Kemia kinetiko

Kemia kinetiko, ankaŭ konata kiel reakcia kinetiko, estas la eksperimenta studado de la rapido de kemiaj reakcioj. Kemia kinetiko inkluzivas esplori kiel diversaj eksperimentaj kondiĉoj influas la rapidon de kemia reakcio kaj donas informon pri la reakcia mekanismo kaj de transiraj statoj, kaj la konstruado de matematikaj modeloj kiuj povas priskribi la atributojn de kemia reakcio. En 1864, Peter Waage kaj Cato Guldberg pioniris la evoluigadon de kemia kinetiko formulante la leĝon de masa agado, kiu diras ke la rapido de kemia reakcio estas proporcia al la kvanto de reakciantoj.
eta|dekstra|400px|Reakcia rapido emas pliiĝi laŭ koncentriteco - fenomeno klarigebla de kolizia teorio.

 Rapido de reakcio 

Per eksperimentoj oni povas mezuri la rapidon de reakcioj, el kiu oni derivas ekvacion kaj konstantojn por priskribi la rapidon. Relative simplaj ekvacioj ekzistas por nulaordaj reakcioj (por kiuj la rapido estas sendependa de koncentriteco), unuaordaj reakcioj, kaj duaordaj reakcioj. Ĉe sinsekvaj reakcioj, la rapidolimiga paŝo kutime regas la kinetikon. En sinsekvaj unuaordaj reakcioj, stabilastata proksimumado povas simpligi la rapidan leĝon. Oni povas kalkuli la aktivigan energion por reakcio per la ekvacio de Arrhenius kaj la ekvacio de Eyring. La ĉefaj faktoroj kiuj influas la rapidon de reakcio estas: la fizika stato de la reakciantoj, la koncentriteco de la reakciantoj, la temperaturo je kiu la reakcio okazas, kaj ĉu katalizilo ĉeestas en la reakcio.

 Faktoroj kiuj influas la rapidon de reakcio 
 Naturo de la reakciantoj 
La rapido dependas de kiuj substancoj reakcias. Acidaj reakcioj, formiĝo de saloj, kaj joninterŝanĝo estas rapidaj reakcioj. Kiam kovalentaj ligoj formiĝas inter molekuloj kaj kiam grandaj molekuloj formiĝas, la reakcioj emas esti tre malrapidaj.

 Fizika stato 
La fizika stato (ĉu solida, likva aŭ gasa) de reakcianto estas grava faktoro de la rapido de reakcio. Kiam reakciantoj estas samfazaj, kiel en akva solvaĵo, termomoviĝo kontaktigas la molekulojn. Kiam ili estas malsamfazaj, la reakcio limiĝas al la interfaco inter la reakciantoj. Reakcio okazas nur ĉe la areo de kontakto, en la kazo de likvo kaj gaso, ĉe la surfaco de la likvo. Vigla skuado aŭ kirlado eble estas bezonata por kompletigi la reakcion. Tial ju pli fajna la solida aŭ likva reakcianto, des pli granda estas ĝia surfaca areo en volumena unuo, kaj des pli ĝi kontaktas aliajn reakciantojn, do des pli rapida la reakcio. Analogie, ekzemple, kiam oni startigas fajron, oni uzas lignajn pecetojn kaj etajn branĉojn - oni ne komencas per grandaj ŝtipoj.

 Koncentriteco 
Koncentriteco ofte influas la rapidon de reakcioj. Laŭ la kolizia teorio de kemiaj reakcioj, la kialo estas ke molekuloj devas kolizii por kune reakcii. Ju pli la koncentriteco de la reakciantoj, des pli ofte la molekuloj kolizias. Imagu gason en fermita ujo. Ĉiuj molekuloj entenataj konstante kolizias kun aliaj. Se pli da molekuloj estas en la ujo, ili iras malpli longan distancon inter kolizioj, do ili kolizias pli ofte kaj la reakcio pli rapidas (bildo 1.1).

 Temperaturo 
Temperaturo ofte havas gravan influon je la rapido de kemia reakcio. Molekuloj je pli alta temperaturo havas plian termoenergion. Kiam oni varmigas reakciantojn en kemia reakcio, la pli energihavaj atomoj aŭ molekuloj havas pli grandan probablecon kolizii kun alia. Tial pliaj kolizioj okazas je pli alta temperaturo, do plia produkto formiĝas. Pli grave, je pli altaj temperaturoj molekuloj havas plian vibran energion; atomoj vibras pli vigle, do plialtigi la temperaturon ne nur pliigas la nombron da kolizioj, sed ankaŭ pliigas la nombron da kolizioj kiuj kapablas rezultigi rearanĝon de atomoj en la reakciantaj molekuloj. Ekzemple, fridigilo malpliigas la rapidon de putrigaj reakcioj, do la enhavataj manĝaĵoj konserviĝos pli longe. Aliflanke, forno provizas varmon (energion) al la molekuloj, tiel plirapidigante la reakcion, do pli rapide kuirante la manĝaĵon.

Oni povas ankaŭ studi kinetikon per temperatura salto. Oni kaŭzas subitan temperaturan salton, kaj mezuras la rilaksan rapidon de ekvilibra procezo.

