화학 반응 속도계, 반응 순서, 응용

그 화학 동역학 그것은 반응의 속도에 대한 연구입니다. 수학 방정식으로 표현 된 법칙을 통해 분자 메커니즘에 대한 실험적 또는 이론적 데이터를 추론합니다. 메커니즘은 일련의 단계로 구성되며, 그 중 일부는 빠르며 다른 일부는 느려집니다..

가장 느린 것을 속도 결정 단계라고합니다. 그러므로이 단계의 중간 종과 조작자 메커니즘을 아는 것은 동역학 측면에서 매우 중요합니다. 위의 시각화는 시약이 병 안에 들어 있으며 반응 할 때 제품이 외부로 빠져 나가는 것으로 가정하는 것입니다.

마지막으로, 제품은 추가적인 운동 장애물없이 병의 입을 통해 자유롭게 출현합니다. 이 관점에서, 많은 크기와 디자인의 병이 있습니다. 그러나 그들은 모두 공통점이 하나 있습니다 : 좁은 목, 반응의 결정 단계의 지표.

색인

• 1 화학 동역학 연구?
• 2 반응 속도
  • 2.1 정의
  • 2.2 일반 방정식
  • 2.3 디저트의 예
  • 2.4 결정 방법
• 반응 속도에 영향을 미치는 3 가지 요인
  • 3.1 화학 종의 본질
  • 3.2 시약의 농도
  • 3.3 온도
• 4 화학 반응 속도론에서의 반응 순서
  • 4.1 0 차 반응
  • 4.2 1 차 반응
  • 4.3 2 차 반응
  • 4.4 반응의 순서와 분자의 순서
• 5 응용 프로그램
• 6 참고 문헌

화학 동력학을 연구하는 방법?

실험적으로,이 화학 분파는 특정 반응의 측정으로부터 화학 반응과 관련된 농도 변화를 연구합니다.

화학 동역학은 화학 반응의 속도에서 파생 될 수있는 모든 정보를 연구하는 책임을 맡고 있습니다. 그의 이름은 프로세스의 시간을 표시하는 주머니 시계를 상상해보십시오. 원자로, 구름, 강, 인체 등 어디에서 발생하든 상관 없습니다..

모든 화학 반응 및 모든 변형은 열역학적, 평형 및 운동 학적 측면을 가지고 있습니다. 열역학은 반응이 자발적인지 여부를 나타냅니다. 그것의 정량화의 균형; 속도와 메커니즘에 대한 데이터를 선호하는 운동 조건.

화학 동역학의 필수적인 측면 중 많은 부분이 일상 생활에서 볼 수 있습니다. 냉장고에서는 음식을 얼려서 물을 얼려서 분해를 줄입니다. 또한 노화로 인해 맛이 즐거워지는 와인의 성숙 과정에서.

그러나 "분자의 시간"은 매우 작은 규모에서 매우 다르며 많은 요소 (링크의 수와 유형, 크기, 물질 상태 등)에 따라 엄청나게 다릅니다..

시간은 생명이며 돈이기 때문에 어떤 변수가 화학 반응을 가능한 한 빨리 진행할 수 있는지 아는 것은 매우 중요합니다. 그러나 때로는 그 반대가 바람직하다 : 반응이 매우 천천히 일어나며, 특히 발열 반응이고 폭발의 위험이있는 경우.

이 변수들은 무엇입니까? 원자로 나 시스템이 가지고 있어야하는 압력이나 온도와 같은 물리적 인 것도 있습니다. 그리고 다른 것들은 용매의 유형, pH, 염분, 분자 구조 등과 같은 화학적이다..

그러나,이 변수들에 도달하기 전에, 우선 우리는 현재 반응의 동력학을 연구해야한다.

어떻게? 농도 변화를 통해 특정 특성이 첫 번째 것에 비례하여 정량화되는 경우 따라야합니다. 역사를 통틀어이 방법은보다 정교 해져보다 정확하고 정밀한 측정을 가능하게하고 점점 더 작은 간격으로.

반응 속도

화학 반응의 속도를 결정하기 위해서는 관련된 화학 종의 시간에 따라 농도가 어떻게 변하는지를 알아야합니다. 이 속도는 많은 요인에 크게 좌우되지만 가장 중요한 것은 "천천히"발생하는 반응에 대해 측정 할 수 있다는 것입니다..

여기에서 "천천히"라는 단어는 상대적이며 사용 가능한 도구 기술로 측정 할 수있는 모든 것에 대해 정의됩니다. 예를 들어, 반응이 장비의 측정 용량보다 훨씬 더 빠르다면, 정량적이지 않으며 그 반응 속도도 연구 될 수 없습니다..

