الاعتماد على التركيز
الحركية الكيميائية وقانون معدل التفاعل
تشير الحركية الكيميائية إلى معدل أو سرعة التفاعل الكيميائي. يعتمد المعدل على آلية التفاعل وتعقيده وعددها. يلعب…
يسمى مقياس سرعة استمرار التفاعل بمعدل التفاعل. بالنسبة للتفاعل أحادي الخطوة، يكون المعدل مساويا للتغير في تركيز كل مادة متفاعلة أو ناتج بمرور الوقت مضروبا في معكوس المعامل المتكافئ المقابل. يمكنك التفكير في التغير في التركيز بمرور الوقت على أنه التركيز في الوقت t ناقص تركيز البداية مقسوما على t. معدلات التفاعل دائما ما تكون موجبة ، لذا فإن تعبيرات المتفاعلة لها علامات سالبة. قد لا تكون هذه المعدلات متساوية في التفاعلات متعددة الخطوات، ولكن لا يزال بإمكاننا استخدام هذه العلاقة كتقدير للتفاعل الكلي.
يصف قانون المعدل ، أو معادلة المعدل ، العلاقة بين سرعة التفاعل وتركيزات المادة المتفاعلة. في هذه المعادلة، k هو ثابت المعدل، A وB هما المتفاعلان، و m وn هما ترتيب تفاعل كل منهما. يصف ترتيب التفاعل العلاقة بين تركيز المادة المتفاعلة والمعدل ولا يرتبط بقياس التكافئ. من الضروري أن تتذكر أن ترتيب التفاعل يختلف عن معامل المادة المتفاعلة في المعادلة المتوازنة.
عندما يتضمن التفاعل اثنين أو أكثر من المواد المتفاعلة، يجب أن نأخذ في الاعتبار ترتيب التفاعل لكل مادة متفاعلة. ترتيب التفاعل الكلي يساوي مجموع أوامر تفاعل المواد المتفاعلة. على سبيل المثال ، إذا كان المتفاعل A من الدرجة الأولى والمتفاعل B من الدرجة الصفرية ، فإن ترتيب التفاعل الكلي هو واحد. أوامر التفاعل الأكثر شيوعا في التفاعلات البسيطة هي الترتيب الصفري والدرجة الأولى والثانية. دعنا نتناولها باستخدام تفاعل أحادي الجزيء كمثال.
إذا كان التفاعل صفرا ، فلن يكون لتركيز المادة المتفاعلة أي تأثير على معدل التفاعل. ومن ثم، فإن معدل التفاعل يساوي k، وهو ثابت المعدل. الرسم البياني لمعدل التفاعل بالنسبة للتركيز هو خط أفقي.
في العلاقات من الدرجة الأولى ، يرتبط تركيز المادة المتفاعلة خطيا بمعدل التفاعل. وبالتالي ، فإن المعدل يساوي ثابت المعدل مضروبا في تركيز المادة المتفاعلة. سيكون الرسم البياني لمعدل التفاعل بالنسبة للتركيز خطيا ، مع k كمنحدر.
إذا كان التفاعل من الدرجة الثانية ، فهناك علاقة تربيعية بين التركيز والمعدل. ومن ثم، فإن المعدل يساوي ثابت المعدل مضروبا في تربيع التركيز. سيكون الرسم البياني للمعدل بالنسبة للتركيز مكافئيا ، مع k كمنحدر.
ثابت المعدل ، k ، هو قيمة تعتمد على درجة الحرارة تربط طاقة تنشيط التفاعل بمعدل التفاعل. سوف تستكشف هذا في التجربة المعملية التالية.
عادة ما تعطى معدلات التفاعل بالمول لكل لتر في الثانية. المعدل له نفس الوحدات ، بغض النظر عن ترتيب التفاعل. وبالتالي ، فإن ثابت المعدل له وحدات مختلفة ، اعتمادا على ترتيب التفاعل. على سبيل المثال، إذا كان A هو الدرجة الأولى و B هو ترتيب صفر، فلدينا مثيل واحد من المولات لكل لتر في معادلة المعدل. لذلك ، يجب أن يكون ثابت المعدل بالثواني العكسية.
