Máy tính động học hóa học

Cân bằng cho bạn biết một phản ứng có thể đi xa đến đâu; động học cho bạn biết nó nhanh đến mức nào thực sự đạt tới đó — và một phản ứng được phép về nhiệt động lực học nhưng bị đình trệ về động học (như kim cương chuyển thành than chì, hay sắt gỉ trong nhiều thế kỷ) là một sự thật trong đời sống hóa học. Động học đo mức độ nhanh của thay đổi nồng độ, và đối tượng trung tâm của nó là định luật tốc độ: tốc độ = k[A]ⁿ, trong đó n là bậc phản ứng và k là hằng số tốc độ. Trong mẫu, phản ứng bậc một với k = 0,01 s⁻¹ ở [A] = 0,5 M chạy với tốc độ 5,000×10⁻³ M/s.

Bậc cho biết tốc độ nhạy đến đâu với nồng độ. Bậc không: tốc độ = k, phẳng — phản ứng đang chạy hết công suất vì lý do khác (bề mặt xúc tác đã bão hòa, enzyme đã tối đa, nguồn sáng), nên [A] giảm theo đường thẳng cho đến khi cạn. Bậc một: tốc độ ∝ [A] — mỗi phân tử phân rã độc lập với các phân tử lân cận; phân rã phóng xạ và hầu hết các phân hủy nhiệt nằm ở đây. Bậc hai: tốc độ ∝ [A]² — hai phân tử phải va chạm, nên pha loãng làm giảm tốc độ theo bậc hai. Đơn vị của k thay đổi theo bậc (M·s⁻¹ cho bậc không, s⁻¹ cho bậc một, M⁻¹·s⁻¹ cho bậc hai), đó là lý do bộ chọn đơn vị của khung đi theo danh sách bậc. Phép kiểm tra thực nghiệm trung thực là phương pháp tốc độ ban đầu: lần lượt tăng gấp đôi một nồng độ và quan sát tốc độ giữ nguyên (bậc không), tăng gấp đôi (bậc một), hay tăng gấp bốn (bậc hai).

Định luật tốc độ vi phân mô tả độ dốc; định luật tốc độ tích phân lấy tích phân nó thành một đường cong [A] theo thời gian thực sự. Bậc một cho một hàm mũ thuần túy: mẫu bắt đầu ở 1,0 M với k = 0,01 s⁻¹, và sau t = 100 s còn lại e⁻¹ = 0,3679 M (còn 36,79%). Đây cũng là mẹo phòng thí nghiệm kinh điển để đo bậc: vẽ ln[A] theo t, 1/[A] theo t, hoặc [A] theo t — đường nào ra thẳng sẽ cho biết bậc (lần lượt là bậc một, bậc hai hoặc bậc không).

Chỉ phản ứng bậc một có chu kỳ bán rã không phụ thuộc nồng độ, t½ = ln2/k — k = 0,01 s⁻¹ trong mẫu cho 69,31 s bất kể còn lại bao nhiêu chất. Bậc không: t½ = [A]₀/2k giảm dần khi nguồn cạn. Bậc hai: t½ = 1/(k[A]₀) tăng khi nồng độ giảm — pha loãng làm phản ứng bậc hai kéo dài phần kết thúc. Tính không đổi của chu kỳ bán rã bậc một chính là lý do định tuổi phóng xạ hoạt động; câu chuyện đó tiếp tục ở trang Hóa hạt nhân.

Hằng số tốc độ không phải là hằng số — chúng chịu tác động của nhiệt độ: k = A·e^−Ea/RT. Năng lượng hoạt hóa Ea là ngọn đồi mà các phân tử phải leo qua trước khi có thể phản ứng; phần vượt qua được tỷ lệ với e^−Ea/RT, và A (thừa số trước mũ, xấp xỉ tần suất va chạm đúng hướng) đặt trần. Các con số rất kịch tính: với Ea = 50 kJ/mol ở 300 K, Ea/RT ≈ 20, nên chỉ khoảng 2 phần trong 10⁹ lần thử thành công — nhưng mẫu vẫn cho k ≈ 19,7 s⁻¹ vì A = 10¹⁰ s⁻¹ nhân nó trở lại. Độ nhạy này là quy tắc ngón tay cái nổi tiếng rằng tăng 10 °C làm tốc độ của một phản ứng điển hình gần như tăng gấp đôi, và đó là lý do thực phẩm giữ được trong tủ đông còn sữa thì hỏng trên bàn ấm.

• Bậc đến từ hệ số của phương trình. Chỉ đúng với phản ứng sơ cấp một bước. Với bất kỳ phản ứng phức hợp nào, tăng gấp đôi [A] rồi quan sát tốc độ là phép kiểm tra trung thực duy nhất.
• Chất xúc tác làm dịch cân bằng. Nó hạ Ea, làm chiều thuận và nghịch nhanh như nhau — cân bằng đến sớm hơn, đúng ở cùng vị trí (xem Cân bằng hóa học).
• k lớn hơn nghĩa là sản phẩm nhiều hơn. k nói về tốc độ, K nói về mức độ. Một phản ứng nhanh có thể dừng xa mức hoàn tất, và một phản ứng chậm có thể thiên về sản phẩm mạnh.
• Chu kỳ bán rã bậc một phụ thuộc lượng chất bạn có. Đây là bậc duy nhất mà nó không phụ thuộc — 69,31 s trong mẫu, dù bắt đầu từ 1 M hay 0,001 M.

Công cụ liên quan: Cân bằng hóa học (phản ứng đi xa đến đâu), Hóa hạt nhân (phân rã bậc một ở quy mô hạt nhân), và Máy cân bằng phương trình (các công thức mà tốc độ được đo theo).