그런 다음 반응 속도는 평형에 도달하기 전에 모든 공정의 역치에서 결정됩니다. 왜? 평형 상태에서 직접 반응 (생성물 생성)과 역반응 (반응물 형성)의 속도가 동일하기 때문에.

시스템에 작용하는 변수, 결과적으로 반응의 속도 또는 반응 속도를 제어함으로써 이상적인 조건을 선택하여 가장 원하는 안전 시간에 일정량의 제품을 생성 할 수 있습니다.

반면에,이 지식은 반응의 수행을 증가시킬 때 가치있는 분자 메커니즘을 나타낸다..

정의

속도는 시간의 함수로서 크기의 변화이다. 이 연구에서 농도의 변화를 시간, 분, 분으로 결정하는 데 관심이 있습니다. 나노, 피크 또는 심지어 펨토초 (10^{-15 명}s).

그것은 많은 유닛을 가질 수 있지만, 가장 간단하고 쉬운 유닛은 모두 M^-1, 또는 mol / L · s와 같은 값. 단위와는 상관없이, 물리적 양 (치수 또는 질량과 같은)이기 때문에 항상 양수 값을 가져야합니다..

그러나 합의에 따라 시약의 실종 률은 음의 부호를 가지며 제품의 출현 률, 양의 부호.

그러나 반응물과 생성물에 고유 한 속도가 있다면 어떻게 전반적인 반응의 속도를 결정할 것인가? 그 답은 화학량 론적 계수에있다..

일반 방정식

다음의 화학 반응식은 A와 B가 C와 D를 형성하는 반응을 나타낸다.

~A + bB => cC + dD

몰 농도는 일반적으로 괄호 안에 표시되며, 예를 들어, 종 A의 농도는 [A]로 표시됩니다. 따라서, 포함 된 화학 종 각각에 대한 반응 속도는 다음과 같다 :

수학 식에 따르면, 반응의 속도에 도달하기위한 4 가지 경로가있다 : 반응물 (A 또는 B) 또는 생성물 (C 또는 D)의 농도 변화가 측정된다.

그런 다음 이들 값 중 하나와 정확한 화학량 론적 계수를 사용하여 반응 속도 rxn을 구하기 위해 후자로 나눕니다..

반응 속도가 양의 값이기 때문에 음의 부호는 반응물의 음의 속도 값을 곱합니다. 이 이유 때문에 계수 ~ 및 b (-1).

예를 들어, A의 소실 속도가 - (5M / s)이고 화학 양롞 계수 ~ 2이면 속도 rxn은 2.5M / s ((-1/2) x 5).

디저트 예제

제품이 디저트라면, 비유에 의한 성분이 반응물이됩니다. 그리고 화학 반응식, 제조법 :

7쿠키 + 3Brownies + 1Salad => 1Postre

그리고 달콤한 성분 각각에 대한 속도와 동일한 디저트가 있습니다 :

따라서 디저트가 만들어지는 속도는 쿠키, 브라우니, 아이스크림 또는 전체 세트의 변형으로 결정될 수 있습니다. 화학 양롞 계수 (7, 3, 1, 1) 사이에서 다음으로 나눕니다. 그러나 경로 중 하나가 다른 경로보다 쉬울 수도 있습니다..

예를 들어, [디저트]가 다른 시간 간격으로 증가하는 방식을 측정하는 경우 이러한 측정은 복잡 할 수 있습니다.

반면에, 브라우니 나 아이스크림보다 농도를 쉽게 결정할 수있는 수 또는 일부 속성으로 인해 [쿠키]를 측정하는 것이 더 편리하고 실용적 일 수 있습니다.

그것을 결정하는 방법

간단한 반응 A => B가 주어지면, 예를 들어 수용액에서 A가 녹색 착색을 나타내면 그 농도에 따라 달라집니다. 따라서 A가 B가되면 녹색이 사라지고이 소실을 정량화하면 [A] 대 t의 곡선을 얻을 수 있습니다.

반면에, B가 산성 종이라면, 용액의 pH는 7 이하로 떨어질 것이다. 따라서 pH의 감소로부터 [B]를 얻고 그래프 [B]와 t를 연속적으로 얻는다. 두 그래프를 오버레이하면 다음과 같이 평가됩니다.

그래프에서 [A]는 시간이 지남에 따라 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 왜냐하면 시간이 경과함에 따라 소비되기 때문에, 제품이기 때문에 곡선 [B]가 양의 기울기로 어떻게 증가 하는지를 알 수 있습니다.

또한 [A]는 0이되는 경향이 있고 (평형이 없다면) [B]가 화학량 론에 의해 지배되는 최대 값에 도달하고 반응이 완료되면 (모든 A가 소비 됨).

