Kadar tindak balas kimia

Kadar tindak balas

Kadar di mana tindak balas kimia berlaku ditakrifkan sebagai perubahan kepekatan substrat atau produk dari semasa ke semasa. Kadar tindak balas kimia ialah fungsi yang dipersembahkan dalam bentuk persamaan kadar yang boleh digunakan secara umum. Perubahan dalam kuantiti komponen dalam persamaan sedemikian biasanya dinyatakan dalam kepekatan molar. Sila ambil perhatian bahawa sebarang cara lain untuk menyatakan kuantiti boleh digunakan, seperti jisim, pecahan molar atau pecahan atom (nisbah). Kimia juga menggunakan konsep yang lebih maju yang dipanggil kadar serta-merta tindak balas kimia . Kursus tindak balas boleh digambarkan dengan memplot hubungan antara kepekatan molar (pada paksi-y) dan masa tindak balas (pada paksi-x). Untuk lengkung yang terhasil, tangen dan kecerunannya ditentukan, yang terakhir sepadan dengan kadar serta-merta tindak balas. Nilai lain yang juga mencirikan kadar tindak balas kimia ialah apa yang dipanggil separuh hayat . Ia adalah nilai yang menggambarkan kelakuan unsur radioaktif dari semasa ke semasa. Separuh hayat ialah masa yang diperlukan untuk separuh daripada jumlah awal substrat bertindak balas, yang bermaksud bahawa semakin lama separuh hayat, semakin kecil pemalar kadar k dalam persamaan kadar tindak balas kimia. Faktor yang mempengaruhi kadar tindak balas kimia:

• Kepekatan substrat – telah dibuktikan secara eksperimen berulang kali bahawa kadar tindak balas sangat bergantung pada kepekatan substrat. Lebih tinggi kepekatannya dalam sistem, lebih cepat proses tertentu akan diteruskan. Ini boleh dijelaskan menggunakan teori perlanggaran. Menurut teori ini, syarat untuk tindak balas kimia tertentu berlaku ialah berlakunya perlanggaran yang berjaya (iaitu perlanggaran dengan tenaga yang mencukupi) antara molekul substrat individu. Oleh itu, lebih banyak molekul substrat terdapat (semakin tinggi kepekatannya), semakin tinggi kebarangkalian perlanggaran, dan dengan itu kadar tindak balas yang lebih tinggi (ini adalah hubungan berkadar terus).
• Mangkin yang terdapat dalam sistem – mangkin ialah bahan yang, apabila ditambah pada sistem tindak balas, meningkatkan kadar tindak balas kimia. Ini berkaitan dengan pengurangan tenaga pengaktifan, iaitu tenaga yang diperlukan untuk substrat untuk mengatasi halangan tenaga tindak balas dan membentuk kompleks aktif (keadaan peralihan) sebelum pembentukan produk tindak balas sebenar. Penurunan tenaga pengaktifan oleh mangkin bermakna kurang tenaga diperlukan untuk memulakan tindak balas kimia.
• Suhu dan tekanan – mengikut peraturan van’t Hoff, menaikkan suhu sistem tindak balas sebanyak 10ᵒC, meningkatkan kadar tindak balas sebanyak 2 hingga 4 kali ganda. Hubungan ini membolehkan untuk menganggarkan kadar tindak balas jika suhu dinaikkan, tetapi ia tidak terpakai kepada semua tindak balas dan dalam kes yang luar biasa ia malah membawa kepada penurunan dalam kadar tindak balas atau kepada produk yang tidak diingini. Untuk tindak balas yang melibatkan hanya bahan gas, tekanan dalam sistem memainkan peranan penting. Peningkatannya bermakna kepekatan substrat lebih tinggi, supaya perlanggaran yang berjaya antara molekul individu berlaku dengan lebih cekap dan kadar tindak balas meningkat.
• Tahap kehalusan – tindak balas kimia yang melibatkan substrat pepejal berlaku pada permukaannya. Lebih besar luas permukaan bahan, lebih cepat dan lebih cekap tindak balas yang melibatkannya. Oleh itu, untuk meningkatkan kawasan ini sebanyak mungkin, substrat tertakluk kepada penghancuran atau pengisaran. Contohnya ialah serbuk besi, yang teroksida dengan cepat dalam nyalaan obor, kesan yang tidak diperhatikan apabila memanaskan batang besi.
• Pencampuran – pencampuran mempunyai kesan yang sama pada kadar tindak balas seperti tahap kehalusan. Memulakan pergerakan molekul dalam sistem membawa kepada sentuhan yang lebih kerap dan pembentukan produk tindak balas. Dalam proses permukaan, pencampuran memudahkan detasmen molekul terhasil, contohnya dari permukaan mangkin, dengan itu meningkatkan akses kepada pusat aktif untuk substrat lain.

