Kémiai kinetika

Kémiai kinetika

• A kémiai kinetika a kémiai reakciók sebességével foglalkozik.

Reakciósebességek

A reakciósebesség definíciója

• $aA + bB \rightarrow cC + dD$ reakció esetén a sebesség a reagensek fogyásának és a termékek képződésének mértéke.
• Egyenlet: Rate $= -\frac{1}{a} \frac{d[A]}{dt} = -\frac{1}{b} \frac{d[B]}{dt} = \frac{1}{c} \frac{d[C]}{dt} = \frac{1}{d} \frac{d[D]}{dt}$

A reakciósebességet befolyásoló tényezők

• A reagensek koncentrációja: A magasabb koncentráció általában gyorsabb reakciósebességet eredményez.
• Hőmérséklet: A reakciósebesség a hőmérséklet emelkedésével nő, amit az Arrhenius-egyenlet ír le.
• Szilárd reaktáns felülete: A nagyobb felület gyorsabb reakciósebességhez vezet.
• Katalizátor jelenléte: A katalizátorok felgyorsítják a reakciókat anélkül, hogy elfogynának.
• Gáznemű reagensek nyomása: Gázok esetében a nyomás növelése növeli a koncentrációt, ami gyorsabb reakciósebességhez vezet.
• Fény: Egyes reakciókat a fény felgyorsít (fotokémiai reakciók).
• A reagensek természete: A reagensek sajátos tulajdonságai és reaktivitása.

Sebességi törvény

• Kísérleti meghatározás, hogy a sebesség hogyan függ a koncentrációtól.
• $aA + bB \rightarrow cC + dD$ reakció esetén a sebesség: Rate $= k[A]^x[B]^y$
• $k$ a sebességi állandó.
• $x$ az A-ra vonatkozó rend.
• $y$ a B-re vonatkozó rend.
• $x + y$ a reakció teljes rendje.

Integrált sebességi törvények

• A reakció rendje meghatározza, hogy a reaktáns koncentrációja hogyan változik az idő függvényében.

• $[A]_t$ az A koncentrációja a t időpontban.
• $[A]_0$ az A kezdeti koncentrációja.

Reakciómechanizmusok

Elemi lépések

• A reakciók egy sor lépésben zajlanak, melyet reakciómechanizmusnak nevezünk.
• Minden lépést elemi lépésnek nevezünk.

Sebességmeghatározó lépés

• A mechanizmus leglassabb lépése határozza meg a reakció teljes sebességét.

Molekularitás

• Unimolekuláris: Egy molekula vesz részt az elemi lépésben.
• Bimolekuláris: Két molekula vesz részt az elemi lépésben.
• Termolekuláris: Három molekula vesz részt az elemi lépésben (ritka).

Ütközési elmélet

Alapelvek

• A reakcióhoz a molekuláknak ütközniük kell.
• Az ütközésnek elegendő energiával kell rendelkeznie (aktivációs energia, $E_a$).
• A molekuláknak megfelelő orientációval kell rendelkezniük az ütközés során.

Arrhenius egyenlet

• $k = Ae^{-\frac{E_a}{RT}}$
• $k$ a sebességi állandó.
• $A$ a frekvencia faktor.
• $E_a$ az aktiválási energia.
• $R$ a gázállandó (8.314 J/mol·K).
• $T$ a hőmérséklet Kelvinben.

Aktiválási energia

• A reakcióhoz szükséges minimális energia.

Katalízis

Homogén katalízis

• A katalizátor ugyanabban a fázisban van, mint a reagensek.

Heterogén katalízis

• A katalizátor más fázisban van, mint a reagensek.
• Jellemzően a reagensek adszorpcióját foglalja magában egy szilárd katalizátor felületére.

Enzimek

• Biológiai katalizátorok, amelyek fehérjék, rendkívül specifikusak.
• A Michaelis-Menten kinetika írja le az enzimkatalízist.