Chemická kinetika: reakčná rýchlosť a rýchlostný zákon

Chemická kinetika

• Zaoberá sa rýchlosťou chemických reakcií a faktormi, ktoré ich ovplyvňujú.

Reakčná rýchlosť

Všeobecná rovnica

• Pre reakciu $aA + bB \rightarrow cC + dD$.

Rýchlosť spotreby reaktantov

• Vyjadruje sa ako $-\frac{1}{a} \frac{d[A]}{dt}$ a $-\frac{1}{b} \frac{d[B]}{dt}$.

Rýchlosť tvorby produktov

• Vyjadruje sa ako $\frac{1}{c} \frac{d[C]}{dt}$ a $\frac{1}{d} \frac{d[D]}{dt}$.

Rýchlosť reakcie

• Definovaná ako $-\frac{1}{a} \frac{d[A]}{dt} = -\frac{1}{b} \frac{d[B]}{dt} = \frac{1}{c} \frac{d[C]}{dt} = \frac{1}{d} \frac{d[D]}{dt}$.

Rýchlostný zákon

Vyjadrenie

• Pre reakciu $aA + bB \rightarrow cC + dD$ je rýchlosť $k[A]^x [B]^y$.
• k je rýchlostná konštanta.
• x je rád reakcie vzhľadom na A.
• y je rád reakcie vzhľadom na B.
• x + y je celkový rád reakcie.

Experimentálne určenie

• Hodnoty x a y sa určujú experimentálne a nemusia sa rovnať stechiometrickým koeficientom a a b.

Typy reakcií podľa rádu

• Reakcie nultého rádu.
• Reakcie prvého rádu.
• Reakcie druhého rádu.
• Pseudo-prvého rádu.

Reakcie nultého rádu

• Rýchlosť = $k[A]^0 = k$.
• Rýchlosť nezávisí od koncentrácie reaktantu.
• Jednotky pre k sú $mol L^{-1} s^{-1}$.
• Integrovaný rýchlostný zákon: $[A] = [A]_0 - kt$, kde $[A]_0$ je počiatočná koncentrácia A.
• Polčas rozpadu: $t_{1/2} = \frac{[A]_0}{2k}$.

Reakcie prvého rádu

• Rýchlosť = $k[A]^1 = k[A]$.
• Rýchlosť je priamo úmerná koncentrácii reaktantu.
• Jednotky pre k sú $s^{-1}$.
• Integrovaný rýchlostný zákon: $[A] = [A]_0 e^{-kt}$ alebo $k = \frac{2.303}{t} log \frac{[A]_0}{[A]}$.
• Polčas rozpadu: $t_{1/2} = \frac{0.693}{k}$.

Reakcie druhého rádu

• Rýchlosť = $k[A]^2$ alebo Rýchlosť = $k[A][B]$.
• Rýchlosť je úmerná druhej mocnine koncentrácie reaktantu alebo súčinu koncentrácií dvoch reaktantov.
• Jednotky pre k sú $L mol^{-1} s^{-1}$.
• Integrovaný rýchlostný zákon: $\frac{1}{[A]} = \frac{1}{[A]_0} + kt$.
• Polčas rozpadu: $t_{1/2} = \frac{1}{k[A]_0}$.

Pseudo-prvého rádu

• Správajú sa ako reakcie prvého rádu za určitých podmienok.
• Vyskytujú sa, keď je jeden reaktant prítomný vo veľkom nadbytku vzhľadom na ostatné reaktanty, $A + B \rightarrow Produkty$.
• Ak [B] >>> [A], potom rýchlostný zákon je: Rýchlosť = $k'[A]$, kde $k' = k[B]$.

Vplyv teploty na rýchlosť reakcie

Arrheniova rovnica

• $k = A e^{-E_a/RT}$.
• k je rýchlostná konštanta.
• A je frekvenčný alebo pre-exponenciálny faktor.
• $E_a$ je aktivačná energia.
• R je plynová konštanta (8.314 J/mol·K).
• T je teplota v Kelvinoch.
• Alternatívne $\ln{k} = \ln{A} - \frac{E_a}{RT}$

Výpočet aktivačnej energie

• $\ln{\frac{k_2}{k_1}} = \frac{E_a}{R} (\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2})$, kde $k_1$ a $k_2$ sú rýchlostné konštanty pri teplotách $T_1$ a $T_2$.

Aktivačná energia

• Minimálna energia potrebná na uskutočnenie reakcie.
• Reakcie s nižšou aktivačnou energiou prebiehajú rýchlejšie ako reakcie s vyššou aktivačnou energiou.

Katalyzátor

• Látka, ktorá zvyšuje rýchlosť chemickej reakcie bez toho, aby bola spotrebovaná.
• Znižujú aktivačnú energiu reakcie a umožňujú jej rýchlejší priebeh.
• Typy katalýzy: homogénna a heterogénna katalýza.

Lekcia o chemickej kinetike sa zaoberá rýchlosťou chemických reakcií a faktormi, ktoré ich ovplyvňujú. Vysvetľuje reakčnú rýchlosť, vrátane rýchlosti spotreby reaktantov a tvorby produktov. Definuje rýchlostný zákon a spôsoby jeho experimentálneho určenia.