Persamaan kadar

Persamaan kadar boleh digunakan untuk menerangkan hubungan antara kadar tindak balas kimia dan kepekatan substrat. Setiap penjelmaan kimia mempunyai persamaan kadar ciri. Dalam istilah yang paling mudah, hubungan ini boleh dinyatakan sebagai hasil darab pekali k (dipanggil pemalar kadar tindak balas, nilai yang malar untuk tindak balas kimia tertentu pada suhu tertentu) dan kepekatan substrat. Bentuk persamaan kadar bergantung kepada susunan tindak balas:

• Tindak balas tertib pertama – kadar hanya bergantung pada kepekatan substrat, dinaikkan kepada kuasa pertama.
• Tindak balas tertib kedua – dalam kes ini, kedua-dua komponen tindak balas atau pekali stoikiometri di hadapan satu substrat (cth dalam tindak balas penguraian) mesti dimasukkan dalam persamaan kadar. Dalam tindak balas sedemikian, kadar akan bergantung kepada hasil kepekatan substrat.

Contoh yang diberikan di atas adalah yang paling biasa, kerana kebanyakan tindak balas kimia adalah tertib pertama atau kedua. Tetapi harus diingat bahawa tindak balas tertib yang berbeza, seperti tertib sifar, di mana kadar tindak balas tidak bergantung kepada kepekatan substrat, juga mungkin. Persamaan kadar yang ditulis untuk tindak balas kimia tertentu bergantung terutamanya pada mekanismenya, iaitu pada jujukan tindak balas asas di mana molekul mengalami perubahan. Dalam kes proses mekanisme berbilang langkah, kadar keseluruhan tindak balas ditentukan oleh langkah yang paling perlahan. Dalam keadaan sedemikian, sukar untuk menentukan persamaan kadar dengan tepat, atau ia boleh menjadi sangat rumit. Persamaan kadar juga disambungkan dengan konsep tertib tindak balas kimia . Urutan ditakrifkan sebagai jumlah eksponen dalam persamaan kadar. Ia menentukan berapa banyak molekul, ion atau atom mesti mengambil bahagian dalam perlanggaran yang berjaya untuk tindak balas kimia berlaku.

Kesan pemangkin terhadap kadar tindak balas kimia

Mangkin ialah bahan yang kehadirannya dalam sistem meningkatkan kadar tindak balas kimia. Yang penting, mereka sendiri tidak bertindak balas dalam proses tersebut. Bersama-sama dengan substrat, mereka membentuk kompleks aktif yang dipanggil, yang lebih mudah diubah. Setelah tindak balas kimia selesai, pemangkin dijana semula dalam bentuk asalnya. Tugas utama mangkin adalah untuk mengurangkan tenaga pengaktifan, iaitu tenaga yang mesti dibekalkan untuk kejayaan perlanggaran antara substrat yang terlibat dalam tindak balas berlaku. Kita boleh membezakan pemangkin homogen (mangkin dan bahan tindak balas berada dalam keadaan fizikal yang sama), pemangkin heterogen (mangkin dan bahan tindak balas berada dalam keadaan fizikal yang berbeza – jenis pemangkinan yang paling biasa, di mana mangkin dirujuk sebagai sentuhan) dan autocatalysis (salah satu produk yang terhasil mempercepatkan tindak balas kimia selanjutnya). Pemangkin dan pemangkin adalah aspek yang sangat berharga dan penting dalam kebanyakan proses perindustrian, terutamanya dalam industri kimia . Pemangkin digunakan dalam kebanyakan proses teknologi dalam kimia, contohnya dalam penghasilan asid nitrik (V) atau asid sulfurik (VI) .