الحركية الكيميائية: العوامل ، ترتيب التفاعل ، التطبيقات
الحركية الكيميائية هي 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 سبق هو افتراض أن الكواشف محاطة في زجاجة وأنه عندما تتفاعل ، 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 الحاسمة للتفاعل.
ماذا دراسة الحركية الكيميائية؟
من الناحية التجريبية ، يدرس هذا الفرع من الكيمياء تباينات 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. اسمك يدعوك أن تتخيل ساعة الجيب التي تحدد وقت العملية ، بغض النظر عن مكان حدوثها: في مفاعل ، في سحابة ، في نهر ، في جسم الإنسان ، إلخ.
جميع التفاعلات الكيميائية ، وبالتالي كل التحولات ، 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 يشكل جزءًا منها. أيضا ، في نضوج النبيذ ، الذي يعطيه الشيخوخة نكهاتها اللطيفة.
ومع ذلك ، فإن "وقت الجزيئات" يختلف اختلافًا كبيرًا في مقاييسه الصغيرة ، ويختلف 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 اختلاف التركيز ، والذي يمكن اتباعه إذا تم تحديد خاصية معينة بما يتناسب مع الأول. على مدار التاريخ ، أصبحت الطرق أكثر تطوراً ، مما أتاح قياسات أكثر دقة ودقيقة ، وبفواصل زمنية مخفضة بشكل متزايد.
معدل التفاعل
لتحديد سرعة التفاعل الكيميائي ، من الضروري معرفة مدى اختلاف التركيز في أي وقت 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.
من خلال 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 تعتبر 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 يصل إلى الفمتوثانية (10-15s).
يمكن أن تحتوي على العديد من الوحدات ، ولكن أبسط وأسهل من ذلك كله هو M · s-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 ، تكون معدلات اختفاء الكاشف علامة سلبية ، ومعدلات ظهور المنتج إيجابية.
ولكن إذا كانت المواد المتفاعلة والمنتجات لها سرعاتها الخاصة ، فكيف لتحديد سرعة رد الفعل الشامل؟ تكمن الإجابة في معاملات العناصر المتكافئة.
المعادلة العامة
المعادلة الكيميائية التالية تعبر عن تفاعل A و B لتشكيل C و D:
a A + b B => c C + d D
يتم التعبير عن تركيزات المولي عادة بين قوسين ، بحيث يتم ، على سبيل المثال ، كتابة الأنواع A على النحو [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 الصحيح للواقي الكيميائي ، يتم تقسيمها بواسطة الأخيرة ومن أجل الحصول على rxn سرعة التفاعل.
بما أن معدل التفاعل هو كمية موجبة ، فإن العلامة السالبة تضاعف قيم السرعة السلبية للمفاعلات ؛ لهذا السبب ، يتم ضرب المعاملتين a و b بـ (-1).
على سبيل المثال ، إذا كانت سرعة اختفاء A هي - (5M / s) ، ومعاملها المتكافئ ( أ) هو 2 ، فإن سرعة rxn تساوي 2.5M / s ((-1/2) × 5).
المثال الحلوى
إذا كان المنتج عبارة عن حلوى ، فإن المكونات عن طريق القياس هي المواد المتفاعلة ؛ والمعادلة الكيميائية ، وصفة:
7 ملفات تعريف الارتباط + 3Brownies + 1Salad => 1Postre
والسرعات لكل من المكونات الحلوة ، ونفس الحلوى:
وبالتالي ، يمكن تحديد سرعة 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 قيم أقل من 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 تكون دراساتها الحركية موجودة. 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:
H 2 SO 4 + 2NaOH => Na 2 SO 4 + 2H 2 O
التفاعلات الإلكتروستاتية القوية بين الأيونات تفضل التكوين السريع للماء وكبريتات الصوديوم. في المقابل ، فإن تفاعل النوع الثاني هو ، على سبيل المثال ، تقدير حمض الأسيتيك:
CH 3 COOH + CH 3 CH 2 OH => CH 3 COOCH 2 CH 3 + H 2 O
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 اللانهاية ، نظام. على سبيل المثال ، يمكن اعتبار مفاعل أو دورق أو قارورة أو سحابة أو نجمًا ، وما إلى ذلك ، بمثابة النظام 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 ، فإن معدل التفاعل سيكون 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 أنها تزيد من عدد الاصطدامات ، إلا أن جميع الجزيئات لا تملك الطاقة اللازمة للتغلب على طاقة تنشيط 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 ، فليس من هذا القبيل 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 تتفاعل المواد المتفاعلة فيه.
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 الإنزيم (المحفز البيولوجي) ، بينما يظهر الخط الأزرق انخفاضًا في طاقة التنشيط.
ترتيب رد الفعل في الحركية الكيميائية
في معادلة كيميائية ، لا تتساوى مؤشرات العوامل المتكافئة ذات الصلة بآلية التفاعل مع فهارس من نفس الترتيب. التفاعلات الكيميائية عادة ما تكون لها أوامر أولية أو ثانية ، نادراً ما تكون من الدرجة الثالثة أو أعلى
لماذا هو؟ من غير المرجح أن تصادمات ثلاثة جزيئات متحمسة بقوة ، والأكثر من ذلك هي تصادمات رباعية أو خمسة أضعاف ، حيث يكون الاحتمال ضئيلاً للغاية. أوامر رد فعل كسور ممكنة أيضا. على سبيل المثال:
NH 4 Cl NH 3 + HCl
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 H 2 + I 2
الجزيئية وترتيب التفاعل هي نفسها؟ لا. الجزيئية هي عدد الجزيئات التي تتفاعل لتؤدي إلى ظهور المنتجات ، وترتيب التفاعل العالمي هو نفس ترتيب الكواشف المشاركة في خطوة تحديد السرعة.
2KMnO 4 + 10KI + 8H 2 SO 4 => 2MnSO 4 + 5I 2 + 6K 2 SO 4 + 8H 2 O
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 خطوة تحديد السرعة ، 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:
الخامس = ك [أ] 2
V = k [A] [B]
في الأولى ، يتناسب معدل التفاعل مع مربع تركيز A ، بينما في الثانية يحدث الشيء نفسه كما هو الحال في تفاعلات الدرجة الأولى: السرعة تتناسب مباشرة 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 يتفاعلوا أولاً معًا ، ثم يتفاعل الاثنان الآخران مع هذا المنتج.
من الناحية الرياضية ، يعد هذا أحد الاختلافات الرئيسية 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 هذه 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 حتى تبدأ السيارة. أيضًا في مواسير العادم الخاصة بهم ، والتي تحتوي على محولات حفازة لتحويل الغازات الضارة CO و NO و NO x إلى CO 2 و H 2 O و N 2 و O 2 خلال الوقت الأمثل.
2NaN 3 (s) = 2Na (s) + 3N 2 (g)
- إنه رد الفعل وراء تضخيم الأكياس الهوائية ، الأكياس الهوائية ، عندما تصطدم السيارات. عندما تكبح الإطارات فجأة ، يقوم الكاشف بتفجير أزيد الصوديوم ، NaN 3 . هذا الكاشف "ينفجر" يطلق N 2 ، الذي يشغل كامل حجم الحقيبة بسرعة.
يتفاعل الصوديوم المعدني بعد ذلك مع المكونات الأخرى لتحييده ، لأنه في حالته النقية يكون سامًا.
