„Reakciósebesség” változatai közötti eltérés
[ellenőrzött változat] | [ellenőrzés folyamatban] |
a Írásjel található a </ref> után – ennek a forrás előtt kell lennie. |
|||
(Egy közbenső módosítás, amit egy másik szerkesztő végzett, nincs mutatva) | |||
4. sor: | 4. sor: | ||
A kémiai reakciókban a kiindulási anyagok ([[reagens]]ek) termékek képződése közben reagálnak. A kiindulási anyagok [[anyagmennyiség]]e csökken, a termékek anyagmennyisége pedig növekszik az idő előrehaladtával. A '''reakciósebesség''' egy adott sztöchiometriájú [[kémiai reakció]] időbeli előrehaladásának pontos matematikai egyenletéből kapható meg. Az egyes reakciók nagyon eltérő sebességűek lehetnek, például a [[vas]] rozsdásodása a földi atmoszférában lassú, néhány évet is igénybe vehet, de a [[cellulóz]] égése néhány másodperc alatt lejátszódik. |
A kémiai reakciókban a kiindulási anyagok ([[reagens]]ek) termékek képződése közben reagálnak. A kiindulási anyagok [[anyagmennyiség]]e csökken, a termékek anyagmennyisége pedig növekszik az idő előrehaladtával. A '''reakciósebesség''' egy adott sztöchiometriájú [[kémiai reakció]] időbeli előrehaladásának pontos matematikai egyenletéből kapható meg. Az egyes reakciók nagyon eltérő sebességűek lehetnek, például a [[vas]] rozsdásodása a földi atmoszférában lassú, néhány évet is igénybe vehet, de a [[cellulóz]] égése néhány másodperc alatt lejátszódik. |
||
A reakciósebességet a kémiai [[reakciókinetika]], a [[fizikai kémia]] egyik részterülete tárgyalja.<ref>Atkins, P. W.: Fizikai kémia III. Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. Budapest, 2002.</ref> A kémiai reakciókinetika egyenleteit többek között a [[vegyészmérnök]]i,<ref>{{Cite journal|title=Mathematical modeling and simulation of an industrial adiabatic trickle-bed reactor for upgrading heavy crude oil by hydrotreatment process|url=https://doi.org/10.1007/s11144-018-1489-7|journal=Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis|date=2019-02-01|issn=1878-5204|pages=31–48|volume=126|issue=1|doi=10.1007/s11144-018-1489-7|language=en|first=Ignacio|last=Elizalde|author=Fabián S.|coauthors=Ma.}}</ref><ref>Kinetic studies of propane oxidation on Mo and V based mixed oxide catalysts, https://pure.mpg.de/rest/items/item_1199619_5/component/file_1199618/content, 2011</ref><ref>The reaction network in propane oxidation over phase-pure MoVTeNb M1 oxide catalysts. Journal of Catalysis, 311, 369-385, https://pure.mpg.de/rest/items/item_1896844_6/component/file_1896843/content</ref> az [[enzimológia]]i<ref>{{Cite journal|title=Characterization of Biomimetic Cofactors According to Stability, Redox Potentials, and Enzymatic Conversion by NADH Oxidase from Lactobacillus pentosus|url=https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cbic.201700258|journal=ChemBioChem|date=2017-10-05|issn=1439-4227|pages=1944–1949|volume=18|issue=19|doi=10.1002/cbic.201700258|language=en|first=Claudia|last=Nowak|author=André|coauthors=Lénárd‐István}}</ref><ref>{{Cite journal|title=Optimal enzyme utilization suggests that concentrations and thermodynamics determine binding mechanisms and enzyme saturations|url=https://www.nature.com/articles/s41467-023-38159-4|journal=Nature Communications|date=2023-05-05|issn=2041-1723|pages=2618|volume=14|issue=1|doi=10.1038/s41467-023-38159-4|language=en|first=Asli|last=Sahin|author=Daniel R.|coauthors=Vassily}}</ref><ref>{{Cite journal|title=Extensions to Michaelis-Menten Kinetics for Single Parameters|url=https://www.nature.com/articles/s41598-018-34675-2|journal=Scientific Reports|date=2018-11-08|issn=2045-2322|pages=16586|volume=8|issue=1|doi=10.1038/s41598-018-34675-2|language=en|first=R. T. K.