانت المواد المتفاعلة غازية ، فعندئذ يتم التعامل مع الضغط المتغير وترتبط بتركيز الغاز بافتراض أي من المعادلات الحالية العديدة (مثل الغاز المثالي) ؛ أو أيضًا ، يتم تقليل حجم النظام لزيادة احتمال تصادم جزيئات الغاز.

درجة الحرارة

على الرغم من أن عدد الاصطدامات يزداد ، فإن جميع الجزيئات لا تملك الطاقة اللازمة للتغلب على طاقة التنشيط لهذه العملية.

هذا هو المكان الذي تلعب فيه درجة الحرارة دورًا مهمًا: فهي تفي بوظيفة تسريع الجزيئات حرارياً بحيث تصطدم بمزيد من الطاقة.

وبالتالي ، يتضاعف معدل التفاعل عمومًا لكل 10 درجات مئوية من الزيادة في درجة حرارة النظام. ومع ذلك ، بالنسبة لجميع ردود الفعل ، ليس الأمر كذلك دائمًا. كيف تتنبأ بهذه الزيادة؟ معادلة أرينيوس تجيب على السؤال:

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K هو ثابت السرعة عند درجة الحرارة T ، R هو ثابت الغازات و E هي طاقة التنشيط. هذه الطاقة تدل على حاجز الطاقة الذي يجب أن تتوسع الكواشف لتتفاعل معه.

من أجل إجراء دراسة حركية ، من الضروري الحفاظ على درجة حرارة ثابتة وبدون محفزات. ما هي المحفزات؟ هي أنواع خارجية تتدخل في التفاعل ولكن دون استهلاك ، وتقلل من طاقة التنشيط.

تم توضيح مفهوم الحفز الكيميائي لتفاعل الجلوكوز مع الأكسجين في الصورة أعلاه. يمثل الخط الأحمر طاقة التنشيط بدون إنزيم (محفز بيولوجي) ، بينما مع هذا ، يظهر الخط الأزرق انخفاضًا في طاقة التنشيط.

ترتيب رد الفعل في الحركية الكيميائية

في المعادلة الكيميائية ، لا تتساوى مؤشرات القياس الكيميائي ، المرتبطة بآلية التفاعل ، مع فهارس من نفس الترتيب. التفاعلات الكيميائية عادة ما تكون لها أوامر أولية أو ثانية ، ونادراً ما تكون المرتبة الثالثة أو أعلى.

لماذا هو؟ من غير المرجح أن تصادم ثلاثة جزيئات متحمسة بقوة ، والأكثر من ذلك هو تصادم الرباعي أو الخماسي ، حيث يكون الاحتمال ضئيل للغاية. أوامر رد فعل كسور ممكنة أيضا. على سبيل المثال:

NH₄الكلورين <=>NH₃ + حمض الهيدروكلوريك

يكون رد الفعل من الدرجة الأولى في اتجاه واحد (من اليسار إلى اليمين) ومن المرتبة الثانية في الاتجاه الآخر (من اليمين إلى اليسار) إذا تم اعتباره توازنًا. في حين أن الرصيد التالي هو من الدرجة الثانية في كلا الاتجاهين:

2HI <=> H₂ + أنا₂

الجزيئية وترتيب التفاعل هي نفسها؟ لا. الجزيئية هي عدد الجزيئات التي تتفاعل لإنتاج المنتجات ، وترتيب التفاعل العالمي هو نفس ترتيب الكواشف المشاركة في الخطوة التي تحدد السرعة.

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂SW₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂SW₄ + 8H₂O

هذا التفاعل ، على الرغم من وجود فهارس كيميائية عالية (الجزيئية) ، هو في الواقع تفاعل من الدرجة الثانية. بمعنى آخر ، الخطوة المحددة للسرعة هي الترتيب الثاني.

ردود الفعل من أجل الصفر

تحدث في حالة ردود الفعل غير المتجانسة. على سبيل المثال: بين السائل والصلبة. وبالتالي ، فإن السرعة مستقلة عن تركيزات المواد المتفاعلة.

وبالمثل ، إذا كان لدى الكاشف ترتيب تفاعل بقيمة صفر ، فهذا يعني أنه لا يشارك في الخطوة المحددة للسرعة ، ولكن في الخطوات السريعة..

رد فعل من الدرجة الأولى

أ => ب

يخضع رد الفعل الأول لقانون السرعة التالي:

V = ك [أ]

إذا كان تركيز A يتضاعف ، فإن معدل التفاعل V يفعل ذلك أيضًا. لذلك ، تتناسب السرعة مع تركيز الكاشف في الخطوة التي تحدد التفاعل.

