13.3
Konzentrations- und Geschwindigkeitsgesetz
Die Geschwindigkeit einer Reaktion wird durch die Konzentrationen der Reaktanten beeinflusst. Geschwindigkeitsgesetze (differentielle Geschwindigkeits…
Die Geschwindigkeit einer Reaktion hängt oft von den Reaktantenkonzentrationen ab. Für jede Reaktion kann die Beziehung zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und den Reaktantenkonzentrationen mathematisch mit Hilfe eines Geschwindigkeitsgesetzes oder der Geschwindigkeitsgleichung ausgedrückt werden.
In einem Geschwindigkeitsgesetz ist k die Proportionalitätskonstante oder die Geschwindigkeitskonstante, und n ist die Reaktionsordnung in Bezug auf einen einzelnen Reaktanten, dessen Wert oft eine ganze Zahl ist. In den Geschwindigkeitsgesetzen für Multireaktantenreaktionen ist die Gesamtreaktionsordnung die Summe aller Reaktantenordnungen.
Für jeden Reaktanten werden die Reaktionsgeschwindigkeit, die Geschwindigkeitskonstante, die Konzentration und die Reaktionsreihenfolge experimentell bestimmt. Das Geschwindigkeitsgesetz drückt die Beziehung zwischen all diesen Parametern aus.
Einzelne Reaktantenordnungen nehmen in der Regel die Werte 0, 1 oder 2 an, und basierend auf der Gesamtreaktionsordnung können chemische Reaktionen als Reaktionen nullr., erster oder zweiter Ordnung kategorisiert werden.
Eine chemische Reaktion mit einem einzelnen Reaktanten oder einer unimolikularen Reaktion, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit während ihrer gesamten Dauer konstant bleibt, ist eine Reaktion nullter Ordnung. Die Reaktantenordnung in einer Reaktion nullter Ordnung ist Null, und gemäß dem Geschwindigkeitsgesetz wird die Reaktantenkonzentration auf die nullte Potenz erhöht.
Da der Wert einer beliebigen Zahl, die zur nullten Potenz angehoben wird, eins ist, ist die Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion nullter Ordnung gleich der Geschwindigkeitskonstante und daher unabhängig von der Reaktantenkonzentration. Daher verlangsamt sich die Reaktionsgeschwindigkeit in einer Reaktion nullter Ordnung auch bei abnehmender Konzentration des Reaktanten nicht.
Eine unimolekulare chemische Reaktion, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit direkt proportional zur Konzentration des Reaktanten ist, ist eine Reaktion erster Ordnung. Die Reaktantenordnung für eine Reaktion erster Ordnung ist eins, und gemäß dem Geschwindigkeitsgesetz wird die Konzentration des Reaktanten auf die erste Potenz erhöht.
Da der Wert einer beliebigen Zahl, die hoch eins wird, gleich bleibt, hängt die Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion erster Ordnung direkt von der Reaktantenkonzentration ab. Mit abnehmender Reaktantenkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit linear proportional ab.
Eine unimolekulare chemische Reaktion, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit vom Quadrat der Konzentration des Reaktanten abhängt, ist eine Reaktion zweiter Ordnung. Die Reaktantenordnung ist zwei, und die Reaktantenkonzentration wird auf die zweite Potenz erhöht.
Dementsprechend hängt die Reaktionsgeschwindigkeit in einer Reaktion zweiter Ordnung direkt vom Quadrat der Reaktantenkonzentration ab. Wenn die Reaktantenkonzentration abnimmt, nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit exponentiell quadratisch ab.
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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.