إذن كيف نحدد ترتيب التفاعل؟ يجب تحديد ترتيب التفاعل تجريبيا باستخدام سلسلة من الاختبارات. إذا كان لديك مادتان متفاعلتان ، فإن إحدى الطرق هي الحفاظ على تركيز أحد المواد المتفاعلة ثابتا ، وتغيير الآخر ، والوقت الذي يستغرقه صنع كمية معينة من المنتج. تتكرر نفس العملية للمادة المتفاعلة الثانية. يمكنك بعد ذلك تقدير ترتيب كل مادة متفاعلة عن طريق رسم المعدل مقابل التركيز المتغير للمواد المتفاعلة ، ومعرفة ما إذا كان يبدو وكأنه رسم بياني من الدرجة الأولى أو الثانية. ستتيح لك مطابقة بياناتك مع معادلة المعدل المقابلة أيضا حساب k.
في هذا المختبر ، ستحدد ترتيب تفاعل اثنين من المواد المتفاعلة عن طريق تغيير تركيزاتهما وتوقيت المدة التي يستغرقها التفاعل للتقدم إلى تحويل المحلول إلى معتم.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
يسمى مقياس سرعة استمرار التفاعل بمعدل التفاعل. بالنسبة للتفاعل أحادي الخطوة، يكون المعدل مساويا للتغير في تركيز كل مادة متفاعلة أو ناتج بمرور الوقت مضروبا في معكوس المعامل المتكافئ المقابل. يمكنك التفكير في التغير في التركيز بمرور الوقت على أنه التركيز في الوقت t ناقص تركيز البداية مقسوما على t. معدلات التفاعل دائما ما تكون موجبة ، لذا فإن تعبيرات المتفاعلة لها علامات سالبة. قد لا تكون هذه المعدلات متساوية في التفاعلات متعددة الخطوات، ولكن لا يزال بإمكاننا استخدام هذه العلاقة كتقدير للتفاعل الكلي.
يصف قانون المعدل ، أو معادلة المعدل ، العلاقة بين سرعة التفاعل وتركيزات المادة المتفاعلة. في هذه المعادلة، k هو ثابت المعدل، A وB هما المتفاعلان، و m وn هما ترتيب تفاعل كل منهما. يصف ترتيب التفاعل العلاقة بين تركيز المادة المتفاعلة والمعدل ولا يرتبط بقياس التكافئ. من الضروري أن تتذكر أن ترتيب التفاعل يختلف عن معامل المادة المتفاعلة في المعادلة المتوازنة.
عندما يتضمن التفاعل اثنين أو أكثر من المواد المتفاعلة، يجب أن نأخذ في الاعتبار ترتيب التفاعل لكل مادة متفاعلة. ترتيب التفاعل الكلي يساوي مجموع أوامر تفاعل المواد المتفاعلة. على سبيل المثال ، إذا كان المتفاعل A من الدرجة الأولى والمتفاعل B من الدرجة الصفرية ، فإن ترتيب التفاعل الكلي هو واحد. أوامر التفاعل الأكثر شيوعا في التفاعلات البسيطة هي الترتيب الصفري والدرجة الأولى والثانية. دعنا نتناولها باستخدام تفاعل أحادي الجزيء كمثال.
إذا كان التفاعل صفرا ، فلن يكون لتركيز المادة المتفاعلة أي تأثير على معدل التفاعل. ومن ثم، فإن معدل التفاعل يساوي k، وهو ثابت المعدل. الرسم البياني لمعدل التفاعل بالنسبة للتركيز هو خط أفقي.
في العلاقات من الدرجة الأولى ، يرتبط تركيز المادة المتفاعلة خطيا بمعدل التفاعل. وبالتالي ، فإن المعدل يساوي ثابت المعدل مضروبا في تركيز المادة المتفاعلة. سيكون الرسم البياني لمعدل التفاعل بالنسبة للتركيز خطيا ، مع k كمنحدر.
إذا كان التفاعل من الدرجة الثانية ، فهناك علاقة تربيعية بين التركيز والمعدل. ومن ثم، فإن المعدل يساوي ثابت المعدل مضروبا في تربيع التركيز. سيكون الرسم البياني للمعدل بالنسبة للتركيز مكافئيا ، مع k كمنحدر.