|last=Ariyawansha|author=B. F. A.|coauthors=A. K.}}</ref> és a [[környezetmérnök]]i<ref>{{Cite journal|title=Degradation of paracetamol by sulfate radicals using UVA-irradiation/heat activated peroxydisulfate: kinetics and optimization using Box–Behnken design|url=https://doi.org/10.1007/s11144-023-02530-9|journal=Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis|date=2023-11-13|issn=1878-5204|doi=10.1007/s11144-023-02530-9|language=en|first=Anissa|last=Hamiche|author=Idris|coauthors=Lamia}}</ref> <ref>{{Cite journal|title=Kinetics and thermodynamics of non-isothermal pyrolysis of polypropylene grocery bags|url=https://doi.org/10.1007/s11144-023-02492-y|journal=Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis|date=2023-12-01|issn=1878-5204|pages=3151–3171|volume=136|issue=6|doi=10.1007/s11144-023-02492-y|language=en|first=Praveen Kumar Reddy|last=Annapureddy|author=Nanda|coauthors=Zhitong}}</ref><ref>{{Cite journal|title=Kinetics and thermodynamics of non-isothermal pyrolysis of polypropylene grocery bags|url=https://link.springer.com/10.1007/s11144-023-02492-y|journal=Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis|date=2023-12|issn=1878-5190|pages=3151–3171|volume=136|issue=6|doi=10.1007/s11144-023-02492-y|language=en|first=Praveen Kumar Reddy|last=Annapureddy|author=Nanda|coauthors=Zhitong}}</ref> gyakorlatban alkalmazzák. |
|||
A reakciósebességet a kémiai [[reakciókinetika]], a [[fizikai kémia]] egyik részterülete tárgyalja. A kémiai reakciókinetika egyenleteit többek között a [[vegyészmérnök]]i, az [[enzimológia]]i és a [[környezetmérnök]]i gyakorlatban alkalmazzák.<ref>Atkins, P. W.: Fizikai kémia III. Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. Budapest, 2002.</ref> |
|||
== A reakciósebesség definícióegyenlete == |
== A reakciósebesség definícióegyenlete == |
A lap jelenlegi, 2024. február 1., 13:21-kori változata
A kémiai reakciókban a kiindulási anyagok (reagensek) termékek képződése közben reagálnak. A kiindulási anyagok anyagmennyisége csökken, a termékek anyagmennyisége pedig növekszik az idő előrehaladtával. A reakciósebesség egy adott sztöchiometriájú kémiai reakció időbeli előrehaladásának pontos matematikai egyenletéből kapható meg. Az egyes reakciók nagyon eltérő sebességűek lehetnek, például a vas rozsdásodása a földi atmoszférában lassú, néhány évet is igénybe vehet, de a cellulóz égése néhány másodperc alatt lejátszódik.
A reakciósebességet a kémiai reakciókinetika, a fizikai kémia egyik részterülete tárgyalja.[1] A kémiai reakciókinetika egyenleteit többek között a vegyészmérnöki,[2][3][4] az enzimológiai[5][6][7] és a környezetmérnöki[8] [9][10] gyakorlatban alkalmazzák.
A reakciósebesség definícióegyenlete
[szerkesztés]A reakciósebességet az anyagmennyiség, vagy pedig a koncentráció időegységre jutó változásával jellemzik. Általánosan egy kémiai reakció például az alábbi módon írható fel:
A reakciósebesség az anyagmennyiség-változásokkal:
Ha a reakció lejátszódása során a térfogat állandó, akkor az anyagmennyiségek időbeli változása egyenesen arányos az anyagmennyiség / térfogat viszonyok változásával, ami a komponensek koncentrációváltozását jelenti:
Ha V = állandó,
és a reakciósebesség a koncentráció-változásokkal:
A kifejezésekből az látható, hogy a reakcióegyenlet ismeretében elegendő egyetlen komponens anyagmennyiség-változásának vagy a koncentrációváltozásának a sebességét ismerni, a többi anyag átalakulásának a sebessége a sztöchiometriai viszonyok alapján már kiszámítható.
