ĐỘNG HỌC HÓA HỌC: CÁC YẾU TỐ, THỨ TỰ PHẢN ỨNG VÀ ỨNG DỤNG - HÓA HỌC - 2026

Các động học hóa học là nghiên cứu về tốc độ phản ứng. Suy ra dữ liệu thực nghiệm hoặc lý thuyết về cơ chế phân tử, thông qua các định luật được biểu thị bằng các phương trình toán học. Cơ chế bao gồm một loạt các bước, một số bước nhanh và một số bước chậm.

Bước chậm nhất trong số này được gọi là bước xác định tốc độ. Vì vậy, biết các loài trung gian và cơ chế hoạt động của bước này là rất quan trọng về mặt động học. Một hình dung ở trên là giả định rằng thuốc thử được đựng trong chai và khi phản ứng, các sản phẩm thoát ra bên ngoài.

Cuối cùng, các sản phẩm nổi lên một cách tự do từ miệng chai mà không có thêm trở lực động học. Từ góc độ này, có những chai có nhiều kích cỡ và kiểu dáng. Tuy nhiên, chúng đều có một điểm chung là cổ hẹp, chỉ số đánh giá bước quyết định của phản ứng.

Động học hóa học nghiên cứu những gì?

Về mặt thực nghiệm, nhánh hóa học này nghiên cứu sự thay đổi nồng độ liên quan đến một phản ứng hóa học, từ việc đo lường một tính chất cụ thể.

Động học hóa học là ngành hóa học phụ trách nghiên cứu tất cả các thông tin có thể thu được từ tốc độ của một phản ứng. Tên của nó mời bạn hình dung về một chiếc đồng hồ bỏ túi đánh dấu thời gian của một quá trình, bất kể nó xảy ra ở đâu: trong lò phản ứng, trong đám mây, trong sông, trong cơ thể người, v.v.

Tất cả các phản ứng hóa học, và do đó tất cả sự biến đổi, đều có các khía cạnh nhiệt động lực học, cân bằng và động học. Nhiệt động lực học cho biết một phản ứng có tự phát hay không; sự cân bằng mức độ định lượng của nó; và động học các điều kiện có lợi cho tốc độ của nó và cũng như dữ liệu về cơ chế của nó.

Nhiều khía cạnh thiết yếu của động học hóa học có thể được quan sát thấy trong cuộc sống hàng ngày: trong tủ lạnh, nơi làm đông lạnh thực phẩm để giảm sự hư hỏng của nó bằng cách đóng băng nước là một phần của nó. Ngoài ra, trong quá trình trưởng thành của rượu vang, sự già đi của nó mang lại cho nó hương vị dễ chịu.

Tuy nhiên, "thời gian của các phân tử" rất khác nhau ở các quy mô nhỏ bé của nó, và thay đổi rất nhiều tùy theo nhiều yếu tố (số lượng và các loại liên kết, kích thước, trạng thái của vật chất, v.v.).

Vì thời gian là cuộc sống, và nó cũng là tiền bạc, nên việc biết được những biến số nào cho phép phản ứng hóa học diễn ra nhanh nhất có thể là điều quan trọng hàng đầu. Tuy nhiên, đôi khi người ta mong muốn điều ngược lại: phản ứng xảy ra rất chậm, đặc biệt nếu nó tỏa nhiệt và có nguy cơ nổ.

Các biến này là gì? Một số là vật lý, chẳng hạn như áp suất hoặc nhiệt độ mà một lò phản ứng hoặc hệ thống phải có; và những thứ khác là hóa học, chẳng hạn như loại dung môi, độ pH, độ mặn, cấu trúc phân tử, v.v.

Tuy nhiên, trước khi tìm ra các biến này, trước hết chúng ta phải nghiên cứu động học của phản ứng hiện tại.

Làm sao? Thông qua sự thay đổi của nồng độ, có thể theo sau nếu một đặc tính cụ thể tỷ lệ với đặc tính đầu tiên được định lượng. Trong suốt lịch sử, các phương pháp ngày càng trở nên tinh vi hơn, cho phép các phép đo chính xác và chính xác hơn, và với khoảng thời gian ngày càng ngắn hơn.

