Chemická kinetika neboli kinetika chemických reakcí je obor fyzikální chemie , který studuje vzorce chemických reakcí v čase , závislost těchto vzorců na vnějších podmínkách a také mechanismy chemických přeměn [1] .
Předmětem chemické kinetiky je studium všech faktorů ovlivňujících rychlost jak celkového procesu, tak všech mezistupňů.
Homogenní reakce je reakce , ve které jsou reaktanty ve stejné fázi.
Heterogenní reakce je reakce, která probíhá na fázových hranicích - mezi plynnou látkou a roztokem , mezi roztokem a pevnou látkou, mezi pevnou a plynnou látkou.
Reakce se nazývá jednoduchá, pokud produkt vzniká jako výsledek přímé interakce molekul (částic) činidel .
Reakce se nazývá komplexní, pokud konečný produkt vzniká jako výsledek dvou nebo více jednoduchých reakcí (elementárních aktů) za vzniku meziproduktů [2] .
Důležitým konceptem v chemické kinetice je rychlost chemické reakce . Tato hodnota určuje, jak se v čase mění koncentrace reakčních složek. Rychlost chemické reakce je vždy kladná hodnota, je-li tedy určena výchozí látkou (jejíž koncentrace během reakce klesá), výsledná hodnota se násobí −1.
Například pro reakci lze rychlost vyjádřit jako:
V roce 1865 N. N. Beketov a v roce 1867 K. M. Guldberg a P. Waage formulovali zákon hromadného působení , podle kterého je rychlost chemické reakce v daném čase úměrná koncentracím činidel zvýšeným na některé mocniny . Kromě koncentrace ovlivňují rychlost chemické reakce následující faktory: povaha reaktantů, přítomnost katalyzátoru , teplota ( van't Hoffovo pravidlo ) a plocha rozhraní .
Experimentální metody chemické kinetiky se dělí na chemické , fyzikální , biochemické , podle způsobu měření množství látky nebo její koncentrace při reakci.
Chemické metody zahrnují kinetické metody založené na tradičních metodách kvantitativní chemické analýzy - titrimetrické , gravimetrické atd.
V moderní experimentální kinetice patří různé spektrální metody mezi nejpoužívanější fyzikální metody. Tyto metody jsou založeny na měřeních, obvykle absorpčních spekter reaktantů nebo produktů v ultrafialové , viditelné a infračervené oblasti . Široce se používají také spektra elektronové paramagnetické rezonance (EPR) a nukleární magnetické rezonance (NMR) [3][ stránka neuvedena 1100 dní ] .
Řád reakce pro danou látku je exponent při koncentraci této látky v rovnici kinetické reakce .
Kinetická rovnice má následující tvar:
Rychlost reakce nultého řádu je konstantní v čase a nezávisí na koncentracích reaktantů. Nultý řád je typický např. pro heterogenní reakce, pokud je rychlost difúze reaktantů na rozhraní menší než rychlost jejich chemické přeměny.
Kinetická rovnice reakce prvního řádu:
Redukcí rovnice na lineární tvar dostane rovnici:
Konstanta reakční rychlosti se vypočítá jako tangens sklonu přímky k časové ose:
Poločas rozpadu:
Pro reakce druhého řádu má kinetická rovnice následující tvar:
nebo
V prvním případě je rychlost reakce určena rovnicí:
Lineární tvar rovnice:
Konstanta reakční rychlosti je rovna tečně sklonu přímky k časové ose:
Ve druhém případě bude výraz pro konstantu rychlosti reakce vypadat takto:
Poločas (pro případ stejných počátečních koncentrací!):
Molekularita elementární reakce je počet částic, které se podle experimentálně stanoveného reakčního mechanismu účastní elementárního aktu chemické interakce.