Molekularitás és rendűség
[szerkesztés]Reakciókinetikai szempontból azok a legegyszerűbb reakciók, amelyek lejátszódásához két molekula ütközése szükséges. Ezek a bimolekuláris reakciók. Ilyen reakció például a HI képződése homogén gáztérben.[11] A HI keletkezéséhez az szükséges, hogy a hőmozgás következtében egy-egy H2 és I2 molekula összeütközzék. Nem minden ütközés vezet új molekula képződéséhez. Az ütközéseknek csak egy kis része hatékony, de a sikeres ütközések száma arányos az összes ütközés számával. Egy adott hőmérsékleten annál gyakoribbak a molekulák ütközései, minél több molekula van a gázelegy egységnyi térfogatában, vagyis minél nagyobb a koncentráció, ill. a nyomás.
A HI képződés sebessége tehát
ahol a szögletes zárójelek a megfelelő komponensek koncentrációját jelentik, k pedig a reakciósebességi együttható.
A gyakorlati tapasztalat azt mutatja, hogy a bimolekuláris reakciók sebessége az egymásra ható, kiindulási anyagok koncentrációjával arányos:
vagy ha a két anyag koncentrációja megegyezik:
Azokat a reakciókat, amelyeknek a sebessége két anyag koncentrációjával, vagy egy koncentráció négyzetével arányos, kinetikusan másodrendű reakciónak nevezzük. Az r. rendű reakció sebességi egyenlete a legegyszerűbb esetet feltételezve a
kifejezéssel adható meg.
Általánosságban a reakciók kinetikus rendjén a sebességi egyenletben szereplő koncentrációk hatványkitevőinek az összegét értjük. Egyszerű reakciók esetén ez egész szám. Ha egy reakció rendűsége nem egész szám, akkor az összetett – sorozatos vagy párhuzamos – reakcióra utal.
A monomolekuláris, kinetikusan elsőrendű reakcióknál a molekulák belső instabilitásuk miatt bomlanak el. Tipikusan elsőrendű folyamat a molekulák termikus disszociációja vagy a radioaktív atomok bomlása.
A sebességi egyenletek megoldása
[szerkesztés]A különböző rendű reakciók sebességére felírt differenciálegyenleteket az alábbi peremfeltételekkel oldjuk meg. A reakció kezdeti időpontjában (t0) a kiindulási anyag (A) koncentrációja cAo = konstans, a terméké (cB) pedig nulla, vagyis:
- t0 → cA = cAo = konstans
- t0 → cBo = 0
- t → cA = cA
Nulladrendű reakció
[szerkesztés]A nulladrendű reakció sebességét a
differenciálegyenlet adja meg. Szétválasztva a változókat és integrálva:
A kiindulási anyag koncentrációja az idő függvényében a
függvény szerint lineárisan csökken, a termék koncentrációja pedig az
egyenlet szerint nő.
A kifejezésben k0 a nulladrendű reakció reakciósebességi állandója, mértékegysége: mol/dm³·s.
Elsőrendű reakció
[szerkesztés]Az elsőrendű reakció sebességét a
differenciálegyenlet adja meg. Szétválasztva a változókat és integrálva:
A kiindási anyag koncentrációja a
exponenciális függvény szerint csökken az idő függvényében, a terméké pedig hasonló exponenciális függvény szerint nő:
A kifejezésben k1 az elsőrendű reakció reakciósebességi állandója, mértékegysége: 1/s.
