Chemische Kinetik
Die chemische Kinetik untersucht, wie schnell Reaktionen ablaufen und warum, indem sie gemessene Geschwindigkeiten mit der Abfolge molekularer Schritte und den sie steuernden Energiebarrieren in Verbindung bringt.
Definition
Die chemische Kinetik ist der Zweig der physikalischen Chemie, der sich mit den Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen, den sie beeinflussenden Faktoren und den molekularen Mechanismen befasst, durch die Reaktanten in Produkte umgewandelt werden.
Scope
Dieser Bereich umfasst die Messung und Interpretation von Reaktionsgeschwindigkeiten: empirische Geschwindigkeitsgesetze und Reaktionsordnungen; integrierte Geschwindigkeitsgleichungen und Halbwertszeiten; die Aufklärung von Reaktionsmechanismen aus Elementarschritten unter Verwendung der Steady-State- und Prä-Gleichgewichts-Approximationen; die Temperaturabhängigkeit von Geschwindigkeiten durch die Arrhenius-Gleichung; und die theoretischen Rahmenwerke der Kollisionstheorie und der Übergangszustandstheorie. Katalyse und ihre Auswirkung auf Geschwindigkeiten sind eingeschlossen, während die detaillierte Quantendynamik einzelner Kollisionen und die thermodynamische Gleichgewichtslage in benachbarten Bereichen behandelt werden.
Sub-topics
Core questions
- Wie werden Geschwindigkeitsgesetze und Reaktionsordnungen experimentell bestimmt?
- Wie kann eine Abfolge von Elementarschritten aus einem beobachteten Geschwindigkeitsgesetz rekonstruiert werden?
- Warum hängt die Reaktionsgeschwindigkeit so stark von der Temperatur ab?
- Wie erklären die Kollisionstheorie und die Übergangszustandstheorie absolute Geschwindigkeitskonstanten?
Key concepts
- Geschwindigkeitsgesetze und Reaktionsordnung
- Integrierte Geschwindigkeitsgleichungen und Halbwertszeit
- Reaktionsmechanismus und geschwindigkeitsbestimmender Schritt
- Arrhenius-Gleichung und Aktivierungsenergie
- Katalyse
Key theories
- Übergangszustandstheorie
- Die Reaktionsgeschwindigkeit wird aus der Population eines aktivierten Komplexes im Quasi-Gleichgewicht mit den Reaktanten am Scheitelpunkt der Energiebarriere berechnet, multipliziert mit der Geschwindigkeit, mit der dieser Komplex in Richtung Produkte zerfällt.
- Arrhenius-Temperaturabhängigkeit
- Geschwindigkeitskonstanten nehmen mit der Temperatur gemäß einer exponentiellen Abhängigkeit von einer Aktivierungsenergie zu, was den Anteil der Kollisionen widerspiegelt, die energetisch ausreichen, um die Reaktionsbarriere zu überwinden.
Clinical relevance
Die chemische Kinetik ist die Grundlage für die Entwicklung und Steuerung industrieller Reaktoren, die Formulierung von Katalysatoren, die Stabilität und Haltbarkeit von Pharmazeutika und Lebensmitteln, die Modellierung der atmosphärischen und Verbrennungschemie sowie die quantitative Analyse der Enzymwirkung in der Biochemie.
History
Die Kinetik entstand aus den Geschwindigkeitsstudien des neunzehnten Jahrhunderts von Wilhelmy, Guldberg und Waage; Arrhenius schlug 1889 seine Aktivierungsenergiegleichung vor, und die 1930er Jahre brachten die Theorie der absoluten Reaktionsgeschwindigkeit von Eyring sowie von Evans und Polanyi, die die Kinetik im Hinblick auf die statistische Mechanik und Potenzialenergieflächen neu definierte.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Henry Eyring
- Cyril Norman Hinshelwood
Related topics
Seminal works
- eyring1935
- atkins2018
- laidler1987
Frequently asked questions
- Warum gibt eine ausgeglichene chemische Gleichung nicht das Geschwindigkeitsgesetz an?
- Die Stöchiometrie beschreibt die Gesamtumwandlung, aber nicht den molekularen Pfad; das Geschwindigkeitsgesetz spiegelt den langsamsten Elementarschritt und die daran beteiligten Spezies wider, daher muss es experimentell bestimmt und kann nicht aus der Gesamtgleichung abgelesen werden.
- Wenn eine Reaktion thermodynamisch günstig ist, warum findet sie möglicherweise trotzdem nicht statt?
- Die Thermodynamik legt nur fest, ob eine Reaktion stattfinden kann, nicht wie schnell; eine große Aktivierungsbarriere kann eine günstige Reaktion unmessbar langsam machen, weshalb Diamant trotz Graphit als stabilere Kohlenstoffform bestehen bleibt.