Hemijska kinetika

Hemijska termodinamika omogućava predviđanje da li će se neka hemijska reakcija odvijati u određenom smjeru 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

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

$\ aA+bB\rightarrow cC+dD$

brzina reakcije je definisana kao:

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

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

Reakcija prvog reda se može prikazati na sljedeći način:

$\ A\rightarrow P$

Brzina reakcije je direktno proporcionalna sa koncentracijom reaktanta. 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

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

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).

$2NH_{3}(g)\rightarrow \;3H_{2}(g)+N_{2}(g)$

Pregled izraza za brzinu za reakcije nultog, prvog, drugog i n-tog reda

	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

Arrheniusova jednačina opisuje uticaj temperature na brzinu hemijske reakcije:

$k=Ae^{{-E_{a}}/{RT}}$

Logaritmiranjem se dobije:

$\ln(k)={\frac {-E_{a}}{R}}{\frac {1}{T}}+\ln(A)$

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

Vanjske veze

• Chemical Kinetics Peter Keusch Arhivirano 2007-12-24 na Wayback Machine-u