A와 B의 반응 속도는이 곡선들 중 하나의 접선입니다. 즉, 파생 상품.

반응 속도에 영향을 미치는 요인

화학 종의 본질

모든 화학 반응이 즉각적 이었다면, 그들의 운동 연구는 존재하지 않을 것이다. 많은 사람들은 측정 할 수 없을만큼 빠른 속도를 가지고 있습니다. 즉, 그들은 측정 할 수 없다..

따라서 이온 간의 반응은 일반적으로 매우 빠르고 완전합니다 (수율 약 100 %). 반면에, 유기 화합물과 관련된 것들은 약간의 시간이 필요합니다. 첫 번째 유형의 반응은 다음과 같습니다.

H₂그래서₄ + 2NaOH => Na₂그래서₄ + 2H₂O

이온들 사이의 강력한 정전기 상호 작용은 물과 황산나트륨의 신속한 형성에 유리합니다. 대조적으로, 두 번째 유형의 반응은 예를 들어 아세트산의 에스테르 화 반응이다 :

CH₃COOH + CH₃CH₂OH => CH₃쿡₂CH₃ + H₂O

물이 또한 형성 되더라도, 반응은 즉각적인 것이 아닙니다. 호의적 인 조건 하에서조차 몇 시간이 걸린다..

그러나 다른 변수는 반응 속도에 더 큰 영향을 미친다 : 반응물의 농도, 온도, 압력 및 촉매의 존재.

시약의 농도

화학 반응 속도론에서 무한과 분리 된 연구 공간은 시스템이라고 부릅니다. 예를 들어, 반응기, 비이커, 플라스크, 구름, 별 등은 연구중인 시스템으로 간주 될 수 있습니다.

따라서 시스템 내에서 분자는 정적이 아니라 모든 구석으로 "이동"합니다. 이러한 변위 중 일부는 다른 분자와 충돌하여 제품을 튀거나 발생시킵니다.

그런 다음, 충돌 횟수는 반응물의 농도에 비례합니다. 상부 이미지는 시스템이 저농도에서 고농도로 어떻게 변화하는지 보여줍니다.

또한 더 많은 충돌이있는 한 반응 속도는 더 빨라질 것입니다. 두 분자가 반응 할 확률이 증가하기 때문입니다.

반응물이 기체 인 경우, 변하기 쉬운 압력이 처리되고 많은 기존 방정식 (이상 기체 등) 중 하나를 가정 한 기체 농도와 관련됩니다. 또는 또한, 시스템의 부피가 감소되어 가스 분자가 충돌 할 가능성을 증가시킨다.

온도

충돌 횟수가 증가하더라도 모든 분자가 프로세스의 활성화 에너지를 극복하는 데 필요한 에너지를 갖는 것은 아닙니다.

이것은 온도가 중요한 역할을하는 곳입니다. 분자를 열적으로 가속시켜 더 많은 에너지와 충돌하는 기능을 수행합니다.

따라서 일반적으로 시스템의 온도가 10 ℃ 상승 할 때마다 반응 속도가 두 배가됩니다. 그러나 모든 반응에 대해 항상 그런 것은 아닙니다. 이 증가를 예측하는 방법은 무엇입니까? Arrhenius 방정식은 질문에 답합니다.

d (lnK) / dT = E / (RT²)

K는 온도 T에서의 속도 상수, R은 가스의 상수, E는 활성화 에너지이다. 이 에너지는 시약이 반응하기 위해 확장해야하는 에너지 장벽을 나타냅니다.

운동 연구를 수행하기 위해서는 촉매없이 온도를 일정하게 유지하는 것이 필요합니다. 촉매제는 무엇입니까? 그들은 반응에 개입하지만 소비되지 않고 활성 에너지를 감소시키는 외부 종입니다.

포도당과 산소의 반응에 대한 촉매 반응의 개념은 위의 이미지에서 설명됩니다. 빨간색 선은 효소 (생물학적 촉매)가없는 활성화 에너지를 나타내는 반면, 파란색 선은 활성화 에너지의 감소를 나타냅니다.

화학 반응 속도론에서의 반응 순서

화학 반응식에서 반응의 메커니즘과 관련된 화학량 론적 인 지표는 동일한 지표의 지표와 동일하지 않다. 화학 반응은 보통 1 차 또는 2 차 오더를 나타내지 만 거의 3 차 오더가 아닙니다..