رد فعل من الدرجة الثانية

2A => ب

A + B => C

في هذا النوع من التفاعل ، يتدخل نوعان ، كما في المعادلتين الكيميائيتين اللتين كتبتا للتو. قوانين سرعة ردود الفعل هي:

V = ك [أ]²

V = k [A] [B]

في الدرجة الأولى ، يتناسب معدل التفاعل مع مربع تركيز A ، في حين يحدث الشيء نفسه كما هو الحال في تفاعلات الدرجة الأولى: السرعة تتناسب بشكل مباشر مع تركيزات كل من A و B.

رد فعل مقابل الجزيئية

وفقًا للمثال السابق ، قد تتزامن معاملات العناصر المتكافئة مع أوامر التفاعل.

ومع ذلك ، يحدث هذا بالنسبة للتفاعلات الأولية ، والتي تحدد الآلية الجزيئية لأي خطوة من التفاعل. في هذه التفاعلات ، تكون المعادلات مساوية لعدد الجزيئات المشاركة.

على سبيل المثال ، يتفاعل جزيء A مع واحد من B لتكوين جزيء من C. هنا الجزيء هو 1 بالنسبة للمتفاعلات ومن ثم في تعبير قانون السرعة الذي يتزامن مع أوامر التفاعل.

ويترتب على ذلك أن الجزيئية يجب أن تكون دائمًا عددًا صحيحًا ، واحتماليًا ، أقل من أربعة.

لماذا؟ لأنه عند مرور آلية ، من غير المرجح أن تشارك أربعة جزيئات في نفس الوقت ؛ يمكن أن يتفاعل اثنان منهم أولاً ، ثم يتفاعل الاثنان الآخران مع هذا المنتج.

يعد هذا أحد الاختلافات الرئيسية رياضياً بين أوامر التفاعل والجزيئية: يمكن أن يأخذ ترتيب التفاعل قيمًا كسرية (1/2 ، 5/2 ، إلخ).

هذا لأن السابق يعكس فقط كيف يؤثر تركيز النوع على السرعة ، ولكن ليس كيفية تدخل جزيئاتها في العملية.

تطبيقات

- يسمح بتحديد الوقت الذي يبقى فيه الدواء في الكائن الحي قبل استقلابه التام. أيضا ، بفضل الدراسات الحركية ، يمكن اتباع الحفز الأنزيمي كطرق خضراء ضد العوامل الحفازة الأخرى ذات الآثار البيئية السلبية ؛ أو أيضا لاستخدامها في عمليات صناعية لا حصر لها.

- في صناعة السيارات ، خاصة داخل المحركات ، حيث يجب إجراء التفاعلات الكهروكيميائية بسرعة لبدء السيارة. أيضا في أنابيب العادم ، والتي لديها المحولات الحفازة لتحويل الغازات الضارة CO ، NO و NO_س في CO₂, H₂يا ن₂ و يا₂ خلال الوقت الأمثل.

2NaN₃(ق) = 2Na (s) + 3N₂(G)

-هذا هو رد فعل السبب وراء تضخيم الأكياس الهوائية عندما تصطدم السيارات. عندما تكبح الإطارات فجأة ، يقوم كاشف بتفجير أزيد الصوديوم ، NaN₃. هذا الكاشف "ينفجر" إطلاق N₂, التي تحتل كامل حجم الحقيبة بسرعة.

يتفاعل الصوديوم المعدني بعد ذلك مع المكونات الأخرى لتحييده ، لأنه في حالته النقية يكون سامًا.

مراجع

1. والتر جيه مور. (1963). كيمياء فيزيائية في الحركية الكيميائية. الطبعة الرابعة ، Longmans.
2. ايرا ن. ليفين. (2009). مبادئ الكيمياء الفيزيائية. الطبعة السادسة ، صفحة 479-540. مولودية جراو هيل.
3. UAwiki. (23 ديسمبر 2011). الجزيئية التصادم هو. [Figua]. تم الاسترجاع في 30 أبريل 2018 من: en.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). كتاب الكيمياء الفيزيائية. في الحركية الكيميائية. الطبعة الثانية. د. فان نوستراند ، شركة.
5. آن ماري هيلمنستين ، دكتوراه (8 مارس 2017). تعريف الحركية الكيميائية. تم الاسترجاع في 30 أبريل 2018 من: thoughtco.com
6. أكاديمية خان. (2018). معدلات رد الفعل وقوانين المعدل. تم الاسترجاع في 30 أبريل 2018 ، من: khanacademy.org
7. جيرمان فرنانديز. (26 يوليو 2010). الحركية الكيميائية تم الاسترجاع في 30 أبريل 2018 ، من: quimicafisica.com