จลนพลศาสตร์เคมี
จลนพลศาสตร์เคมีศึกษาว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นเร็วเพียงใดและเพราะเหตุใด โดยเชื่อมโยงอัตราที่วัดได้กับลำดับของขั้นตอนระดับโมเลกุลและอุปสรรคทางพลังงานที่ควบคุมปฏิกิริยาเหล่านั้น
Definition
จลนพลศาสตร์เคมีเป็นสาขาหนึ่งของเคมีฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่ออัตราเหล่านั้น และกลไกระดับโมเลกุลที่สารตั้งต้นถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมการวัดและการตีความอัตราการเกิดปฏิกิริยา: กฎอัตราเชิงประจักษ์และอันดับปฏิกิริยา; สมการอัตราแบบอินทิเกรตและครึ่งชีวิต; การอธิบายกลไกปฏิกิริยาจากขั้นตอนมูลฐานโดยใช้การประมาณสภาวะคงที่และการประมาณสมดุลก่อนหน้า; การขึ้นกับอุณหภูมิของอัตราผ่านสมการอาร์เรเนียส; และกรอบทฤษฎีของทฤษฎีการชนและทฤษฎีสถานะแทรนซิชัน รวมถึงการเร่งปฏิกิริยาและผลกระทบต่ออัตรา ในขณะที่พลวัตควอนตัมโดยละเอียดของการชนครั้งเดียวและตำแหน่งสมดุลทางเทอร์โมไดนามิกส์จะได้รับการพิจารณาในสาขาที่เกี่ยวข้อง
Sub-topics
Core questions
- กฎอัตราและอันดับปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยการทดลองได้อย่างไร?
- ลำดับของขั้นตอนมูลฐานสามารถสร้างขึ้นใหม่จากกฎอัตราที่สังเกตได้ได้อย่างไร?
- เหตุใดอัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก?
- ทฤษฎีการชนและทฤษฎีสถานะแทรนซิชันอธิบายค่าคงที่อัตราสัมบูรณ์ได้อย่างไร?
Key concepts
- กฎอัตราและอันดับปฏิกิริยา
- สมการอัตราแบบอินทิเกรตและครึ่งชีวิต
- กลไกปฏิกิริยาและขั้นตอนกำหนดอัตรา
- สมการอาร์เรเนียสและพลังงานกระตุ้น
- การเร่งปฏิกิริยา
Key theories
- ทฤษฎีสถานะแทรนซิชัน
- อัตราการเกิดปฏิกิริยาคำนวณจากการกระจายตัวของสารเชิงซ้อนกัมมันต์ที่อยู่ในภาวะสมดุลเสมือนกับสารตั้งต้นที่จุดสูงสุดของอุปสรรคพลังงาน คูณด้วยอัตราที่สารเชิงซ้อนนั้นสลายตัวไปเป็นผลิตภัณฑ์
- การขึ้นกับอุณหภูมิแบบอาร์เรเนียส
- ค่าคงที่อัตราเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิโดยมีความสัมพันธ์แบบเอกซ์โพเนนเชียลกับพลังงานกระตุ้น ซึ่งสะท้อนถึงสัดส่วนของการชนที่มีพลังงานเพียงพอที่จะเอาชนะอุปสรรคของปฏิกิริยา
Clinical relevance
จลนพลศาสตร์เคมีเป็นพื้นฐานของการออกแบบและควบคุมเครื่องปฏิกรณ์อุตสาหกรรม การกำหนดสูตรตัวเร่งปฏิกิริยา ความเสถียรและอายุการเก็บรักษาของยาและอาหาร การสร้างแบบจำลองเคมีบรรยากาศและการเผาไหม้ และการวิเคราะห์เชิงปริมาณการทำงานของเอนไซม์ในชีวเคมี
History
จลนพลศาสตร์เกิดขึ้นจากการศึกษาอัตราในศตวรรษที่สิบเก้าของ Wilhelmy, Guldberg และ Waage; Arrhenius ได้เสนอสมการพลังงานกระตุ้นของเขาในปี 1889 และทศวรรษ 1930 ได้นำมาซึ่งทฤษฎีอัตราสัมบูรณ์ของ Eyring และของ Evans และ Polanyi ซึ่งได้ปรับเปลี่ยนจลนพลศาสตร์ในแง่ของกลศาสตร์เชิงสถิติและพื้นผิวพลังงานศักย์
Key figures
- Svante Arrhenius
- Henry Eyring
- Cyril Norman Hinshelwood
Related topics
Seminal works
- eyring1935
- atkins2018
- laidler1987
Frequently asked questions
- เหตุใดสมการเคมีที่สมดุลจึงไม่สามารถบอกกฎอัตราได้?
- ปริมาณสัมพันธ์อธิบายการเปลี่ยนแปลงโดยรวมแต่ไม่ใช่เส้นทางระดับโมเลกุล; กฎอัตราสะท้อนถึงขั้นตอนมูลฐานที่ช้าที่สุดและชนิดของสารที่เกี่ยวข้องจนถึงขั้นตอนนั้น ดังนั้นจึงต้องถูกกำหนดโดยการทดลองแทนที่จะอ่านจากสมการโดยรวม
- หากปฏิกิริยาเป็นไปได้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ เหตุใดจึงอาจยังไม่เกิดขึ้น?
- เทอร์โมไดนามิกส์กำหนดเพียงว่าปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นได้หรือไม่ ไม่ใช่ความเร็ว; อุปสรรคการกระตุ้นขนาดใหญ่อาจทำให้ปฏิกิริยาที่เป็นไปได้เกิดขึ้นช้าจนวัดไม่ได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเพชรจึงคงอยู่ได้แม้ว่าแกรไฟต์จะเป็นรูปที่เสถียรมากกว่าของคาร์บอน