Химическая кинетика
Химическая кинетика изучает скорость протекания реакций и причины, связывая измеренные скорости с последовательностью молекулярных стадий и энергетическими барьерами, которые их контролируют.
Definition
Химическая кинетика — это раздел физической химии, изучающий скорости химических реакций, факторы, влияющие на них, и молекулярные механизмы, посредством которых реагенты превращаются в продукты.
Scope
Эта область охватывает измерение и интерпретацию скоростей реакций: эмпирические кинетические уравнения и порядки реакций; интегрированные кинетические уравнения и периоды полураспада; выяснение механизмов реакций из элементарных стадий с использованием приближений стационарного состояния и предравновесия; температурную зависимость скоростей через уравнение Аррениуса; а также теоретические основы теории столкновений и теории переходного состояния. Катализ и его влияние на скорости включены, в то время как детальная квантовая динамика отдельных столкновений и термодинамическое равновесное положение рассматриваются в смежных областях.
Sub-topics
Core questions
- Как экспериментально определяются кинетические уравнения и порядки реакций?
- Как можно реконструировать последовательность элементарных стадий из наблюдаемого кинетического уравнения?
- Почему скорость реакции так сильно зависит от температуры?
- Как теория столкновений и теория переходного состояния объясняют абсолютные константы скорости?
Key concepts
- Кинетические уравнения и порядок реакции
- Интегрированные кинетические уравнения и период полураспада
- Механизм реакции и лимитирующая стадия
- Уравнение Аррениуса и энергия активации
- Катализ
Key theories
- Теория переходного состояния
- Скорость реакции рассчитывается исходя из заселенности активированного комплекса, находящегося в квазиравновесии с реагентами на вершине энергетического барьера, умноженной на скорость распада этого комплекса в сторону продуктов.
- Температурная зависимость Аррениуса
- Константы скорости увеличиваются с температурой в соответствии с экспоненциальной зависимостью от энергии активации, отражая долю столкновений, достаточно энергичных для преодоления реакционного барьера.
Clinical relevance
Химическая кинетика лежит в основе проектирования и управления промышленными реакторами, разработки катализаторов, стабильности и сроков годности фармацевтических препаратов и пищевых продуктов, моделирования атмосферной химии и химии горения, а также количественного анализа действия ферментов в биохимии.
History
Кинетика возникла из исследований скоростей реакций XIX века Вильгельми, Гульдберга и Вааге; Аррениус предложил свое уравнение активационной энергии в 1889 году, а в 1930-х годах появилась теория абсолютных скоростей Эйринга, а также Эванса и Поланьи, переосмыслившая кинетику в терминах статистической механики и поверхностей потенциальной энергии.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Henry Eyring
- Cyril Norman Hinshelwood
Related topics
Seminal works
- eyring1935
- atkins2018
- laidler1987
Frequently asked questions
- Почему сбалансированное химическое уравнение не позволяет определить кинетическое уравнение?
- Стехиометрия описывает общую конверсию, но не молекулярный путь; кинетическое уравнение отражает самую медленную элементарную стадию и участвующие в ней частицы, поэтому оно должно быть определено экспериментально, а не выведено из общего уравнения.
- Если реакция термодинамически выгодна, почему она все же может не протекать?
- Термодинамика определяет только возможность протекания реакции, но не ее скорость; большой активационный барьер может сделать выгодную реакцию неизмеримо медленной, поэтому алмаз сохраняется, несмотря на то, что графит является более стабильной формой углерода.