KINETIKA KIMIA: FAKTOR, URUTAN REAKSI DAN APLIKASI - KIMIA - 2025

The kinetika kimia adalah studi tentang laju reaksi. Simpulkan data eksperimental atau teoritis tentang mekanisme molekuler, melalui hukum yang diekspresikan oleh persamaan matematika. Mekanisme terdiri dari serangkaian langkah, sebagian cepat dan sebagian lambat.

Yang paling lambat dari ini disebut langkah penentu kecepatan. Oleh karena itu, mengetahui spesies perantara dan mekanisme operasi dari langkah ini sangat penting dalam istilah kinetik. Salah satu visualisasi di atas adalah dengan mengasumsikan bahwa reagen tertutup dalam botol dan, ketika bereaksi, produk keluar ke luar.

Akhirnya, produk keluar dengan bebas dari mulut botol tanpa hambatan kinetik lebih lanjut. Dari sudut pandang ini, ada botol dengan berbagai ukuran dan desain. Namun, mereka semua memiliki satu elemen yang sama: leher sempit, sebuah indikator dari langkah reaksi yang menentukan.

Apa yang dipelajari kinetika kimia?

Secara eksperimental, cabang kimia ini mempelajari variasi konsentrasi yang terlibat dalam reaksi kimia, berdasarkan pengukuran sifat tertentu.

Kinetika kimia adalah cabang kimia yang bertugas mempelajari semua informasi yang dapat diturunkan dari kecepatan suatu reaksi. Namanya mengundang Anda untuk membayangkan arloji saku menandai waktu suatu proses, di mana pun itu terjadi: di reaktor, di awan, di sungai, di tubuh manusia, dll.

Semua reaksi kimia, dan oleh karena itu, semua transformasi, memiliki aspek termodinamika, kesetimbangan, dan kinetik. Termodinamika menunjukkan apakah suatu reaksi terjadi secara spontan atau tidak; keseimbangan derajat kuantifikasinya; dan kinetika kondisi yang mendukung kecepatan dan data tentang mekanismenya.

Banyak aspek penting dari kinetika kimiawi dapat diamati dalam kehidupan sehari-hari: di lemari es, yang membekukan makanan untuk mengurangi pembusukannya dengan membekukan air yang merupakan bagian darinya. Juga, dalam pematangan anggur, yang penuaan memberinya rasa yang menyenangkan.

Namun, "waktu molekul" sangat berbeda dalam skala kecilnya, dan sangat bervariasi menurut banyak faktor (jumlah dan jenis ikatan, ukuran, keadaan materi, dll.).

Karena waktu adalah kehidupan, dan juga uang, mengetahui variabel mana yang memungkinkan reaksi kimia berlangsung secepat mungkin adalah yang paling penting. Namun, terkadang yang diinginkan sebaliknya: bahwa reaksi terjadi sangat lambat, terutama jika eksotermik dan ada risiko ledakan.

Apa variabel-variabel ini? Beberapa bersifat fisik, seperti pada tekanan atau suhu berapa reaktor atau sistem seharusnya; dan lainnya bersifat kimiawi, seperti jenis pelarut, pH, salinitas, struktur molekul, dll.

Namun, sebelum menemukan variabel-variabel ini, kita harus mempelajari kinetika reaksi ini terlebih dahulu.

Bagaimana? Melalui variasi konsentrasi, yang dapat diikuti jika properti tertentu yang sebanding dengan yang pertama dihitung. Sepanjang sejarah, metode menjadi lebih canggih, memungkinkan pengukuran yang lebih akurat dan tepat, dan dengan interval yang semakin pendek.

Kecepatan reaksi

Untuk menentukan kecepatan reaksi kimia, perlu diketahui bagaimana konsentrasi bervariasi dari waktu ke waktu dari setiap spesies yang terlibat. Kecepatan ini sangat bergantung pada banyak faktor, tetapi yang paling penting adalah kecepatan ini dapat diukur untuk reaksi yang terjadi "lambat".

Di sini, kata "perlahan" bersifat relatif dan didefinisikan untuk segala sesuatu yang dapat diukur dengan teknik instrumen yang tersedia. Jika, misalnya, reaksi jauh lebih cepat daripada kapasitas pengukuran peralatan, maka reaksi tersebut tidak akan bersifat kuantitatif dan kinetiknya tidak dapat dipelajari.

Kemudian, laju reaksi ditentukan di ambang setiap proses sebelum mencapai kesetimbangan. Mengapa? Karena dalam kesetimbangan kecepatan reaksi maju (pembentukan produk) dan reaksi balik (pembentukan reaktan) adalah sama.

Dengan mengontrol variabel yang bekerja pada sistem, dan akibatnya, kinetika atau kecepatan reaksinya, kondisi ideal dapat dipilih untuk menghasilkan sejumlah produk dalam waktu yang paling diinginkan dan aman.

