13.3
يتأثر معدل التفاعل بتركيزات المواد المتفاعلة. قوانين المعدل (قوانين المعدل التفاضلي) أو معادلات المعدل هي تعبيرات رياضية تصف العلاقة بين معدل التفاعل…
يعتمد معدل التفاعل غالبًا،على تركيز المواد المتفاعلة. في أي تفاعل،قد يُعبّر عن العلاقة بين معدل التفاعل وتركيز المواد المتفاعلة رياضيًا باستخدام قانون معدلات أو معادلة. في قانون سرعة مثلًا،تمثل ثابت التوزيع النسبي،أو ثابت السرعة،وتمثل درجة التفاعل بالنسبة لمادة متفاعلة واحدة،تكون قيمتها غالبًا عددًا صحيحًا.
في قوانين السرعة الخاصة بالتفاعلات متعددة المكونات،تكون درجة التفاعل الإجمالية،مساوية لدرجات جميع المواد المتفاعلة. لكل مادة متفاعلة،فإن معدل التفاعل،وثابت السرعة،والتركيز،ودرجة التفاعل تحدد جميعًا بالتجربة. يعبر قانون السرعة عن العلاقة بين جميع هذه القياسات.
درجات المواد المتفاعلة الفردية،تأخذ،عادة،قيم 0،1،أو 2 واعتمادًا على درجة التفاعل الكلي،يمكن تصنيف التفاعلات الكيميائية إلى،تفاعلات درجة صفرية،ودرجة أولى،ودرجة ثانية. في تفاعل كيميائي أحادي-المتفاعل،او احادي الجزئ،والذي تبقى فيه معدلات التفاعل ثابتة طول مدة التفاعل،يكون تفاعلًا صفري الدرجة. درجة المادة المتفاعلة في تفاعل صفري تكون صفرًا،وبناء على قانون معدلات السرعة،يُرفع تركيز المادة المتفاعلة إلى القوة صفر.
وبما أن قيمة أي عدد مرفوع للقوة صفر تساوي واحد،يكون معدل التفاعل لتفاعل من الدرجة الصفرية مساويًا لثابت المعدل،وبالتالي،لا يعتمد على تركيز المادة المتفاعلة. لذلك ففي تفاعل من الدرجة الصفرية،حتى عندما يتناقص تركيز المواد المتفاعلة،فإن معدل سرعة التفاعل لا يتباطأ. التفاعل الكيميائي أحادي الجزيء حيث معدل سرعة التفاعل يتناسب طرديًا،مع تركيز المادة المتفاعلة هو تفاعل من الدرجة الأولى.
تكون درجة المادة المتفاعلة في تفاعل من الدرجة الأولى،واحد،ووفقًا لقانون معدل السرعة،يُرفع تركيز المادة المتفاعلة إلى القوة واحد. وبما أن قيمة أي عدد مرفوع للقوة واحد لا تتغير،يكون اعتماد معدل التفاعل في تفاعل من الدرجة الأولى معتمدًا بشكل مباشر على تركيز المادة المتفاعلة. ومع تناقص تركيز المادة المتفاعلة،يتناقص معدل سرعة التفاعل بنسبة مماثلة بصورة خطية.
التفاعل الكيميائي أحادي الجزيء،الذي يعتمد معدل سرعة تفاعله على مربع تركيز المادة المتفاعلة،هو تفاعل من الدرجة الثانية. درجة المادة المتفاعلة هي اثنان،ويُرفع تركيز المادة المتفاعلة إلى القوة اثنين. وبناء عليه،فإن معدل سرعة التفاعل في تفاعل من الدرجة الثانية يعتمد بشكل مباشر على مربع قيمة تركيز المادة المتفاعلة.
وبتناقص تركيز المادة المتفاعلة،يتناقص معدل سرعة التفاعل زيادة أسّية بمعدل تربيعي.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a rate law and how does it relate to reactant concentration?
A rate law is a mathematical expression describing the relationship between reaction rate and reactant concentrations. It expresses how the rate depends on the concentration of each reactant raised to a specific power, called the reaction order. The rate law includes the rate constant k, which is specific to a particular reaction at a given temperature, and the reaction orders for each reactant, which are determined experimentally.
Q2: How are reaction orders and the rate constant determined experimentally?
Reaction orders and the rate constant are determined by observing how the reaction rate changes as reactant concentrations vary. A common experimental approach is the method of initial rates, which involves measuring reaction rates using different initial reactant concentrations. Comparing these measured rates allows chemists to determine the reaction orders and subsequently calculate the rate constant to formulate the rate law.
Q3: What happens to the reaction rate in a zero-order reaction as reactant concentration decreases?
In a zero-order reaction, the reaction rate remains constant throughout and is independent of reactant concentration. Since the reactant concentration is raised to the zeroth power in the rate law, any number raised to zero equals one, making the rate equal to the rate constant alone. Therefore, even as the reactant concentration decreases, the reaction rate does not slow down.
Q4: How does reactant concentration affect the rate of a first-order reaction?
In a first-order reaction, the reaction rate is directly and linearly proportional to reactant concentration. The reactant concentration is raised to the first power in the rate law, so the rate depends directly on the concentration value. As the reactant concentration decreases, the reaction rate decreases proportionally in a linear manner.
Q5: Why does a second-order reaction rate decrease exponentially as concentration drops?
In a second-order reaction, the reactant concentration is raised to the second power in the rate law, making the rate dependent on the square of the concentration. This quadratic relationship means small changes in concentration produce larger changes in rate. As reactant concentration decreases, the reaction rate decreases exponentially rather than linearly, following the squared concentration term.
Q6: What is the overall reaction order and how is it calculated?
The overall reaction order is the sum of the individual reaction orders for all reactants in the rate law. For example, in a reaction that is first-order in reactant A and second-order in reactant B, the overall reaction order is three (1 + 2 = 3). The overall order determines the mathematical dependence of the reaction rate on all reactant concentrations combined.
Q7: Can reaction orders be predicted from the stoichiometric coefficients of a reaction?
No, reaction orders cannot be reliably predicted from stoichiometric coefficients. Rate laws are determined by experiment only and must be established through direct observation of how reaction rates change with concentration. Reaction orders can be integers, fractions, negative, or zero, and this experimental determination is essential for accurately describing reaction kinetics.