왜 그럴까요? 세 개의 에너지 적으로 흥분하는 분자의 충돌은 거의 일어나지 않으며, 확률이 극소 인 4 배 또는 5 배의 충돌도 그렇습니다. 분수 반응 명령도 가능합니다. 예 :

NH₄Cl <=>NH₃ + HCl

반응은 한 방향 (왼쪽에서 오른쪽)에서 첫 번째 순서이고 다른 쪽에서는 두 번째 순서 (오른쪽에서 왼쪽으로)는 균형이라고 간주됩니다. 다음의 균형은 양방향에서 두 번째입니다 :

2HI <=> H₂ + 나는₂

분자 성과 반응 순서는 동일합니까? 아닙니다. 분자 수는 반응을 일으켜 생성물을 생성하는 분자의 수이며 전체 반응의 순서는 속도를 결정하는 단계에 포함 된 시약의 순서와 같습니다.

2KMnO₄ + 10KI + 8H₂그래서₄ => 2MnSO₄ + 5I₂ + 6K₂그래서₄ + 8H₂O

이 반응은 높은 화학량 론적 지수 (분자량)를 가지고 있음에도 불구하고 실제로 2 차 반응이다. 즉, 속도의 결정 단계는 2 차.

0 차 반응

그들은 이질적인 반응의 경우에 발생합니다. 예 : 액체와 고체 사이. 따라서, 속도는 반응물의 농도와 무관하다.

마찬가지로, 시약이 0의 반응 차수를 갖는다면 그것은 반응 속도의 결정 단계에 참여하지 않는다는 것을 의미하지만, 반응 속도가 빠른 반응 순서.

1 차 반응

A => B

1 차 반응은 다음 속도 법칙에 의해 결정됩니다.

V = k [A]

A의 농도가 두 배가되면 반응 속도 V도 증가합니다. 따라서 속도는 반응을 결정하는 단계에서 시약의 농도에 비례합니다.

2 차 반응

2A => B

A + B => C

이 유형의 반응에서는 방금 작성된 두 화학 방정식 에서처럼 두 종의 개입이 이루어집니다. 반응 속도 법칙은 다음과 같습니다.

V = k [A]²

V = k [A] [B]

첫 번째 반응 속도는 A의 농도의 제곱에 비례하며, 두 번째 경우에는 1 차 반응의 경우와 동일합니다 : 속도는 A와 B의 농도에 정비례합니다.

반응 순서와 분자량

이전의 예에 따르면, 화학량 론 계수는 반응 순서와 일치하거나 일치하지 않을 수있다.

그러나 이것은 반응 단계의 분자 메커니즘을 결정하는 기본 반응에 대해 발생합니다. 이 반응에서 계수는 참여하는 분자의 수와 같습니다..

예를 들어, A의 분자는 B 중 하나와 반응하여 C의 분자를 형성합니다. 여기서 분자량은 반응물에 대해 1이고 속도 법칙의 표현에서 반응 순서와 일치합니다.

따라서 분자 수는 항상 정수가되어야하고 확률 론적으로는 4 미만이어야합니다.

왜? 메카니즘의 통과에서 동시에 4 개의 분자가 참여하는 것은 거의 불가능하기 때문에; 먼저 두 개를 반응시킨 다음 다른 두 개는이 제품에 반응합니다..

수학적으로 이는 반응 차수와 분자량의 주요 차이점 중 하나입니다. 반응 차수는 분수 값 (1/2, 5/2 등)을 취할 수 있습니다..

전자는 화학 종의 농도가 속도에 어떻게 영향을 주는지를 반영하지만 분자가 과정에 개입하는 방식을 반영하지 않기 때문입니다.

응용 프로그램

- 그것은 신진 대사 전의 약물이 유기체에 머무르는 시간을 결정할 수있게합니다. 또한 동역학 연구 덕분에 효소 촉매 작용은 부정적인 환경 영향을 미치는 다른 촉매에 대한 친환경 방법으로 이어질 수 있습니다. 또는 무수한 산업 공정에 사용되기도한다..

- 자동차 산업에서 엔진 내에서 전기 화학 반응을 신속하게 수행하여 차량을 시동해야합니다. 또한 유해 가스를 CO, NO 및 NO로 변환시키는 촉매 변환기가있는 배기관_x CO 안에₂, H₂O, N₂ 와 O₂ 최적의 시간 동안.

2NaN₃(s) = 2Na (s) + 3N₂(g)

-차량이 충돌 할 때 에어백이 팽창 된 이유에 대한 반응입니다. 타이어가 갑자기 제동되면 탐지기가 나트륨 아자 이드, NaN₃. 이 시약은 N을 방출하는 "폭발"합니다.₂, 가방의 전체 부피를 빠르게 차지합니다..

금속성 나트륨은 순수한 상태에서 유독하기 때문에 다른 성분과 반응하여 중화시킵니다..

참고 문헌

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