Tốc độ phản ứng

Để xác định tốc độ của một phản ứng hóa học, cần biết nồng độ thay đổi như thế nào theo thời gian của bất kỳ loài nào có liên quan. Tốc độ này phụ thuộc rất nhiều vào nhiều yếu tố, nhưng điều quan trọng nhất là nó có thể đo lường được đối với những phản ứng xảy ra "chậm".

Ở đây từ "từ từ" là tương đối và được định nghĩa cho mọi thứ có thể đo được bằng các kỹ thuật nhạc cụ có sẵn. Ví dụ, nếu phản ứng xảy ra nhanh hơn nhiều so với khả năng đo của thiết bị, thì nó sẽ không thể định lượng và không thể nghiên cứu động học của nó.

Sau đó, tốc độ phản ứng được xác định ở ngưỡng của bất kỳ quá trình nào trước khi nó đạt đến trạng thái cân bằng. Tại sao? Vì ở trạng thái cân bằng, tốc độ của phản ứng thuận (tạo sản phẩm) và phản ứng nghịch (tạo chất phản ứng) bằng nhau.

Bằng cách kiểm soát các biến số tác động lên hệ thống, và do đó, động học hoặc tốc độ phản ứng của nó, các điều kiện lý tưởng có thể được chọn để tạo ra một lượng sản phẩm nhất định trong thời gian mong muốn và an toàn nhất.

Mặt khác, kiến ​​thức này còn tiết lộ cơ chế phân tử, có giá trị khi tăng hiệu suất phản ứng.

Định nghĩa

Vận tốc là sự thay đổi độ lớn như một hàm của thời gian. Đối với những nghiên cứu này, mối quan tâm nằm ở việc xác định sự thay đổi của nồng độ khi giờ và phút trôi qua; nano, pico hoặc thậm chí là femto giây (10 ^-15 giây).

Nó có thể có nhiều đơn vị, nhưng đơn giản nhất và dễ dàng nhất là M · s ^-1 , hoặc đơn vị bằng mol / L · s. Bất kể đơn vị của nó là gì, nó phải luôn có giá trị dương, vì nó là một đại lượng vật lý (chẳng hạn như kích thước hoặc khối lượng).

Tuy nhiên, theo quy ước, tỷ lệ biến mất đối với một chất phản ứng có dấu hiệu tiêu cực và tỷ lệ biến mất đối với một sản phẩm có dấu hiệu tích cực.

Nhưng nếu các chất phản ứng và sản phẩm có vận tốc riêng, thì làm thế nào để xác định tốc độ phản ứng chung? Câu trả lời là trong các hệ số phân tích.

Phương trình tổng quát

Phương trình hóa học sau thể hiện phản ứng của A và B tạo thành C và D:

a A + b B => c C + d D

Nồng độ mol thường được biểu thị trong dấu ngoặc vuông, vì vậy, ví dụ, nồng độ của loài A được viết là. Như vậy, tốc độ phản ứng đối với mỗi loại hóa chất tham gia là:

Theo phương trình toán học, có bốn con đường để đạt được tốc độ phản ứng: đo sự thay đổi nồng độ của bất kỳ chất phản ứng nào (A hoặc B) hoặc của sản phẩm (C hoặc D).

Sau đó, với một trong các giá trị này và hệ số phân vị chính xác của nó, chia cho giá trị thứ hai và do đó thu được tốc độ phản ứng rxn.

Vì tốc độ phản ứng là một đại lượng dương, dấu âm nhân với các giá trị tốc độ âm của chất phản ứng; vì lý do này, các hệ số a và b được nhân với (-1).

Ví dụ, nếu tốc độ biến mất của A là - (5M / s) và hệ số góc của nó a là 2, thì tốc độ rxn bằng 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Ví dụ về món tráng miệng

Nếu sản phẩm là một món tráng miệng, các thành phần tương tự sẽ là thuốc thử; và phương trình hóa học, công thức:

7 bánh quy + 3 bánh hạnh nhân + 1 kem => 1 món tráng miệng

Và tốc độ cho từng nguyên liệu ngọt và món tráng miệng là:

Do đó, tốc độ làm món tráng miệng có thể được xác định với sự biến đổi của bánh quy, bánh hạnh nhân, kem hoặc chính bộ bánh; sau đó chia nó cho các hệ số góc của nó (7, 3, 1 và 1). Tuy nhiên, một trong các tuyến đường có thể dễ dàng hơn các tuyến đường khác.