Di sisi lain, pengetahuan ini mengungkap mekanisme molekuler, yang sangat berharga saat meningkatkan hasil reaksi.

Definisi

Kecepatan adalah perubahan besaran sebagai fungsi waktu. Untuk studi-studi ini, perhatiannya terletak pada penentuan variasi konsentrasi saat jam dan menit berlalu; nano, pico, atau bahkan femtoseconds (10 ^-15 s).

Ia dapat memiliki banyak unit, tetapi yang paling sederhana dan termudah dari semuanya adalah M · s ^-1 , atau yang sama dengan mol / L · s. Terlepas dari satuannya, ia harus selalu bernilai positif, karena ia adalah besaran fisik (seperti dimensi atau massa).

Namun, dengan konvensi, tingkat hilangnya reaktan memiliki tanda negatif, dan tingkat kemunculan produk memiliki tanda positif.

Tetapi jika reaktan dan produk memiliki kecepatannya sendiri, lalu bagaimana menentukan laju reaksi secara keseluruhan? Jawabannya ada dalam koefisien stoikiometri.

Persamaan umum

Persamaan kimia berikut menyatakan reaksi A dan B untuk membentuk C dan D:

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

Konsentrasi molar biasanya dinyatakan dalam tanda kurung siku, jadi, misalnya, konsentrasi spesies A dituliskan sebagai. Jadi, laju reaksi untuk setiap spesi kimia yang terlibat adalah:

Menurut persamaan matematika, ada empat cara untuk mencapai kecepatan reaksi: variasi konsentrasi dari salah satu reaktan (A atau B) atau produk (C atau D) diukur.

Kemudian, dengan salah satu nilai ini, dan koefisien stoikiometri yang benar, bagi dengan yang terakhir dan dapatkan laju reaksi rxn.

Karena laju reaksi adalah besaran positif, tanda negatif mengalikan nilai laju negatif dari reaktan; untuk alasan ini koefisien a dan b dikalikan dengan (-1).

Misalnya, jika laju menghilangnya A adalah - (5M / s), dan koefisien stoikiometri a adalah 2, maka laju rxn sama dengan 2,5M / s ((-1/2) x 5).

Contoh makanan penutup

Jika produknya adalah makanan penutup, bahan dengan analoginya adalah reagen; dan persamaan kimianya, resepnya:

7 Cookies + 3 Brownies + 1 Ice Cream => 1 Dessert

Dan kecepatan untuk masing-masing bahan manis, dan makanan penutupnya sendiri adalah:

Dengan demikian, kecepatan pembuatan makanan penutup dapat ditentukan dengan variasi cookie, brownies, es krim, atau set itu sendiri; kemudian membaginya dengan koefisien stoikiometri (7, 3, 1 dan 1). Namun, salah satu rute mungkin lebih mudah daripada yang lain.

Misalnya, jika Anda mengukur peningkatannya pada interval waktu yang berbeda, pengukuran ini bisa jadi rumit.

Di sisi lain, mungkin lebih mudah dan praktis untuk mengukurnya, karena jumlah atau beberapa sifatnya yang membuat konsentrasinya lebih mudah ditentukan daripada brownies atau es krim.

Bagaimana menentukannya

Diketahui reaksi sederhana A => B, jika A, misalnya, dalam larutan air, menunjukkan pewarnaan hijau, maka hal ini bergantung pada konsentrasinya. Jadi, ketika A menjadi B, warna hijau menghilang, dan jika penghilangan ini dihitung, maka kurva a vs t dapat diperoleh.

Sebaliknya, jika B adalah spesi asam, maka pH larutan akan turun hingga di bawah 7. Jadi, dari penurunan pH diperoleh grafik vs t secara berurutan. Kemudian melapiskan kedua grafik kita dapat melihat sesuatu seperti berikut:

Grafik menunjukkan bagaimana penurunan dari waktu ke waktu, karena dikonsumsi, dan bagaimana kurva meningkat dengan kemiringan positif karena itu adalah produknya.

Dapat juga dilihat bahwa ia cenderung nol (jika tidak ada kesetimbangan) dan mencapai nilai maksimum yang diatur oleh stoikiometri dan jika reaksi selesai (semua A dikonsumsi).

Laju reaksi A dan B adalah garis singgung di salah satu kurva ini; dengan kata lain, turunan.

Faktor yang Mempengaruhi Tingkat Reaksi

Sifat spesies kimia

Jika semua reaksi kimia terjadi seketika, studi kinetiknya tidak akan ada. Banyak yang memiliki kecepatan sangat tinggi sehingga tidak dapat diukur; artinya, mereka tidak dapat diukur.

