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Was ist chemische Kinetik?

Die chemische Kinetik ist die Untersuchung chemischer Prozesse und Reaktionsgeschwindigkeiten. Dies umfasst die Analyse von Bedingungen, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen. das Verständnis von Reaktionsmechanismen und Übergangszuständen sowie die Bildung mathematischer Modelle zur Vorhersage und Beschreibung einer chemischen Reaktion. Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion hat normalerweise Einheiten von sec & supmin ; ¹ , jedoch können kinetische Experimente mehrere Minuten, Stunden oder sogar Tage umfassen.

Auch bekannt als

Die chemische Kinetik kann auch als Reaktionskinetik oder einfach als „Kinetik“ bezeichnet werden.

 

Geschichte der chemischen Kinetik

Das Gebiet der chemischen Kinetik entwickelte sich aus dem Gesetz der Massenwirkung, das 1864 von Peter Waage und Cato Guldberg formuliert wurde. Das Massenwirkungsgesetz besagt, dass die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion proportional zur Menge der Reaktanten ist. Jacobus van’t Hoff studierte chemische Dynamik. Seine 1884 erschienene Veröffentlichung „Etudes de dynamique chimique“ führte 1901 zum Nobelpreis für Chemie (dies war das erste Jahr, in dem der Nobelpreis verliehen wurde). Einige chemische Reaktionen können komplizierte Kinetiken beinhalten, aber die Grundprinzipien der Kinetik werden im allgemeinen Chemieunterricht an Gymnasien und Hochschulen erlernt.

Wichtige Erkenntnisse: Chemische Kinetik

  • Chemische Kinetik oder Reaktionskinetik ist die wissenschaftliche Untersuchung der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Dazu gehört die Entwicklung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Reaktionsgeschwindigkeit und eine Analyse der Faktoren, die die Reaktionsmechanismen beeinflussen.
  • Peter Waage und Cato Guldberg werden als Pioniere auf dem Gebiet der chemischen Kinetik angesehen, indem sie das Gesetz der Massenaktion beschreiben. Das Massenwirkungsgesetz besagt, dass die Geschwindigkeit einer Reaktion proportional zur Menge der Reaktanten ist.
  • Zu den Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, gehören die Konzentration der Reaktanten und anderer Spezies, die Oberfläche, die Art der Reaktanten, die Temperatur, die Katalysatoren, der Druck, ob Licht vorhanden ist und der physikalische Zustand der Reaktanten.

 

Ratengesetze und Ratenkonstanten

Experimentelle Daten werden verwendet, um Reaktionsgeschwindigkeiten zu ermitteln, aus denen Geschwindigkeitsgesetze und Geschwindigkeitskonstanten der chemischen Kinetik durch Anwendung des Massenwirkungsgesetzes abgeleitet werden. Geschwindigkeitsgesetze ermöglichen einfache Berechnungen für Reaktionen nullter Ordnung, Reaktionen erster Ordnung und Reaktionen zweiter Ordnung .

  • Die Geschwindigkeit einer Reaktion nullter Ordnung ist konstant und unabhängig von der Konzentration der Reaktanten.
    rate=k
  • Die Geschwindigkeit einer Reaktion erster Ordnung ist proportional zur Konzentration eines Reaktanten:
    Geschwindigkeit=k [A]
  • Die Geschwindigkeit einer Reaktion zweiter Ordnung hat eine Geschwindigkeit, die proportional zum Quadrat der Konzentration eines einzelnen Reaktanten oder zum Produkt der Konzentration zweier Reaktanten ist.
    Rate=k [A] 2 oder k [A] [B]

Geschwindigkeitsgesetze für einzelne Schritte müssen kombiniert werden, um Gesetze für komplexere chemische Reaktionen abzuleiten. Für diese Reaktionen:

  • Es gibt einen geschwindigkeitsbestimmenden Schritt, der die Kinetik begrenzt.
  • Die Arrhenius-Gleichung und die Eyring-Gleichungen können verwendet werden, um die Aktivierungsenergie experimentell zu bestimmen.
  • Steady-State-Näherungen können angewendet werden, um das Tarifgesetz zu vereinfachen.

 

Faktoren, die die chemische Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen

Die chemische Kinetik sagt voraus, dass die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion durch Faktoren erhöht wird, die die kinetische Energie der Reaktanten (bis zu einem gewissen Punkt) erhöhen, was zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit führt, dass die Reaktanten miteinander interagieren. In ähnlicher Weise kann erwartet werden, dass Faktoren, die die Wahrscheinlichkeit verringern, dass Reaktanten miteinander kollidieren, die Reaktionsgeschwindigkeit senken. Die Hauptfaktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, sind:

  • Konzentration der Reaktanten (zunehmende Konzentration erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit)
  • Temperatur (steigende Temperatur erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit bis zu einem gewissen Punkt)
  • Anwesenheit von Katalysatoren ( Katalysatoren bieten einer Reaktion einen Mechanismus, der eine geringere Aktivierungsenergie erfordert , so dass die Anwesenheit eines Katalysators die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht)
  • physikalischer Zustand der Reaktanten (Reaktanten in derselben Phase können durch thermische Einwirkung in Kontakt kommen, aber Oberfläche und Bewegung beeinflussen die Reaktionen zwischen Reaktanten in verschiedenen Phasen)
  • Druck (bei Reaktionen mit Gasen erhöht ein Druckanstieg die Kollisionen zwischen den Reaktanten und erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit)

Es ist zu beachten, dass die chemische Kinetik zwar die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion vorhersagen kann, jedoch nicht das Ausmaß bestimmt, in dem die Reaktion stattfindet. Die Thermodynamik wird verwendet, um das Gleichgewicht vorherzusagen.

 

Quellen

  • Espenson, JH (2002). Chemische Kinetik und Reaktionsmechanismen (2. Aufl.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-288362-6.
  •  Guldberg, CM; Waage, P. (1864). „Studien zur Affinität“  Forhandlinger i Videnskabs-Selskabet i Christiania
  • Gorban, AN; Yablonsky. GS (2015). Drei Wellen chemischer Dynamik. Mathematische Modellierung natürlicher Phänomene 10 (5).
  • Laidler, KJ (1987). Chemical Kinetics (3. Aufl.). Harper und Row. ISBN 0-06-043862-2.
  • Steinfeld JI, Francisco JS; Hase WL (1999). Chemische Kinetik und Dynamik (2. Aufl.). Prentice-Hall. ISBN 0-13-737123-3.

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