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:

$aA+bB\to cC+dD$

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:

$A\to P$

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:

• ${\text{H}}_2{\text{O}}_2(l)\to {\text{H}}_2\text{O}(l)+\frac{1}{2}{\text{O}}_2(g)$
• ${\text{SO}}_2{\text{Cl}}_2(l)\to {\text{SO}}_2(g)+{\text{Cl}}_2(g)$
• $2{\text{N}}_2{\text{O}}_5(g)\to 4{\text{NO}}_2(g)+{\text{O}}_2(g)$

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:

• $2{\text{NO}}_2(g)\to 2\text{NO}(g)+{\text{O}}_2(g)$

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).

$2N{H}_3(g)\to 3H_2(g)+N_2(g)$

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	$[A]\text{vs.}t$	$\ln ([A])\text{vs.}t$	$\frac{1}{[A]}\text{vs.}t$	$\frac{1}{[A{]}^{n-1}}\text{vs.}t$ [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:

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

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 Šablon:Webarchive