Hemijska kinetika

Izvor: Wikipedia
(Preusmjereno sa Kemijska kinetika)

Hemijska termodinamika omogućava predviđanje da li će se neka hemijska reakcija odvijati u određenom smijeru ili ne. Međutim, termodinamika ne govori ništa o brzini hemijskih reakcija. Brzina hemijske reakcije i faktori koji utiču na brzinu su predmet proučavanja hemijske kinetike.

Brzina hemijske reakcije[uredi - уреди]

Brzina hemijske reakcije je promjena koncentracije rekatanta ili produkta sa vremenom. Npr. za neku opštu reakciju:

\ a A + b B \rightarrow c C + d D

brzina reakcije je definisana:

v = -\frac{1}{a}\frac{d[A]}{dt} =-\frac{1}{b}\frac{d[B]}{dt} = \frac{1}{c}\frac{d[C]}{dt} = \frac{1}{d}\frac{d[D]}{dt}

Prema eksperimentalnim podacima, mnoge hemijske reakcije imaju sljedeći oblik izraza za brzinu:

\ v = k [A]^m[B]^n

Suma eksponenata iznad koncentracija (m + n) u izrazu za brzinu, predstavlja red reakcije. Izraz za brzinu se može izvesti iz stehiometrijskih odnosa samo ako se radi o elementarnoj reakciji. U slučaju da ispitivana reakcija teče u više zasebnih koraka, izraz za brzinu se određuje isključivo eksperimentalno. Veličina k je konstanta brzine reakcije.

Reakcija prvog reda[uredi - уреди]

Reakcija prvog reda se može prikazati na sljedeći način:

\ A \rightarrow P

Brzina reakcije je direktno proporcionalna sa koncentracijom rekatanta. Izraz za brzinu reakcije prvog reda je:

\ v  = -\frac{d[A]}{dt} = k[A]

Integrirani oblik izraza je:

k = \frac{1}{t} ln \frac{A_{0}}{A_{t}}

gdje je: k – konstanta brzine reakcije

A0 – početna koncentracija reaktanta

At – koncentracija reaktanta u vremenu t

Primjeri reakcija prvog reda:

  • \mbox{H}_2 \mbox{O}_2 (l) \rightarrow \; \mbox{H}_2\mbox{O} (l) + \frac{1}{2}\mbox{O}_2 (g)
  • \mbox{SO}_2 \mbox{Cl}_2 (l) \rightarrow \; \mbox{SO}_2 (g) + \mbox{Cl}_2 (g)
  • 2\mbox{N}_2 \mbox{O}_5 (g) \rightarrow \; 4\mbox{NO}_2 (g) + \mbox{O}_2 (g)

Poluvrijeme reakcije je vrijeme za koje izreaguje polovina od početne koncentracije reaktanta.

Reakcija drugog reda[uredi - уреди]

Za reakciju drugog reda zakon za brzinu je:

\ v = k[A]^2 ili \ v = k[A][B]

Integriranjem se dobije izraz:

\frac{1}{[A]} = kt + \frac{1}{[A]_0} ili
\frac{[A]}{[B]} = \frac{[A]_0}{[B]_0} e^{([A]_0 - [B]_0)kt}

Primjer reakcije drugog reda:

  • 2\mbox{NO}_2(g) \rightarrow \; 2\mbox{NO}(g) + \mbox{O}_2(g)

Reakcija drugog reda se može svesti na reakciju pseudo-prvog reda, ako se koncentracija jednog od reaktanata drži konstantnom.

Reakcija nultog reda[uredi - уреди]

Reakcija nultog reda je reakcija tipa: A → produkti, koja ima sljedeći izraz za brzinu:

v=-\frac{d[A]}{dt}=k

Tokom reakcije brzina ostaje konstantna, nezavisna od koncentracije reaktanta A. Integrirani oblik zakona za brzinu je:

\ [A]_t = -kt + [A]_0

Reakcije nultog reda nisu česte, ali postoje neki primjeri (npr. razlaganje gasovitog amonijaka NH3 na zagrijanoj površini platine).[1]

2NH_3 (g) \rightarrow \; 3H_2 (g) + N_2 (g)

Pregled izraza za brzinu za reakcije nultog, prvog, drugog i n-tog reda[uredi - уреди]

Reakcija 0 reda Reakcija I reda Reakcija II reda Reakcija n-tog reda
Izraz za brzinu -\frac{d[A]}{dt} = k -\frac{d[A]}{dt} = k[A] -\frac{d[A]}{dt} = k[A]^2 -\frac{d[A]}{dt} = k[A]^n
Integrisani oblik \ [A] = [A]_0 - kt \ [A] = [A]_0 e^{-kt} \frac{1}{[A]} = \frac{1}{[A]_0} + kt \frac{1}{[A]^{n-1}} = \frac{1}{{[A]_0}^{n-1}} + (n-1)kt

[Osim prvog reda]

Jedinica za konstantu (k) \frac{M}{s} \frac{1}{s} \frac{1}{M \cdot s} \frac{1}{M^{n-1} \cdot s}
Linearna funkcija za određivanje k [A] \ \mbox{vs.} \ t \ln ([A]) \ \mbox{vs.} \ t \frac{1}{[A]} \ \mbox{vs.} \ t \frac{1}{[A]^{n-1}} \ \mbox{vs.} \ t

[Osim prvog reda]

Poluvrijeme t_{1/2} = \frac{[A]_0}{2k} t_{1/2} = \frac{\ln (2)}{k} t_{1/2} = \frac{1}{[A]_0 k} t_{1/2} = \frac{2^{n-1}-1}{(n-1)k[A_0]^{n-1}}

[Osim prvog reda]

Uticaj temperature na brzinu hemijske reakcije[uredi - уреди]

Arrheniusova jednačina opisuje uticaj temperature na brzinu hemijske reakcije:

k = A e^{{-E_a}/{RT}}

logaritmiranjem se dobije:

\ln(k)= \frac{-E_a}{R}\frac{1}{T} + \ln(A)

gdje je: Ea - energija aktivacije, R – gasna konstanta, A – predeksponencijalni faktor. U uskom temperaturnom intervalu se pretpostavlja da je energija aktivacije konstantna.

Vanjske veze[uredi - уреди]

  1. Chemical Kinetics Peter Keusch

Reference[uredi - уреди]

  1. McMurry, J., Fay, R.C.: Chemistry, Fourth Edition, Prentice Hall, 2003 ISBN 0-13-140208-0