Másodrendű reakció
[szerkesztés]A másodrendű reakció sebességét – feltételezve, hogy cA = cB-vel – a
differenciálegyenlet adja meg. Szétválasztva a változókat és integrálva:
A kiindási anyag koncentrációja a
hiperbola függvény szerint csökken az idő függvényében, a terméké pedig szintén hiperbola függvény szerint nő.
A kifejezésben k2 a másodrendű reakció reakciósebességi állandója, mértékegysége: dm³/mol·s.
r-edrendű reakció
[szerkesztés]Ha r-rel jelöljük általánosan a reakció rendjét, akkor az r-edrendű reakció sebességét a
differenciálegyenlet adja meg. Szétválasztva a változókat és integrálva (r ≠ 1) esetén:
A kiindulási anyag koncentrációja (r-1)-edfokú hiperbola függvény szerint csökken az idő függvényében, a terméké pedig hasonló hiperbola függvény szerint nő.
A kifejezésben kr az r-edrendű reakció reakciósebességi állandója, mértékegysége: (dm³/mol)(r-1)/s.
Kapcsolódó szócikkek
[szerkesztés]Hivatkozások
[szerkesztés]- ↑ Atkins, P. W.: Fizikai kémia III. Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. Budapest, 2002.
- ↑ Elizalde, Ignacio, Ma. (2019. február 1.). „Mathematical modeling and simulation of an industrial adiabatic trickle-bed reactor for upgrading heavy crude oil by hydrotreatment process” (angol nyelven). Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 126 (1), 31–48. o. DOI:10.1007/s11144-018-1489-7. ISSN 1878-5204.
- ↑ Kinetic studies of propane oxidation on Mo and V based mixed oxide catalysts, https://pure.mpg.de/rest/items/item_1199619_5/component/file_1199618/content, 2011
- ↑ The reaction network in propane oxidation over phase-pure MoVTeNb M1 oxide catalysts. Journal of Catalysis, 311, 369-385, https://pure.mpg.de/rest/items/item_1896844_6/component/file_1896843/content
- ↑ Nowak, Claudia, Lénárd‐István (2017. október 5.). „Characterization of Biomimetic Cofactors According to Stability, Redox Potentials, and Enzymatic Conversion by NADH Oxidase from Lactobacillus pentosus” (angol nyelven). ChemBioChem 18 (19), 1944–1949. o. DOI:10.1002/cbic.201700258. ISSN 1439-4227.
- ↑ Sahin, Asli, Vassily (2023. május 5.). „Optimal enzyme utilization suggests that concentrations and thermodynamics determine binding mechanisms and enzyme saturations” (angol nyelven). Nature Communications 14 (1), 2618. o. DOI:10.1038/s41467-023-38159-4. ISSN 2041-1723.
- ↑ Ariyawansha, R. T. K., A. K. (2018. november 8.). „Extensions to Michaelis-Menten Kinetics for Single Parameters” (angol nyelven). Scientific Reports 8 (1), 16586. o. DOI:10.1038/s41598-018-34675-2. ISSN 2045-2322.
- ↑ Hamiche, Anissa, Lamia (2023. november 13.). „Degradation of paracetamol by sulfate radicals using UVA-irradiation/heat activated peroxydisulfate: kinetics and optimization using Box–Behnken design” (angol nyelven). Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis. DOI:10.1007/s11144-023-02530-9. ISSN 1878-5204.
- ↑ Annapureddy, Praveen Kumar Reddy, Zhitong (2023. december 1.). „Kinetics and thermodynamics of non-isothermal pyrolysis of polypropylene grocery bags” (angol nyelven). Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 136 (6), 3151–3171. o. DOI:10.1007/s11144-023-02492-y. ISSN 1878-5204.
- ↑ Annapureddy, Praveen Kumar Reddy, Zhitong (2023. december 1.). „Kinetics and thermodynamics of non-isothermal pyrolysis of polypropylene grocery bags” (angol nyelven). Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 136 (6), 3151–3171. o. DOI:10.1007/s11144-023-02492-y. ISSN 1878-5190.
- ↑ Erdey-Grúz Tibor: Fizikai kémia alapjai. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1963.