Kinetik ist der Zweig der physikalischen Chemie, der die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen untersucht. Im Gegensatz dazu sagt uns die Thermodynamik, welche Reaktionsrichtung bevorzugt wird, ohne ihre Reaktionsgeschwindigkeit zu offenbaren. Einige Reaktionen können thermodynamisch begünstigt, aber kinetisch ungünstig sein.
Bei der Umwandlung von Diamant in Graphit hat Graphit beispielsweise eine geringere freie Energie als Diamant, so dass die Umwandlung thermodynamisch begünstigt wird. Es gibt jedoch eine große Aktivierungsbarriere für Diamant, um alle Bindungen zu brechen und zu reformieren stabile Graphitkonfiguration, daher ist diese Reaktion kinetisch ungünstig und findet nicht statt.
Reaktionsrate
Das Reaktionsrate ist ein Maß dafür, wie schnell die Produkte gebildet und die Reaktanten verbraucht werden. Sie können dies also durch Messung der Konzentrationsänderung von Produkten oder Reaktanten über einen bestimmten Zeitraum bestimmen. Betrachten Sie eine allgemeine chemische Reaktion:
aA + bB > cC + dD
Die Reaktionsgeschwindigkeit kann wie folgt geschrieben werden:
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Zum Beispiel die Reaktionsgeschwindigkeit für:
2 NO(g) + 2 H2 (g) > N2(g) + 2 H2O(g)
wird gegeben von
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Um die Geschwindigkeit dieser Reaktion experimentell zu bestimmen, können Sie die Konzentration von H. messen2 zu verschiedenen Zeitpunkten der Reaktion und tragen Sie sie wie folgt gegen die Zeit auf:
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Das durchschnittliche Reaktionsgeschwindigkeit ist eine Annäherung an die Reaktionsgeschwindigkeit in einem Zeitintervall und kann bezeichnet werden durch:
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Das momentane Reaktionsgeschwindigkeit ist definiert als die Reaktionsgeschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt. Es ist eine Differenzrate und kann ausgedrückt werden durch:
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Wo d[H2]/dt ist die Steigung für die Konzentrationskurve von H2 gegen die Zeit zum Zeitpunkt t.
Das anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit ist die momentane Geschwindigkeit zu Beginn der Reaktion, wenn t = 0 ist. In diesem Fall ist die Einheit für die durchschnittliche, momentane und anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit ist M/s.
Ratengesetz
In den meisten Fällen hängt die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der verschiedenen Reaktionspartner zum Zeitpunkt t ab. Bei einer höheren Konzentration aller Reaktanten kollidieren beispielsweise Reaktanten häufiger und führen zu einer schnelleren Reaktion. Der Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit ν(t) und den Konzentrationen ist definiert als Ratengesetz. Und das Geschwindigkeitsgesetz für die allgemeine chemische Reaktion aA + bB > cC + dD lautet:
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Wobei k die Geschwindigkeitskonstante ist und die Leistung x und y die Auftrag der Reaktion in Bezug auf die Reaktanten A und B. Das Geschwindigkeitsgesetz muss experimentell bestimmt werden und kann nicht allein aus der Stöchiometrie einer ausgewogenen chemischen Reaktion abgeleitet werden.
Methode der Anfangskurse
Das Geschwindigkeitsgesetz kann bestimmt werden durch die Methode der Anfangskurse. Bei dieser Methode wird das Experiment mehrmals durchgeführt, wobei nur die Konzentration eines Reaktanten für jeden Lauf geändert wird, während andere Variablen konstant gehalten werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird für jeden Lauf gemessen, um die Reihenfolge jedes Reaktanten im Geschwindigkeitsgesetz zu bestimmen.
Betrachten Sie beispielsweise die folgenden Anfangsgeschwindigkeitsdaten für die Reaktion:
2 NO(g) + 2 H2 (g) > N2(g) + 2 H2O(g)
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Für Versuch 1 und 3 wird die Konzentration von NO konstant gehalten, während die Konzentration von H2 wird verdoppelt. Als Ergebnis verdoppelt sich auch die anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit (denken Sie an 21), sodass Sie auf y = 1 schließen können. Für Versuch 1 und 2 wird die Konzentration von NO verdoppelt, während die Konzentration von H2 bleibt konstant. Das Ergebnis dieser Änderung ist, dass sich die Anfangsrate vervierfacht (stellen Sie sich vor als 22). Daraus kann man x = 2 schließen.
Das Geschwindigkeitsgesetz für diese Reaktion lautet daher:
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Und die Reaktion ist erste Bestellung in H2 und zweite Bestellung im NR.