ثابت المعدل ، k ، هو قيمة تعتمد على درجة الحرارة تربط طاقة تنشيط التفاعل بمعدل التفاعل. سوف تستكشف هذا في التجربة المعملية التالية.
عادة ما تعطى معدلات التفاعل بالمول لكل لتر في الثانية. المعدل له نفس الوحدات ، بغض النظر عن ترتيب التفاعل. وبالتالي ، فإن ثابت المعدل له وحدات مختلفة ، اعتمادا على ترتيب التفاعل. على سبيل المثال، إذا كان A هو الدرجة الأولى و B هو ترتيب صفر، فلدينا مثيل واحد من المولات لكل لتر في معادلة المعدل. لذلك ، يجب أن يكون ثابت المعدل بالثواني العكسية.
إذن كيف نحدد ترتيب التفاعل؟ يجب تحديد ترتيب التفاعل تجريبيا باستخدام سلسلة من الاختبارات. إذا كان لديك مادتان متفاعلتان ، فإن إحدى الطرق هي الحفاظ على تركيز أحد المواد المتفاعلة ثابتا ، وتغيير الآخر ، والوقت الذي يستغرقه صنع كمية معينة من المنتج. تتكرر نفس العملية للمادة المتفاعلة الثانية. يمكنك بعد ذلك تقدير ترتيب كل مادة متفاعلة عن طريق رسم المعدل مقابل التركيز المتغير للمواد المتفاعلة ، ومعرفة ما إذا كان يبدو وكأنه رسم بياني من الدرجة الأولى أو الثانية. ستتيح لك مطابقة بياناتك مع معادلة المعدل المقابلة أيضا حساب k.
في هذا المختبر ، ستحدد ترتيب تفاعل اثنين من المواد المتفاعلة عن طريق تغيير تركيزاتهما وتوقيت المدة التي يستغرقها التفاعل للتقدم إلى تحويل المحلول إلى معتم.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the difference between reaction order and stoichiometric coefficients?
Reaction order describes how reactant concentration affects reaction rate and must be determined experimentally. Stoichiometric coefficients are the numbers in the balanced chemical equation and do not determine reaction order. For example, a reactant with a coefficient of 2 could be zero-order, first-order, or second-order depending on its actual relationship to the reaction rate.
Q2: How does concentration affect the reaction rate in a zero-order reaction?
In a zero-order reaction, reactant concentration has no effect on the reaction rate. The rate equals only the rate constant k, making the reaction rate independent of how much reactant is present. A graph of reaction rate versus concentration appears as a horizontal line.
Q3: What is the mathematical relationship between concentration and rate in first-order reactions?
In first-order reactions, reactant concentration is linearly related to the reaction rate. The rate equation is rate = k[A], where k is the rate constant and [A] is the reactant concentration. Doubling the concentration doubles the reaction rate, and the graph is linear with slope k.
Q4: How does doubling a reactant's concentration affect a second-order reaction?
In second-order reactions, there is a quadratic relationship between concentration and rate. When you double the reactant concentration, the reaction rate increases by a factor of four. The rate equation is rate = k[A]², and the concentration-versus-rate graph appears parabolic.
Q5: Why does the rate constant have different units depending on reaction order?
The rate constant k must have units that make the overall rate expression equal moles per liter per second. For zero-order reactions, k has units M/s. For first-order, k is 1/s. For second-order, k is 1/(M·s). The units adjust so the rate always has consistent dimensions regardless of reaction order.
Q6: What experimental method is used to determine the reaction order of each reactant?
To determine reaction order, hold one reactant's concentration constant while varying the other, then measure the time for the reaction to progress to a visible endpoint. Repeat for each reactant. Compare how reaction time changes with concentration: constant time indicates zero-order, linear changes indicate first-order, and a factor-of-four change when concentration doubles indicates second-order.
Q7: How is the overall reaction order calculated when a reaction has multiple reactants?
The overall reaction order is the sum of the individual reaction orders for each reactant. For example, if reactant A is first-order (m = 1) and reactant B is zero-order (n = 0), the overall reaction order is one. This sum determines how the combined concentrations of all reactants affect the total reaction rate.