13.4
Bestimmung der Reaktionsreihenfolge
Geschwindigkeitsgesetze beschreiben den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion und der Konzentration ihrer Reaktanten. In…
Für eine chemische Reaktion drückt das Geschwindigkeitsgesetz das Verhältnis zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und der Reaktantenkonzentration aus. Die Exponenten der Reaktantenkonzentrationen beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit individuell und werden als Reaktionsordnungen bezeichnet.
Die Reaktionsreihenfolge wird experimentell bestimmt, indem die Methode der Anfangsgeschwindigkeiten angewendet wird, bei der eine chemische Reaktion mehrmals mit unterschiedlichen Reaktantenkonzentrationen wiederholt wird, um die anfänglichen Reaktionsgeschwindigkeiten zu messen.
Eine Erhöhung der Reaktantenkonzentration, die eine linear-proportionale Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit erzeugt, kennzeichnet eine Reaktion erster Ordnung. Wenn die Verdopplung der Reaktantenkonzentration die Anfangsrate vervierfacht, wird eine Reaktion zweiter Ordnung beobachtet.
Wenn jedoch die Änderung der Reaktantenkonzentrationen die anfänglichen Geschwindigkeitswerte nicht beeinflusst, wird eine Reaktion nullter Ordnung beobachtet.
Wenn die erhaltenen Daten der Anfangsgeschwindigkeiten eine nicht erkennbare Beziehung zwischen der Änderung der anfänglichen Reaktantenkonzentration und der entsprechenden Rate darstellen, wird ein Verhältnis der Geschwindigkeitsgesetze berechnet.
Hierbei werden zwei beliebige Konzentrationswerte des Reaktanten und deren entsprechende Reaktionsgeschwindigkeiten verwendet, um die Reaktionsreihenfolge zu bestimmen.
Aber was ist mit Reaktionen mit mehreren Reaktanten? Zunächst wird mit der Methode der Anfangsgeschwindigkeiten die Reaktionsreihenfolge jedes Reaktanten einzeln bestimmt.
Als nächstes werden die einzelnen Reaktionsordnungen als Exponenten zu ihren jeweiligen Reaktantenkonzentrationen ausgedrückt, um das Geschwindigkeitsgesetz zu formulieren. Schließlich bestimmt die Summe der einzelnen Exponenten aus dem Geschwindigkeitsgesetz die Gesamtreaktionsordnung.
Während die Reaktionsreihenfolge die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Reaktantenkonzentration darstellt, wird ein direktes Maß für die relative Reaktionsgeschwindigkeit durch die Geschwindigkeitskonstante angezeigt.
Die Geschwindigkeitskonstante k ist der Proportionalitätskoeffizient, der die Reaktionsgeschwindigkeit mit dem Produkt der Reaktantenkonzentrationen in Beziehung setzt.
Die Einheit einer Geschwindigkeitskonstante hängt von der Gesamtreaktionsordnung ab und kann bestimmt werden, indem das Geschwindigkeitsgesetz neu angeordnet wird, um die Geschwindigkeitskonstante aufzulösen. Für eine Reaktion nullter Ordnung hat k die Einheitsmolarität pro Sekunde. Die Einheit für eine Reaktion erster Ordnung ist 1/s und für eine Reaktion zweiter Ordnung 1/M·s.
Eine große Geschwindigkeitskonstante deutet auf eine schnelle Reaktion hin. Umgekehrt deutet eine kleinere Geschwindigkeitskonstante auf eine langsame Reaktion hin. Ein Wert von Null bedeutet, dass keine chemische Reaktion stattgefunden hat.
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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.