Jadi, reaksi antar ion biasanya sangat cepat dan sempurna (dengan hasil sekitar 100%). Di sisi lain, yang melibatkan senyawa organik membutuhkan waktu. Reaksi tipe pertama adalah:

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

Interaksi elektrostatis yang kuat antara ion-ion mendukung pembentukan cepat air dan natrium sulfat. Sebaliknya, reaksi jenis kedua, misalnya, esterifikasi asam asetat:

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

Meskipun air juga terbentuk, reaksinya tidak seketika; bahkan dalam kondisi yang menguntungkan, dibutuhkan beberapa jam untuk menyelesaikannya.

Namun, variabel lain memiliki pengaruh yang lebih besar terhadap kecepatan reaksi: konsentrasi reaktan, suhu, tekanan dan keberadaan katalis.

Konsentrasi reagen

Dalam kinetika kimia, ruang yang diteliti, terpisah dari ketidakterbatasan, disebut sistem. Misalnya, reaktor, gelas kimia, labu, awan, bintang, dll., Dapat dianggap sebagai sistem yang diteliti.

Jadi, di dalam sistem, molekul-molekulnya tidak statis melainkan "bergerak" ke semua sudutnya. Dalam beberapa perpindahan ini, ia bertabrakan dengan molekul lain untuk memantul kembali atau menghasilkan produk.

Maka jumlah tumbukan sebanding dengan konsentrasi reaktan. Gambar di atas mengilustrasikan bagaimana sistem berubah dari konsentrasi rendah ke konsentrasi tinggi.

Selain itu, semakin banyak tumbukan, semakin cepat laju reaksinya, karena kemungkinan dua molekul bereaksi meningkat.

Jika reaktan berbentuk gas, maka variabel tekanan ditangani dan ini terkait dengan konsentrasi gas dengan asumsi salah satu dari banyak persamaan yang ada (seperti persamaan gas ideal); Atau, volume sistem dikurangi untuk meningkatkan kemungkinan tumbukan molekul gas.

Suhu

Meskipun jumlah tumbukan meningkat, tidak semua molekul memiliki energi yang dibutuhkan untuk melebihi energi aktivasi proses.

Di sinilah suhu memainkan peran penting: ia melakukan fungsi mempercepat molekul secara termal sehingga bertabrakan dengan lebih banyak energi.

Jadi, laju reaksi umumnya berlipat ganda untuk setiap kenaikan 10 ° C pada suhu sistem. Namun, untuk semua reaksi, hal ini tidak selalu terjadi. Bagaimana cara memprediksi kenaikan ini? Persamaan Arrhenius menjawab pertanyaan:

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

K adalah konstanta laju pada suhu T, R adalah konstanta gas, dan E adalah energi aktivasi. Energi ini menunjukkan penghalang energi yang harus diubah oleh reaktan untuk bereaksi.

Untuk melakukan studi kinetik, suhu harus dijaga konstan dan tanpa katalis. Apa itu katalis? Mereka adalah spesies eksternal yang mengambil bagian dalam reaksi tetapi tidak dikonsumsi, dan menurunkan energi aktivasi.

Gambar di atas menggambarkan konsep katalisis untuk reaksi glukosa dengan oksigen. Garis merah melambangkan energi aktivasi tanpa enzim (katalis biologis), sedangkan garis biru menunjukkan penurunan energi aktivasi.

Urutan reaksi dalam kinetika kimia

Dalam persamaan kimia, indeks stoikiometri, yang terkait dengan mekanisme reaksi, tidak sama dengan indeks dengan urutan yang sama. Reaksi kimia biasanya memiliki urutan pertama atau kedua, jarang urutan ketiga atau lebih tinggi.

Untuk apa ini? Karena tabrakan tiga molekul yang bersemangat secara energik tidak mungkin terjadi, dan terlebih lagi adalah tabrakan empat kali lipat atau lima kali lipat, di mana probabilitasnya sangat kecil. Perintah reaksi pecahan juga dimungkinkan. Sebagai contoh:

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

Reaksinya adalah urutan pertama dalam satu arah (dari kiri ke kanan) dan urutan kedua di urutan lainnya (dari kanan ke kiri) jika dianggap kesetimbangan. Sedangkan kesetimbangan berikut adalah urutan kedua di kedua arah:

2HI <=> H ₂ + I ₂

Molekuleritas dan orde reaksi sama? Tidak. Molekularitas adalah jumlah molekul yang bereaksi untuk menghasilkan produk, dan urutan reaksi keseluruhan adalah urutan reaktan yang sama yang terlibat dalam tahap penentu laju.

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

Reaksi ini, meskipun memiliki indeks stoikiometri (molekuleritas) yang tinggi, sebenarnya merupakan reaksi orde dua. Dengan kata lain, langkah penentu kecepatan adalah urutan kedua.

Reaksi orde nol

Mereka terjadi dalam kasus reaksi heterogen. Misalnya: antara zat cair dan zat padat. Dengan demikian, kecepatan tidak tergantung pada konsentrasi reaktan.

