קינטיקה כימית

בכימיה פיזיקלית, קינטיקה כימית או קינטיקת התגובה היא תחום המחקר של קצב התגובה בתגובה כימית. ניתוח ההשפעות של תנאי תגובה שונים על קצב התגובה נותן מידע על מנגנון התגובה ומצב המעבר של התגובה הכימית. ב-1864, ניסח פיטר ווגה את חוק פעולת המסות שקובע כי מהירות התגובה הכימית עומדת ביחס ישיר לכמות של החומרים המגיבים. ניסוח חוק זה היה תחילתו של המחקר בתחום הקינטיקה הכימית. הקינטיקה עוסקת בקביעה ניסויית של קצבי תגובה שמהם משוואת הקצב וקבוע קצב התגובה נגזרים. משוואות קצב חיוניות קיימות עבור תגובות מסדר אפס (בתנאים אלה קצבי התגובה לא תלויים בריכוז ההתחלתי), תגובות מסדר ראשון, ותגובות מסדר שני, וניתן לגזור אותן עבור סדרים אחרים באמצעות שימוש בחשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי. בתגובות עוקבות, שלב קובע המהירות הוא השלב הקובע את הקינטיקה. בתגובות עוקבות מסדר ראשון, קירוב של מצב יציב עשוי לפשט את משוואת הקצב. אנרגיית השפעול של תגובה כימית נקבעת באופן ניסויי באמצעות משוואת ארניוס ומשוואת איירינג. הגורמים העיקריים שמשפיעים על קצב התגובה כוללים את: מצב הצבירה של המגיבים, הריכוזים של המגיבים, הטמפרטורה אשר בה התגובה מתרחשת, והאם יש או אין נוכחות של זרזים במדיום שבו מתרחשת התגובה. זמן התגובה משתנה באופן התלוי בסוג החומרים המגיבים. תגובות חומציות, יצירת מלחים, וחילוף יונים הן תגובות מהירות. כאשר נוצרות מולקולות גדולות התגובות הכימיות נוטות להיות מאוד איטיות. מצב הצבירה (מוצק, נוזל, או גז) של מגיב הוא גם כן גורם חשוב בקצב השינוי. כאשר מגיבים נמצאים באותו מופע, כמו למשל בתמיסה מימית, התנועה החומנית גורמת להם להיפגש. אולם, כאשר הם במופעים שונים, התגובה מוגבלת לאזור המגע בין שני המגיבים. תגובה יכולה להתרחש רק באזור המגע, ובמקרה של נוזל או גז, בפני השטח של הנוזל. יש צורך בניעורים עזים ובערבוב על מנת לגרום להשלמת התגובה. משמעות הדבר היא שככל שהחלוקה בין המגיב המוצק למגיב הנוזלי יותר ברורה, כך גדל שטח הפנים ליחידת נפח, ויש יותר מגע עם מגיבים אחרים, וכתוצאה מכך התגובה נהיית יותר מהירה. אם נעשה אנלוגיה, לדוגמה, כאשר מציתים אש, קודם כל משתמשים בחתיכות עץ קטנות – לא עושים שימוש מראש בגזעי עצים גדולים. בכימיה אורגנית תגובות על מים הן היוצא מן הכלל לכלל שתגובות הומוגניות מתרחשות במהירות גבוהה יותר מאשר תגובות הטרוגניות. הריכוז ממלא תפקיד חשוב בתגובות כימיות. לפי תאוריית ההתנגשויות המולקולריות, ההתנגשויות מתרחשות בעקבות העובדה שהמולקולות חייבות להתנגש על מנת להגיב ביחד. ככל שריכוז המגיבים עולה, התדירות של התנגשות המולקולות עולה, והן פוגעות זו בזו חזק יותר על ידי כך שהן במגע קרוב יותר בכל נקודת זמן נתונה. נניח שבמיכל סגור יש שני מגיבים. כל המולקולות הנמצאות בפנים מתנגשות ללא הפסקה. אם נגדיל את הכמות של אחד או יותר מהמגיבים הגורמים להתנגשויות אלה להתרחש יותר פעמים, נגדיל את קצב התגובה. נענוע או ערבוב של התמיסה יאיץ גם כן את קצב התגובה הכימית, כיוון שהוא נותן לחלקיקים אנרגיה קינטית גבוהה יותר, וגורם להגדלת מספר ההתנגשויות בין מגיבים ובכך מגדיל את ההסתברות להתרחשות של התנגשויות מוצלחות. הגדלת הלחץ בתגובה גזית תגדיל את מספר ההתנגשויות בין המגיבים, ובכך את קצב התגובה. תוצאה זו היא בגלל שהפעילות של גז נמצאת ביחס ישר ללחץ החלקי שלו. תופעה זו דומה להשפעה של הגדלת ריכוז של חומר מסוים בתמיסה. לטמפרטורה יש בדרך כלל השפעה גדולה על מהירות התגובה. למולקולות בטמפרטורה גבוהה יש יותר אנרגיה