Ví dụ, nếu bạn đo lường nó tăng lên như thế nào trong các khoảng thời gian khác nhau, các phép đo này có thể phức tạp.

Mặt khác, việc đo lường có thể thuận tiện và thực tế hơn do số lượng hoặc một số đặc tính của chúng làm cho nồng độ của chúng dễ xác định hơn so với sô cô la hoặc kem.

Làm thế nào để xác định nó

Với phản ứng đơn giản A => B, nếu A, ví dụ, trong dung dịch nước, có màu xanh lục, thì điều này phụ thuộc vào nồng độ của nó. Do đó, khi A trở thành B, màu xanh lá cây sẽ biến mất, và nếu sự biến mất này được định lượng, thì có thể thu được đường cong so với t.

Mặt khác, nếu B là một loại axit, pH của dung dịch sẽ giảm xuống giá trị dưới 7. Do đó, từ sự giảm pH, đồ thị so với t là liên tiếp. Sau đó, chồng lên cả hai đồ thị, chúng ta có thể thấy một cái gì đó như sau:

Biểu đồ cho thấy nó giảm như thế nào theo thời gian, vì nó được tiêu thụ và đường cong tăng như thế nào với độ dốc dương vì nó là sản phẩm.

Cũng có thể thấy rằng nó có xu hướng về 0 (nếu không có trạng thái cân bằng) và nó đạt đến giá trị lớn nhất được điều chỉnh bởi phép đo phân tích và nếu phản ứng hoàn thành (tất cả A được tiêu thụ).

Tốc độ phản ứng của cả A và B là đường tiếp tuyến của một trong hai đường cong này; nói cách khác, đạo hàm.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ phản ứng

Bản chất của các loài hóa học

Nếu tất cả các phản ứng hóa học xảy ra tức thời, các nghiên cứu động học của chúng sẽ không tồn tại. Nhiều chiếc có tốc độ cao đến mức không thể đo được; nghĩa là chúng không thể đo lường được.

Do đó, phản ứng giữa các ion thường rất nhanh và hoàn toàn (với hiệu suất khoảng 100%). Mặt khác, những liên quan đến các hợp chất hữu cơ đòi hỏi một thời gian. Phản ứng thuộc loại thứ nhất là:

H ₂ SO ₄ + 2NaOH => Na ₂ SO ₄ + 2H ₂ O

Tương tác tĩnh điện mạnh mẽ giữa các ion tạo thuận lợi cho sự hình thành nhanh chóng của nước và natri sunfat. Thay vào đó, phản ứng thuộc loại thứ hai, ví dụ, phản ứng este hóa axit axetic:

CH ₃ COOH + CH ₃ CH ₂ OH => CH ₃ COOCH ₂ CH ₃ + H ₂ O

Mặc dù nước cũng được hình thành, nhưng phản ứng không phải là tức thời; ngay cả trong điều kiện thuận lợi, phải mất vài giờ để hoàn thành.

Tuy nhiên, các biến khác có ảnh hưởng nhiều hơn đến tốc độ của phản ứng: nồng độ của chất phản ứng, nhiệt độ, áp suất và sự có mặt của chất xúc tác.

Nồng độ thuốc thử

Trong động học hóa học, không gian được nghiên cứu, tách biệt với vô cùng, được gọi là hệ. Ví dụ, một lò phản ứng, một cốc, một bình, một đám mây, một ngôi sao, v.v., có thể được coi là hệ thống đang nghiên cứu.

Do đó, bên trong hệ thống, các phân tử không tĩnh mà là "đi" đến tất cả các góc của nó. Trong một số chuyển vị này, nó va chạm với một phân tử khác để bật trở lại hoặc tạo ra sản phẩm.

Khi đó số lần va chạm tỷ lệ với nồng độ của các chất phản ứng. Hình ảnh trên minh họa cách hệ thống thay đổi từ nồng độ thấp đến cao.

Ngoài ra, càng có nhiều va chạm, tốc độ phản ứng càng cao, vì khả năng hai phân tử phản ứng tăng lên.