Monomolekulární reakce - reakce, při kterých dochází k chemické přeměně jedné molekuly ( izomerizace , disociace atd.):
Bimolekulární reakce - reakce, jejichž elementární akt se provádí srážkou dvou částic (stejných nebo různých):
Trimolekulární reakce - reakce, jejichž elementární akt se provádí srážkou tří částic:
Pro elementární reakce prováděné při blízkých koncentracích výchozích látek jsou hodnoty molekulové hmotnosti a pořadí reakce stejné. Neexistuje žádný jasně definovaný vztah mezi pojmy molekulární a reakční řád, protože reakční řád charakterizuje kinetickou rovnici reakce a molekulární charakterizuje reakční mechanismus.
Současná srážka více než tří molekul je téměř nemožná. Velké stechiometrické koeficienty v reakční rovnici (součet koeficientů je větší než 3) ukazují na složitý reakční mechanismus.
Katalýza je proces změny rychlosti chemických reakcí v přítomnosti látek nazývaných katalyzátory. Katalytické reakce jsou reakce, které probíhají v přítomnosti katalyzátorů .
Katalýza se nazývá pozitivní, při které se rychlost reakce zvyšuje, negativní ( inhibice ), při které se snižuje. Příkladem pozitivní katalýzy je oxidace čpavku na platině za vzniku kyseliny dusičné . Příkladem negativa je snížení rychlosti koroze při zavedení do kapaliny, ve které se provozuje kov , dusitan sodný , chroman a dichroman draselný .
Mnoho z nejdůležitějších chemických průmyslových odvětví, jako je výroba kyseliny sírové , čpavku , kyseliny dusičné , syntetického kaučuku , řady polymerů atd., se provádí za přítomnosti katalyzátorů.
Enzymatická katalýza je neoddělitelně spjata s životně důležitou činností rostlinných a živočišných organismů . Mnoho životně důležitých chemických reakcí, které probíhají v buňce (něco kolem deseti tisíc), je řízeno speciálními organickými katalyzátory nazývanými enzymy nebo enzymy . Výrazu "speciální" by se neměla věnovat velká pozornost, protože je již známo, z čeho jsou tyto enzymy postaveny. Příroda si k tomu vybrala jediný stavební materiál – aminokyseliny a spojila je do různě dlouhých polypeptidových řetězců v různém pořadí.
Jedná se o tzv. primární strukturu enzymu, kde R jsou postranní zbytky nebo nejdůležitější funkční skupiny proteinů , případně působící jako aktivní centra enzymů. Tyto postranní skupiny jsou hlavní zátěží při práci enzymu, přičemž peptidový řetězec plní roli podpůrné kostry. Podle Pauling-Coreyho strukturálního modelu je složen do spirály, která je normálně stabilizována vodíkovými vazbami mezi kyselými a bazickými centry:
U některých enzymů bylo stanoveno kompletní složení aminokyselin a sekvence jejich uspořádání v řetězci a také složitá prostorová struktura. Ale to nám stále velmi často nemůže pomoci odpovědět na dvě hlavní otázky:
Přísná selektivita a vysoká rychlost jsou dva hlavní rysy enzymatické katalýzy, které ji odlišují od laboratorní a průmyslové katalýzy. Žádný z umělých katalyzátorů (snad s výjimkou 2-hydroxypyridinu) nelze srovnávat s enzymy z hlediska síly a selektivity jejich účinku na organické molekuly.
Aktivita enzymu, stejně jako jakéhokoli jiného katalyzátoru, závisí také na teplotě: se zvýšením teploty se také zvyšuje rychlost enzymatické reakce. Zároveň přitahuje pozornost prudký pokles aktivační energie E ve srovnání s nekatalytickou reakcí . Pravda, ne vždy se to děje. Existuje mnoho případů, kdy se rychlost zvyšuje v důsledku nárůstu preexponenciálního faktoru nezávislého na teplotě v Arrheniově rovnici .
Slovníky a encyklopedie | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
|
materiálové vědy | Sekce||
---|---|---|
Základní definice |
| |
Hlavní směry | ||
Obecné aspekty |
| |
Další důležité pokyny |
| |
Příbuzné vědy |