Begitu pula jika reaktan memiliki orde reaksi nol, maka reaktan tidak ikut dalam tahap penentu kecepatan, tetapi dalam tahap cepat.

Reaksi orde pertama

A => B

Reaksi orde pertama diatur oleh hukum tarif berikut:

V = k

Jika konsentrasi A berlipat ganda, laju reaksi V berlipat ganda. Oleh karena itu, laju reaksi sebanding dengan konsentrasi reagen dalam tahap penentuan reaksi.

Reaksi orde kedua

2A => B

A + B => C

Dua spesies terlibat dalam jenis reaksi ini, seperti dalam dua persamaan kimia yang baru saja ditulis. Hukum kecepatan untuk reaksi adalah:

V = k ²

V = k

Pertama, laju reaksi sebanding dengan kuadrat konsentrasi A, sedangkan di urutan kedua, hal yang sama terjadi seperti pada reaksi orde pertama: laju berbanding lurus dengan konsentrasi A dan B.

Urutan reaksi vs molekuleritas

Menurut contoh sebelumnya, koefisien stoikiometri mungkin atau mungkin tidak sama dengan orde reaksi.

Namun, ini memang terjadi untuk reaksi unsur, yang menentukan mekanisme molekuler dari setiap langkah dalam reaksi. Dalam reaksi ini koefisien sama dengan jumlah molekul yang berpartisipasi.

Misalnya, molekul A bereaksi dengan salah satu B untuk membentuk molekul C. Di sini molekulnya adalah 1 untuk reaktan dan oleh karena itu dalam ekspresi hukum laju reaktan tersebut bertepatan dengan orde reaksi.

Dari sini dapat disimpulkan bahwa molekuleritas harus selalu berupa bilangan bulat, dan secara probabilistik, kurang dari empat.

Mengapa? Karena dalam perjalanan suatu mekanisme, sangat tidak mungkin empat molekul berpartisipasi pada waktu yang sama; dua dari mereka dapat bereaksi terlebih dahulu, dan kemudian dua sisanya akan bereaksi dengan produk ini.

Secara matematis ini adalah salah satu perbedaan utama antara orde reaksi dan molekuleritas: orde reaksi dapat mengambil nilai pecahan (1/2, 5/2, dll.).

Ini karena yang pertama hanya mencerminkan bagaimana konsentrasi spesies memengaruhi kecepatan, tetapi tidak bagaimana molekul mereka campur tangan dalam proses tersebut.

Aplikasi

- Memungkinkan untuk menentukan waktu suatu obat tetap berada di dalam tubuh sebelum metabolisme lengkapnya. Demikian pula, berkat studi kinetik, katalisis enzimatik dapat digunakan sebagai metode hijau dibandingkan dengan katalis lain dengan dampak lingkungan yang negatif; atau juga untuk digunakan dalam proses industri yang tak terhitung banyaknya.

- Dalam industri otomotif, khususnya di dalam mesin, di mana reaksi elektrokimia harus dilakukan dengan cepat agar kendaraan dapat menyala. Juga pada pipa knalpotnya, yang memiliki catalytic converter untuk mengubah gas berbahaya CO, NO dan NO _x menjadi CO ₂ , H ₂ O, N ₂ dan O ₂ selama waktu yang optimal.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

-Ini adalah reaksi di balik mengapa kantung udara mengembang, 'kantung udara', saat kendaraan bertabrakan. Saat ban mengerem dengan keras, detektor meledakkan natrium azida, NaN _{3 secara} elektrik . Reagen ini "meledak" melepaskan N ₂ , yang menempati seluruh volume kantong dengan cepat.

Natrium logam kemudian bereaksi dengan komponen lain untuk menetralkannya, karena dalam keadaan murni bersifat racun.

Referensi

1. Walter J. Moore. (1963). Kimia Fisik. Dalam kinetika Kimia. Edisi keempat, Longmans.
2. Ira N. Levine. (2009). Prinsip fisikaokimia. Edisi keenam, hlm 479-540. Mc Graw Hill.
3. UAwiki. (23 Desember 2011). Tabrakan-molekuler-is. . Diperoleh pada 30 April 2018, dari: es.m.wikipedia.org
4. Glasstone. (1970). Buku teks kimia fisik. Dalam kinetika Kimia. Edisi kedua. D.Van Nostrand, Perusahaan, Inc.
5. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (8 Maret 2017). Definisi kinetika kimia. Diperoleh pada 30 April 2018, dari: thinkco.com
6. Khan Academy. (2018). Tarif reaksi dan hukum tarif. Diperoleh pada 30 April 2018, dari: khanacademy.org
7. Germán Fernández. (26 Juli 2010). Kinetika kimia. Diperoleh pada 30 April 2018, dari: quimicafisica.com