Nếu các chất phản ứng là thể khí, thì biến áp suất được xử lý và có liên quan đến nồng độ khí với giả thiết là bất kỳ phương trình nào trong số nhiều phương trình hiện có (chẳng hạn như khí lý tưởng); Hoặc, thể tích của hệ bị giảm đi để tăng khả năng các phân tử ở thể khí va chạm.

Nhiệt độ

Mặc dù số lượng va chạm tăng lên, nhưng không phải tất cả các phân tử đều có năng lượng cần thiết để vượt quá năng lượng hoạt hóa của quá trình.

Đây là nơi mà nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng: nó thực hiện chức năng gia tốc nhiệt của các phân tử để chúng va chạm với nhiều năng lượng hơn.

Do đó, tốc độ phản ứng thường tăng gấp đôi sau mỗi lần tăng nhiệt độ hệ thống 10 ° C. Tuy nhiên, đối với tất cả các phản ứng không phải lúc nào cũng vậy. Làm thế nào để dự đoán sự gia tăng này? Phương trình Arrhenius trả lời câu hỏi:

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

K là hằng số tốc độ ở nhiệt độ T, R là hằng số khí và E là năng lượng hoạt hoá. Năng lượng này chỉ ra hàng rào năng lượng mà các chất phản ứng phải mở rộng quy mô để phản ứng.

Để thực hiện một nghiên cứu động học, cần phải giữ nhiệt độ không đổi và không có chất xúc tác. Chất xúc tác là gì? Chúng là những loài bên ngoài tham gia vào phản ứng nhưng không bị tiêu thụ, và điều đó làm giảm năng lượng hoạt hóa.

Hình ảnh trên minh họa khái niệm xúc tác cho phản ứng của glucozơ với oxy. Đường màu đỏ thể hiện năng lượng hoạt hóa mà không có enzyme (chất xúc tác sinh học), trong khi với nó, đường màu xanh cho thấy sự giảm năng lượng hoạt hóa.

Thứ tự phản ứng trong động học hóa học

Trong một phương trình hóa học, các chỉ số đo phân vị, liên quan đến cơ chế phản ứng, không bằng các chỉ số có cùng bậc. Các phản ứng hóa học thường có bậc một hoặc bậc hai, hiếm khi có bậc ba trở lên.

Để làm gì đây? Bởi vì va chạm của ba phân tử được kích thích mạnh mẽ là không thể xảy ra, và thậm chí nhiều hơn nữa là va chạm gấp bốn hoặc gấp năm, trong đó xác suất là vô số. Lệnh phản ứng phân số cũng có thể. Ví dụ:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

Phản ứng là bậc nhất theo một chiều (từ trái sang phải) và bậc hai theo chiều khác (từ phải sang trái) nếu nó được coi là cân bằng. Trong khi cân bằng sau là bậc hai theo cả hai hướng:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Tính phân tử và thứ tự phản ứng giống nhau? Không. Độ phân tử là số lượng phân tử phản ứng để tạo ra sản phẩm và thứ tự phản ứng tổng thể giống như thứ tự của các chất phản ứng tham gia vào bước xác định tốc độ.

2KMnO ₄ + 10KI + 8H ₂ SO ₄ => 2MnSO ₄ + 5I ₂ + 6K ₂ SO ₄ + 8H ₂ O

Phản ứng này, mặc dù có chỉ số đo phân vị cao (tính theo số mol), thực chất là phản ứng bậc hai. Nói cách khác, bước xác định tốc độ là bậc hai.

Phản ứng thứ tự không

Chúng xảy ra trong trường hợp phản ứng dị thể. Ví dụ: giữa chất lỏng và chất rắn. Do đó, tốc độ không phụ thuộc vào nồng độ của các chất phản ứng.

Tương tự như vậy, nếu một chất phản ứng có bậc phản ứng bằng 0, điều đó có nghĩa là nó không tham gia vào bước xác định tốc độ, nhưng ở bước nhanh.

Phản ứng bậc nhất

A => B

Phản ứng bậc nhất được điều chỉnh bởi luật tỷ lệ sau:

V = k

Nếu nồng độ của A tăng gấp đôi thì tốc độ phản ứng V tăng gấp đôi. Do đó, tốc độ tỷ lệ thuận với nồng độ của thuốc thử trong bước xác định của phản ứng.

