Konzentrationsabhängigkeit

Das Maß dafür, wie schnell eine Reaktion abläuft, wird als Reaktionsgeschwindigkeit bezeichnet. Bei einer einstufigen Reaktion ist die Geschwindigkeit gleich der Konzentrationsänderung jedes Reaktanten oder Produkts im Laufe der Zeit, multipliziert mit dem Kehrwert des entsprechenden stöchiometrischen Koeffizienten. Sie können sich die Konzentrationsänderung im Laufe der Zeit wie folgt vorstellen: die Konzentration zum Zeitpunkt t abzüglich der Ausgangskonzentration dividiert durch t. Die Reaktionsgeschwindigkeiten sind immer positiv, so dass die Reaktantenausdrücke negative Vorzeichen haben. Diese Raten sind bei mehrstufigen Reaktionen möglicherweise nicht gleich, aber wir können diese Beziehung dennoch als Schätzung für die Gesamtreaktion verwenden.

Das Geschwindigkeitsgesetz oder die Geschwindigkeitsgleichung beschreibt die Beziehung zwischen der Geschwindigkeit der Reaktion und den Reaktantenkonzentrationen. In dieser Gleichung ist k die Geschwindigkeitskonstante, A und B sind die beiden Reaktanten und m und n sind ihre jeweiligen Reaktionsordnungen. Die Reaktionsordnung beschreibt die Beziehung zwischen der Konzentration eines Reaktanten und der Geschwindigkeit und steht in keinem Zusammenhang mit der Stöchiometrie. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Reaktionsordnung nicht mit dem Koeffizienten des Reaktanten in der ausgeglichenen Gleichung identisch ist.

Wenn an einer Reaktion zwei oder mehr Reaktanten beteiligt sind, müssen wir die Reaktionsreihenfolge für jeden Reaktanten berücksichtigen. Die Gesamtreaktionsordnung ist gleich der Summe der Reaktionsordnungen der Reaktanten. Wenn beispielsweise Reaktant A erster Ordnung und Reaktant B nullter Ordnung ist, ist die Gesamtreaktionsordnung eins. Die gebräuchlichsten Reaktionsordnungen in einfachen Reaktionen sind null Ordnung, erste Ordnung und zweite Ordnung. Gehen wir sie am Beispiel einer unimolekularen Reaktion durch.

Wenn die Reaktion nullter Ordnung ist, hat die Reaktantenkonzentration keinen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist also gleich k, der Geschwindigkeitskonstante. Ein Diagramm der Reaktionsgeschwindigkeit in Bezug auf die Konzentration ist eine horizontale Linie.

In Beziehungen erster Ordnung ist die Reaktantenkonzentration linear mit der Reaktionsgeschwindigkeit verbunden. Somit ist die Rate gleich der Geschwindigkeitskonstante multipliziert mit der Reaktantenkonzentration. Ein Diagramm der Reaktionsgeschwindigkeit in Bezug auf die Konzentration ist linear, mit k als Steigung.

Wenn die Reaktion zweiter Ordnung ist, besteht eine quadratische Beziehung zwischen der Konzentration und der Geschwindigkeit. Somit ist die Rate gleich der Geschwindigkeitskonstante multipliziert mit der Konzentration zum Quadrat. Ein Diagramm der Rate in Bezug auf die Konzentration ist parabolisch, mit k als Steigung.

Die Geschwindigkeitskonstante k ist ein temperaturabhängiger Wert, der die Aktivierungsenergie der Reaktion mit der Reaktionsgeschwindigkeit in Beziehung setzt. Dies werden Sie im nächsten Laborexperiment untersuchen.

Die Reaktionsgeschwindigkeiten werden typischerweise in Mol pro Liter und Sekunde angegeben. Die Rate hat die gleichen Einheiten, unabhängig von der Reaktionsreihenfolge. Die Geschwindigkeitskonstante hat also je nach Reaktionsreihenfolge unterschiedliche Einheiten. Wenn zum Beispiel A die erste Ordnung und B die Nullordnung ist, dann haben wir eine Instanz von Mol pro Liter in der Geschwindigkeitsgleichung. Daher muss die Geschwindigkeitskonstante in inversen Sekunden angegeben werden.

Wie bestimmen wir also die Reaktionsreihenfolge? Die Reaktionsreihenfolge muss experimentell mit einer Reihe von Versuchen bestimmt werden. Wenn Sie zwei Reaktanten haben, besteht eine Methode darin, die Konzentration eines Reaktanten konstant zu halten, den anderen zu variieren und zu bestimmen, wie lange es dauert, eine bestimmte Menge des Produkts herzustellen. Der gleiche Vorgang wird für den zweiten Reaktanten wiederholt. Sie können dann die Reihenfolge für jeden Reaktanten schätzen, indem Sie die Rate im Vergleich zu den unterschiedlichen Konzentrationen der Reaktanten darstellen und prüfen, ob sie wie ein Diagramm null, erster oder zweiter Ordnung aussieht. Wenn Sie Ihre Daten mit der entsprechenden Tarifgleichung abgleichen, können Sie auch k berechnen.

In diesem Labor bestimmen Sie die Reaktionsordnungen von zwei Reaktanten, indem Sie ihre Konzentrationen variieren und festlegen, wie lange es dauert, bis die Reaktion fortschreitet, um die Lösung undurchsichtig zu machen.