 Kataliziloj 
eta|dekstra|292px|Ĝenerala diagramo pri la potenciala energio, montras la efikon de katalizilo en eksoterma kemia reakcio. La enesto de katalizilo malfermas alian reakcian vojon (ruĝan) kun malpli alta aktiviga energio. La fina rezulto kaj la tuta termodinamiko estas sama.

Katalizilo estas substanco kiu plirapidigas reakcion sed poste restas kemie senŝanĝita. Ĝi plirapidigas la reakcion per malsama mekanismo kun malpli alta aktiviga energio. En memkatalizado, reakcia produkto mem katalizas la reakcion. Tio provizas pozitivan retrokuplon. Proteinoj kiuj katalizas biokemiajn reakciojn nomiĝas
enzimoj. La kinetiko de Michaelis-Menton priskribas la rapidon de reakcioj katalizataj de enzimoj.

En iuj organikaj molekuloj specifaj substancoj influas la reakcian rapidon per partopreno de najbaraj grupoj.

Agiti aŭ miksi solvaĵon ankaŭ plirapidigas reakcion, ĉar tio donas al la partikloj plian kinetan energion, pliigante la nombron da kolizioj inter reakciantoj kaj tial la eblecon de sukcesaj kolizioj.

Pliigi la premon de gasa reakcio pliigas la nombron da kolizioj inter reakciantoj, pliigante la rapidon de reakcio, ĉar la aktiveco de gaso estas rekte proporcia al la parta premo de tiu gaso. Tio similas al pliigi la koncentritecon de solvaĵo.

Katalizilo ne ŝanĝas la pozicion de ekvilibro, ĉar la katalizilo plirapidigas kaj la antaŭenan kaj la inversan reakciojn.

 Ekvilibroj 
Dum kemia kinetiko rilatas al la rapido de kemiaj reakcioj, termodinamiko regas la progreson kiun reakcio povas atingi. En inversigebla reakcio, kemia ekvilibro atingiĝas kiam la rapidoj de la antaŭena reakcio kaj la inversa reakcio egalas kaj la koncentritecoj de la reakciantoj kaj produktoj ne plu ŝanĝiĝas. Tion ekzempligas la procezo Haber-Bosch por kombini nitrogenon kaj hidrogenon por fari amoniakon. Kemihorloĝaj reakcioj, ekzemple la reakcio Belousov-Zhabotinsky montras ke komponantaj koncentritecoj povas oscili dum longa tempo antaŭ ol finfine atingi ekvilibron.

 Libera energio 
Ĝenerale la termodinamika libera energio (ΔG) de reakcio regas ĉu kemia ŝanĝo okazos, sed kinetiko priskribas kiel rapide la reakcio okazos. Reakcio povas esti tre eksoterma kaj havi tre pozitivan ŝanĝon de entropio sed ne okazos praktike se la reakcio estas tro malrapida. Se reakcio povas produkti du malsamajn produktojn, la pli termodinamike stabila formiĝos, krom en specialaj cirkonstancoj kiam la reakcion regas kineta reakcia. La principo Curtin-Hammett regas la produktan proporcion de du reakciantoj rapide interkonvertiĝantaj, kiam ĉiu formas malsaman produkton. Eblas antaŭkalkuli reakciajn rapid-konstantojn por reakcio el rilatoj pri libera energio.

La kineta izotopa efiko estas la diferenco de la rapido de kemia reakcio kiam atomon en unu reakcianto anstataŭigas iu el ĝiaj izotopoj.

Kemia kinetiko informas pri restada tempo de fluanta reakcianto, kaj varmotransigo en kemia reakciujo en kemia inĝenierarto kaj la molara masa distribuo en polimera kemio.

 Aplikaĵoj 
La matematikaj modeloj kiuj priskribas kemian kinetikon donas al kemiistoj kaj kemiaj inĝenieroj ilojn por pli bone kompreni kaj priskribi kemiajn procezojn, ekzemple manĝaĵa putriĝo, mikroorganisma kreskado, malkombiniĝo de ozono en la stratosfero, kaj la kompleksa kemio de biologiaj sistemoj. Oni povas ankaŭ utiligi tiajn modelojn por plani aŭ modifi kemiajn reakciujojn por optimumigi produktan liveron, pli efike apartigi produktojn, kaj elimini noksajn kromproduktojn en la ĉirkaŭaĵo. Ekzemple, por katalize kraki pezajn hidrokarbidojn en benzinon kaj gasojn, oni povas uzi kinetikajn modelojn por trovi la temperaturon kaj premon je kiuj okazos la pleja livero de pezaj hidrokarbidoj.

 Famaj fakuloj 
 Józef Boguski

 Eksteraj ligiloj 

 Intervjuo kun Ivo Filot, artikolo pri kinetiko en la scienca blogo Scivolemo aperinta la 21-an de novembro 2018 

 Vidu ankaŭ 
 Kolizia teorio
 Ekvacio de Arrhenius
 Kemia reakcio
 Media

 Verkoj 
Ĝenerala, organika, kaj biologia kemio, de H S Stoker kaj N R Slabaugh, el la angla tradukis teamo sub la gvido de R K Jones kaj D A Portman, Esperanto-Societo de Ĉikago, 1985.