Động học hóa học
Động học hóa học nghiên cứu tốc độ phản ứng diễn ra nhanh như thế nào và tại sao, liên hệ tốc độ đo được với trình tự các bước phân tử và các rào cản năng lượng kiểm soát chúng.
Definition
Động học hóa học là một nhánh của hóa lý liên quan đến tốc độ của các phản ứng hóa học, các yếu tố ảnh hưởng đến chúng và các cơ chế phân tử mà theo đó các chất phản ứng được chuyển đổi thành sản phẩm.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm việc đo lường và giải thích tốc độ phản ứng: các định luật tốc độ thực nghiệm và bậc phản ứng; các phương trình tốc độ tích phân và chu kỳ bán rã; việc làm sáng tỏ cơ chế phản ứng từ các bước cơ bản bằng cách sử dụng các xấp xỉ trạng thái dừng và tiền cân bằng; sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ thông qua phương trình Arrhenius; và các khuôn khổ lý thuyết về lý thuyết va chạm và lý thuyết trạng thái chuyển tiếp. Xúc tác và ảnh hưởng của nó đến tốc độ cũng được bao gồm, trong khi động lực học lượng tử chi tiết của các va chạm đơn lẻ và vị trí cân bằng nhiệt động được xử lý trong các lĩnh vực lân cận.
Sub-topics
Core questions
- Các định luật tốc độ và bậc phản ứng được xác định bằng thực nghiệm như thế nào?
- Làm thế nào có thể tái tạo một chuỗi các bước cơ bản từ một định luật tốc độ quan sát được?
- Tại sao tốc độ phản ứng lại phụ thuộc mạnh mẽ vào nhiệt độ?
- Lý thuyết va chạm và lý thuyết trạng thái chuyển tiếp giải thích các hằng số tốc độ tuyệt đối như thế nào?
Key concepts
- Định luật tốc độ và bậc phản ứng
- Phương trình tốc độ tích phân và chu kỳ bán rã
- Cơ chế phản ứng và bước xác định tốc độ
- Phương trình Arrhenius và năng lượng hoạt hóa
- Xúc tác
Key theories
- Lý thuyết trạng thái chuyển tiếp
- Tốc độ phản ứng được tính từ số lượng phức chất hoạt hóa ở trạng thái cân bằng giả với các chất phản ứng ở đỉnh rào cản năng lượng, nhân với tốc độ mà phức chất đó phân hủy thành sản phẩm.
- Sự phụ thuộc nhiệt độ Arrhenius
- Các hằng số tốc độ tăng theo nhiệt độ theo một sự phụ thuộc hàm mũ vào năng lượng hoạt hóa, phản ánh tỷ lệ các va chạm đủ năng lượng để vượt qua rào cản phản ứng.
Clinical relevance
Động học hóa học là nền tảng cho việc thiết kế và kiểm soát các lò phản ứng công nghiệp, công thức hóa chất xúc tác, sự ổn định và thời hạn sử dụng của dược phẩm và thực phẩm, mô hình hóa hóa học khí quyển và đốt cháy, và phân tích định lượng hoạt động của enzyme trong hóa sinh.
History
Động học xuất hiện từ các nghiên cứu về tốc độ vào thế kỷ XIX của Wilhelmy, Guldberg và Waage; Arrhenius đã đề xuất phương trình năng lượng hoạt hóa của mình vào năm 1889, và những năm 1930 đã mang đến lý thuyết tốc độ tuyệt đối của Eyring và của Evans và Polanyi, định hình lại động học theo cơ học thống kê và bề mặt năng lượng tiềm năng.
Key figures
- Svante Arrhenius
- Henry Eyring
- Cyril Norman Hinshelwood
Related topics
Seminal works
- eyring1935
- atkins2018
- laidler1987
Frequently asked questions
- Tại sao một phương trình hóa học cân bằng không cho bạn biết định luật tốc độ?
- Hệ số tỉ lượng mô tả sự chuyển đổi tổng thể nhưng không phải con đường phân tử; định luật tốc độ phản ánh bước cơ bản chậm nhất và các loài liên quan đến nó, vì vậy nó phải được xác định bằng thực nghiệm chứ không phải đọc từ phương trình tổng thể.
- Nếu một phản ứng thuận lợi về mặt nhiệt động lực học, tại sao nó vẫn có thể không xảy ra?
- Nhiệt động lực học chỉ xác định liệu một phản ứng có thể xảy ra hay không, chứ không phải tốc độ; một rào cản hoạt hóa lớn có thể làm cho một phản ứng thuận lợi trở nên chậm đến mức không thể đo lường được, đó là lý do tại sao kim cương vẫn tồn tại mặc dù than chì là dạng carbon ổn định hơn.