13.4
تصف قوانين المعدل العلاقة بين معدل التفاعل الكيميائي وتركيز المواد المتفاعلة فيه. في قانون المعدل ، يتم تحديد ثابت المعدل k وأوامر التفاعل بشكل تجريبي…
في التفاعل الكيميائي،يعبر قانون معدل السرعة عن العلاقة بين درجة التفاعل وتركيز المادة المتفاعلة. القوى الأسية لتركيز المادة المتفاعلة،تؤثر في درجة التفاعل فرديًا،وتسمى درجات التفاعل. تُحدد درجة التفاعل تجريبيًا بتطبيق طريقة المعدلات الأولية،حيث يُكرر التفاعل الكيميائي عدة مرات مع القيم المختلفة لتركيز المادة المتفاعلة،وذلك لقياس معدلات سرعة التفاعل الأولية.
ارتفاع تركيز المادة المتفاعلة،الذي يؤدي إلى ارتفاع خطي بنفس المعدل في معدل سرعة التفاعل،من مميزات التفاعل من الدرجة الأولى. إذا كانت مضاعفة تركيز المادة المتفاعلة،تزيد معدل السرعة الأولي بأربعة أضعاف،يكون التفاعل عندئذ من الدرجة الثانية هو الملاحظ. و مع ذلك،اذا كان التغيير في تركيز المادة المتفاعلة لم يؤثر في قيم المعدلات الأولية،يكون التفاعل من الدرجة الصفرية.
عندما تعطي بيانات معدلات السرعة الأولية علاقة لا يمكن ملاحظتها،بين التغير في تركيز المادة المتفاعلة،وما يوافقه من تغير في المعدل،تُحسب النسبة حسب قانون المعدلات. في هذه الحالة،تُستخدم أي قيمتين لتركيز المادة المتفاعلة،ومعدل سرعات التفاعل المقابلة لهما،لتحديد درجة التفاعل. لكن ماذا عن التفاعلات ذات المكونات المتعددة؟أولًا،باستخدام طريقة المعدلات الأولية،تُحدد درجة تفاعل كل مادة متفاعلة على حدة.
بعد ذلك،يُعبّر عن درجات التفاعل الفردية،كقوى أسية لتركيز المواد المتفاعلة،على التوالي،لصياغة قانون معدل السرعة. أخيرًا،جمع القوى الأسية الفردية من قانون المعدل،يعطي الدرجة الإجمالية للتفاعل. في حين تصف درجة التفاعل،مدى اعتماد معدل سرعة التفاعل على تركيز المادة المتفاعلة،فإن القياس المباشر لسرعة التفاعل ذات الصلة يُعبر عنه بثابت معدل السرعة.
ثابت معدل السرعة هو مُعامل النسبية بين معدل سرعة التفاعل،وبين ناتج تركيز المادة المتفاعلة. تعتمد وحدة ثابت معدل السرعة على درجة التفاعل الإجمالية،ويمكن تحديدها بإعادة ترتيب قانون معدل السرعة،لإيجاد قيمة ثابت معدل السرعة. في تفاعل الدرجة الصفرية،تكون وحدة تركيب جزيئي لكل ثانية.
الوحدة في تفاعل الدرجة الأولى،هي عدد واحد على الثواني،وفي تفاعل من الدرجة الثانية هي واحد على ثواني-التركيب الجزيئي ارتفاع قيمة ثابت معدل السرعة يشير إلى أن التفاعل سريع. وبالعكس،انخفاض قيمة ثابت معدل السرعة يشير إلى أن التفاعل بطيء. القيمة صفر تؤكد على غياب أي تفاعل كيميائي.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the method of initial rates and how is it used to determine reaction order?
The method of initial rates involves repeating a chemical reaction multiple times with varying reactant concentrations to measure initial reaction rates. By comparing how the rate changes when concentration changes, you can determine the reaction order for each reactant. If doubling concentration doubles the rate, the reaction is first-order; if it quadruples the rate, it is second-order.
Q2: How do you determine the overall reaction order for a reaction with multiple reactants?
First, use the method of initial rates to determine the reaction order of each reactant individually by varying one reactant while keeping others constant. Then express these individual orders as exponents in the rate law equation. The overall reaction order equals the sum of all individual exponents from the rate law.
Q3: What does the rate constant represent and how does its value relate to reaction speed?
The rate constant k is the proportionality coefficient in the rate law that relates reaction rate to reactant concentrations. A large rate constant indicates a fast reaction, while a smaller rate constant indicates a slow reaction. A value of zero signifies the absence of any chemical reaction.
Q4: Why do rate constant units vary depending on the overall reaction order?
Rate constant units depend on the overall reaction order because the rate law must always produce rate units of mol/L·s. For zero-order reactions, k has units of mol/L·s. For first-order, k is 1/s. For second-order, k is 1/M·s. The units adjust so that multiplying k by concentration terms yields the correct rate units.
Q5: What is a ratio of rate laws and when is it used?
A ratio of rate laws is an algebraic approach used when initial rate data does not directly show the relationship between concentration and rate. By dividing one rate law equation by another using data from two different trials, concentration terms cancel out, allowing you to solve for the reaction order without calculating the rate constant first.
Q6: How do you calculate the rate constant once you know the reaction order?
Once you determine the reaction order and formulate the rate law, substitute the concentration and rate values from any experimental trial into the rate law equation. Solve algebraically for k. The units of k are determined by rearranging the rate law so that rate units of mol/L·s are produced when k is multiplied by the concentration terms.
Q7: Can reaction orders be predicted from the stoichiometric coefficients in a chemical equation?
No. Although reaction orders sometimes coincidentally match stoichiometric coefficients, this is not reliable. Rate laws may exhibit fractional orders or negative orders, and they are determined experimentally only. Stoichiometry alone cannot predict how reactant concentration affects reaction rate. The integrated rate law the dependence of concentration on time provides predictive tools instead.