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Concentration et loi des vitesses de réaction
La vitesse d'une réaction est influencée par les concentrations de réactifs. Les lois de vitesse (lois de vitesse différentielles) ou équations de vit…
La vitesse d'une réaction dépend souvent sur les concentrations de réactif. Pour toute réaction, la relation entre la vitesse de réaction et les concentrations de réactif peut être exprimé mathématiquement à l'aide d'une loi ou équation de taux. Dans une loi de taux, k est la constante de proportionnalité, ou la constante de vitesse, et n est l'ordre de réaction par rapport à un seul réactif, dont la valeur est souvent un nombre entier.
Dans les lois de vitesse pour les réactions multi-réactifs, l'ordre de réaction global est la somme de tous les ordres de réactifs. Pour chaque réactif, la vitesse de réaction, la constante de vitesse, concentration et ordre de réaction sont tous déterminés expérimentalement. La loi des taux exprime la relation entre tous ces paramètres.
Les ordres individuels de réactifs prennent généralement les valeurs 0, 1 ou 2 et en fonction de l'ordre global de la réaction, les réactions chimiques peuvent être catégorisées en réactions d'ordre zéro, de premier ordre ou de second ordre. Une réaction chimique à un seul réactif ou unimoléculaire pour lequel la vitesse de réaction reste constante pendant toute sa durée est une réaction d'ordre zéro. L'ordre des réactifs dans une réaction d'ordre zéro est de zéro, et selon la loi de vitesse, la concentration de réactif est élevée à la puissance zéro.
Puisque la valeur de tout nombre élevé à la puissance zéro est un, la vitesse de réaction d'une réaction d'ordre zéro est égal à la constante de vitesse et, par conséquent, indépendante de la concentration du réactif. Par conséquent, dans une réaction d'ordre zéro, même si la concentration du réactif diminue, la vitesse de réaction ne ralentit pas. Une réaction chimique unimoléculaire où la vitesse de réaction est directement proportionnelle à la concentration du réactif est une réaction de premier ordre.
L'ordre des réactifs pour une réaction de premier ordre est un, et selon la loi de taux, la concentration du réactif est élevée à la première puissance. Puisque la valeur de tout nombre élevé à la puissance un reste le même, la vitesse de réaction d'une réaction de premier ordre dépend directement de la concentration du réactif. À mesure que la concentration de réactif diminue, la vitesse de réaction diminue proportionnellement de manière linéaire.
Une réaction chimique unimoléculaire où la vitesse de réaction dépend du carré de la concentration du réactif est une réaction de second ordre. L'ordre des réactifs est de deux et la concentration des réactifs est élevée à la deuxième puissance. En conséquence, la vitesse de réaction dans une réaction de second ordre dépend directement du carré de la concentration du réactif.
Lorsque la concentration des réactif diminue, la vitesse de réaction diminue de façon exponentielle et quadratique.
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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.