Phản ứng bậc hai

2A => B

A + B => C

Hai loài tham gia vào loại phản ứng này, giống như trong hai phương trình hóa học vừa viết. Định luật tốc độ cho các phản ứng là:

V = k ²

V = k

Ở phản ứng thứ nhất, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với bình phương nồng độ của A, còn ở phản ứng thứ hai, tốc độ phản ứng xảy ra tương tự như trong phản ứng bậc nhất: tốc độ tỉ lệ thuận với nồng độ của cả A và B.

Thứ tự phản ứng so với số mol

Theo ví dụ trước, các hệ số phân vị có thể trùng hoặc không với các bậc của phản ứng.

Tuy nhiên, điều này xảy ra đối với các phản ứng nguyên tố, xác định cơ chế phân tử của bất kỳ bước nào trong phản ứng. Trong các phản ứng này các hệ số bằng số phân tử tham gia.

Ví dụ, một phân tử của A phản ứng với một trong số B để tạo thành phân tử C. Ở đây số mol của các chất phản ứng là 1 và do đó trong biểu thức của định luật tốc độ, chúng trùng với thứ tự phản ứng.

Từ đó suy ra rằng số mol phải luôn là một số nguyên, và theo xác suất, nhỏ hơn bốn.

Tại sao? Bởi vì trong quá trình chuyển giao một cơ chế, rất khó có khả năng bốn phân tử tham gia cùng một lúc; hai trong số họ có thể phản ứng trước, và sau đó hai người còn lại sẽ phản ứng với sản phẩm này.

Về mặt toán học, đây là một trong những điểm khác biệt chính giữa thứ tự phản ứng và tính theo số mol: thứ tự phản ứng có thể nhận các giá trị phân số (1/2, 5/2, v.v.).

Điều này là do trước đây chỉ phản ánh nồng độ của các loài ảnh hưởng đến tốc độ như thế nào chứ không phản ánh cách các phân tử của chúng can thiệp vào quá trình này.

Các ứng dụng

- Nó cho phép xác định thời gian mà một loại thuốc vẫn còn trong cơ thể trước khi chuyển hóa hoàn toàn. Tương tự như vậy, nhờ các nghiên cứu động học, xúc tác enzym có thể được tuân theo như các phương pháp xanh so với các chất xúc tác khác có tác động tiêu cực đến môi trường; hoặc cũng được sử dụng trong vô số quy trình công nghiệp.

- Trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là trong động cơ, nơi các phản ứng điện hóa phải được thực hiện nhanh chóng để xe khởi động. Ngoài ra, trong ống xả của nó, có bộ chuyển đổi xúc tác để chuyển hóa các khí độc hại CO, NO và NO _x thành CO ₂ , H ₂ O, N ₂ và O ₂ trong thời gian tối ưu.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

- Đó là phản ứng đằng sau lý do tại sao túi khí bung ra, 'túi khí', khi xe va chạm. Khi lốp xe phanh cứng, một máy dò điện sẽ kích nổ natri azit, NaN ₃ . Thuốc thử này “nổ” giải phóng N ₂ chiếm toàn bộ thể tích của túi một cách nhanh chóng.

Natri kim loại sau đó phản ứng với các thành phần khác để trung hòa nó, vì ở trạng thái nguyên chất, nó rất độc.

Người giới thiệu

1. Walter J. Moore. (Năm 1963). Hóa lý. Trong Động học hóa học. Ấn bản thứ tư, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Nguyên lý hóa lý. Tái bản lần thứ sáu, trang 479-540. Đồi Mc Graw.
3. UAwiki. (23 tháng 12 năm 2011). Va chạm phân tử-là. . Được lấy vào ngày 30 tháng 4 năm 2018, từ: es.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Giáo trình hóa lý. Trong Động học hóa học. Phiên bản thứ hai. D. Van Nostrand, Company, Inc.
5. Tiến sĩ Anne Marie Helmenstine (Ngày 8 tháng 3 năm 2017). Định nghĩa động học hóa học. Được truy cập vào ngày 30 tháng 4 năm 2018, từ: thinkco.com
6. Học viện Khan. (2018). Tỷ lệ phản ứng và định luật tỷ lệ. Được lấy vào ngày 30 tháng 4 năm 2018, từ: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (Ngày 26 tháng 7 năm 2010). Động học hóa học. Truy cập ngày 30 tháng 4 năm 2018, từ: quimicafisica.com