תרמית. כאשר מגיבים בתגובה כימית מתחממים, לאטומים או המולקולות האנרגטיים יותר יש סיכוי גבוה יותר להתנגש אחד עם השני ולהגיב. באופן זה, בטמפרטורה גבוהה מתרחשות יותר התנגשויות, שיוצרות תוצר בתגובה כימית. יותר חשובה מזה היא העובדה שבטמפרטורה גבוהה יותר למולקולות יש יותר אנרגיה ויברציונית, כלומר, האטומים רוטטים באופן הרבה יותר "אלים", כך שהעלאת הטמפרטורה מגדילה לא רק את מספר ההתנגשויות אלא גם את ההתנגשויות שיכולות להסתיים בסידור מחדש של האטומים בתוך מולקולות המגיבים. לדוגמה, מקרר מאט את המהירות של קצב התגובה כיוון שהוא מקרר את המולקולות. מצד שני, תנור נותן חום (אנרגיה) למולקולות שבתורן מאיצות את קצב התגובה, כך שהאוכל נאפה יותר מהר. כמו כן, ניתן לקבוע את הקינטיקה הכימית באמצעות קפיצת טמפרטורה. שיטה זו כוללת שימוש בעלייה חדה בטמפרטורה וצפייה בשינויים בקצב התגובה של תהליך שיווי המשקל הכימי. זרז הוא חומר שמאיץ את הקצב של התגובה הכימית אך לא משתנה מבחינה כימית לאחר ההאצה. הזרז מגדיל את קצב התגובה באמצעות מתן מנגנון תגובה שונה שמתרחש ברמה נמוכה יותר של אנרגיית שפעול. בזרזים עצמיים תוצר התגובה עצמו מזרז את התגובה ובכך הוא גורם למשוב חיובי. חלבונים שמתפקדים כזרזים בתגובות ביוכימיות נקראים אנזימים. קינטיקת מיכאליס-מנטן מתארת את הקצב של תגובות מתווכות אנזימים. במספר מולקולות אורגניות למתמירים מסוימים יש השפעה על קצב התגובה בהשתתפות של קבוצה שכנה. בעוד שהקינטיקה הכימית קובעת את הקצב של התגובה הכימית, שיווי המשקל הכימי קובע את הגבול שאליו תגיע התגובה. בתגובה הפיכה, שיווי משקל כימי מושג כאשר קצב התגובה של התגובה קדימה שווה לקצב של התגובה ההפוכה והריכוזים של המגיבים והתוצרים נשארים קבועים. דבר זה מודגם בדוגמה הקלאסית של תהליך האבר-בוש. ניתן לעשות שימוש בעקרון לה-שטלייה על מנת לנבא את ההשפעה של שינוי בריכוז, טמפרטורה או לחץ על המיקום של שיווי המשקל הכימי. תגובות של שעון כימי כגון תגובת בלוסוב-ז'בוטינסקי מראות בצורה יפה שרכיב הריכוזים יכול להתנודד במשך זמן רב לפני שהוא מגיע לשיווי משקל. במונחים כלליים, האנרגיה החופשית של התגובה קובעת אם התגובה הכימית תתרחש, והקינטיקה תספק מידע על מהירות התגובה. התגובה יכולה להיות מאוד אקסותרמית אבל תהיה לא מעשית כיוון שהיא איטית מדי. אם מגיב יכול להגיב וליצור שני תוצרים שונים, התוצר היותר יציב מבחינה תרמודינמית ייווצר בדרך כלל מלבד בנסיבות מיוחדות כאשר התגובה נמצאת תחת בקרה קינטית. עקרון קרטין-האמט תקף כאשר קובעים את יחס המגיבים המומרים במהירות לכל אחד מנתיבי התגובה. ייתכן שניתן לחזות את קבועי קצב התגובה עבור תגובה מסוימת מתוך יחסי האנרגיה החופשית. תוצא האיזוטופ הקינטי הוא ההבדל בקצב של תגובה כימית כאשר אטום באחד מהמגיבים מוחלף על ידי אחד מהאיזוטופים שלו. קינטיקות כימיות יכולות לספק מידע על זמן המעבר ומעבר החום במגיב כימי בתחום ההנדסה הכימית והתפלגות המסה המולרית בכימיה של פולימרים. מנגנון לינדמן קינטיקה תלוית לחץ Preparing for the Chemistry AP Exam. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, 2004. 131-134. ISBN 0-536-73157-8 מדיה וקבצים בנושא קינטיקה כימית בוויקישיתוף קינטיקה כימית באתר אוניברסיטת פרדו יישומים כימיים קינטיקה כימית באתר אוניברסיטת ווטרלו קינטיקה כימית באתר אוניברסיטת מדינת וושינגטון הרצאה על קינטיקה כימית קינטיקה כימית של תגובות גזיות קינטיקה כימית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) קינטיקה כימית, דף שער בספרייה הלאומית