תלות בריכוז
קינטיקה כימית וחוק קצב התגובה
קינטיקה כימית מתייחסת לקצב או למהירות של תגובה כימית. הקצב תלוי במנגנון, במורכבות ובמספר המגיבים בתגובה. ריכוז המגיבים ג…
המדד למהירות שבה תגובה מתקדמת נקרא קצב התגובה. עבור תגובה חד-שלבית, הקצב שווה לשינוי בריכוז של כל מגיב או מכפלה לאורך זמן כפול ההופכי של המקדם הסטויכיומטרי המתאים. אפשר לחשוב על השינוי בריכוז לאורך זמן כעל הריכוז בזמן t פחות הריכוז ההתחלתי חלקי t. קצבי התגובה הם תמיד חיוביים, ולכן להבעות התגובה יש סימנים שליליים. שיעורים אלה עשויים שלא להיות שווים בתגובות מרובות שלבים, אך אנו עדיין יכולים להשתמש בקשר זה כהערכה לתגובה הכוללת.
חוק הקצב, או משוואת הקצב, מתאר את הקשר בין מהירות התגובה לבין ריכוזי המגיבים. במשוואה זו, k הוא קבוע הקצב, A ו-B הם שני המגיבים, ו-m ו-n הם סדרי התגובה שלהם. סדר תגובה מתאר את הקשר בין ריכוז המגיב לבין הקצב ואינו קשור לסטויכיומטריה. חשוב לזכור שסדר התגובה אינו זהה למקדם המגיב במשוואה המאוזנת.
כאשר תגובה מערבת שני מגיבים או יותר, עלינו לשקול את סדר התגובה עבור כל מגיב. סדר התגובה הכולל שווה לסכום פקודות התגובה של המגיבים. לדוגמה, אם מגיב A הוא מסדר ראשון ומגיב B הוא מסדר אפס, סדר התגובה הכולל הוא אחד. סדרי התגובה הנפוצים ביותר בתגובות פשוטות הם סדר אפס, סדר ראשון וסדר שני. בואו נעבור עליהם באמצעות תגובה חד-מולקולרית כדוגמה.
אם התגובה היא מסדר אפס, לריכוז המגיב אין השפעה על קצב התגובה. לפיכך, קצב התגובה שווה ל-k, קבוע הקצב. גרף של קצב התגובה ביחס לריכוז הוא קו אופקי.
ביחסים מסדר ראשון, ריכוז המגיב קשור באופן ליניארי לקצב התגובה. לפיכך, הקצב שווה לקצב קבוע כפול ריכוז המגיב. גרף של קצב התגובה ביחס לריכוז יהיה ליניארי, עם k כשיפוע.
אם התגובה היא מסדר שני, קיים יחס ריבועי בין הריכוז לבין הקצב. לפיכך, השיעור שווה לשיעור קבוע כפול הריכוז בריבוע. גרף של הקצב ביחס לריכוז יהיה פרבולי, עם k כשיפוע.
קבוע הקצב, k, הוא ערך תלוי טמפרטורה המקשר בין אנרגיית ההפעלה של התגובה לקצב התגובה. תוכלו לחקור זאת בניסוי המעבדה הבא.
קצבי התגובה ניתנים בדרך כלל בשומות לליטר לשנייה. לשיעור יש את אותן יחידות, ללא קשר לסדר התגובה. לפיכך, קבוע הקצב יש יחידות שונות, בהתאם לסדר התגובה. לדוגמה, אם A הוא מסדר ראשון ו-B הוא סדר אפס, אז יש לנו מופע אחד של שומות לליטר במשוואת הקצב. לכן, קבוע הקצב חייב להיות בשניות הפוכות.
אז איך קובעים את סדר התגובה? סדר התגובה חייב להיקבע באופן ניסיוני באמצעות סדרה של בדיקות. אם יש לך שני מגיבים, שיטה אחת היא להחזיק את הריכוז של מגיב אחד קבוע, לשנות את השני, ואת הזמן כמה זמן לוקח לייצר כמות מסוימת של תוצר. אותו תהליך חוזר על עצמו עבור המגיב השני. לאחר מכן ניתן להעריך את הסדר של כל מגיב על ידי התוויית קצב לעומת הריכוז המשתנה של המגיבים, ולראות אם הוא נראה כמו גרף מסדר אפס, ראשון או שני. התאמת הנתונים שלך למשוואת הקצב המתאימה תאפשר לך גם לחשב k.
במעבדה זו תקבעו את סדרי התגובה של שני מגיבים על ידי שינוי הריכוזים שלהם והתזמון כמה זמן לוקח לתגובה להתקדם עד להפיכת התמיסה לאטומה.
המדד למהירות שבה תגובה מתקדמת נקרא קצב התגובה. עבור תגובה חד-שלבית, הקצב שווה לשינוי בריכוז של כל מגיב או מכפלה לאורך זמן כפול ההופכי של המקדם הסטויכיומטרי המתאים. אפשר לחשוב על השינוי בריכוז לאורך זמן כעל הריכוז בזמן t פחות הריכוז ההתחלתי חלקי t. קצבי התגובה הם תמיד חיוביים, ולכן להבעות התגובה יש סימנים שליליים. שיעורים אלה עשויים שלא להיות שווים בתגובות מרובות שלבים, אך אנו עדיין יכולים להשתמש בקשר זה כהערכה לתגובה הכוללת.
חוק הקצב, או משוואת הקצב, מתאר את הקשר בין מהירות התגובה לבין ריכוזי המגיבים. במשוואה זו, k הוא קבוע הקצב, A ו-B הם שני המגיבים, ו-m ו-n הם סדרי התגובה שלהם. סדר תגובה מתאר את הקשר בין ריכוז המגיב לבין הקצב ואינו קשור לסטויכיומטריה. חשוב לזכור שסדר התגובה אינו זהה למקדם המגיב במשוואה המאוזנת.
כאשר תגובה מערבת שני מגיבים או יותר, עלינו לשקול את סדר התגובה עבור כל מגיב. סדר התגובה הכולל שווה לסכום פקודות התגובה של המגיבים. לדוגמה, אם מגיב A הוא מסדר ראשון ומגיב B הוא מסדר אפס, סדר התגובה הכולל הוא אחד. סדרי התגובה הנפוצים ביותר בתגובות פשוטות הם סדר אפס, סדר ראשון וסדר שני. בואו נעבור עליהם באמצעות תגובה חד-מולקולרית כדוגמה.
אם התגובה היא מסדר אפס, לריכוז המגיב אין השפעה על קצב התגובה. לפיכך, קצב התגובה שווה ל-k, קבוע הקצב. גרף של קצב התגובה ביחס לריכוז הוא קו אופקי.
ביחסים מסדר ראשון, ריכוז המגיב קשור באופן ליניארי לקצב התגובה. לפיכך, הקצב שווה לקצב קבוע כפול ריכוז המגיב. גרף של קצב התגובה ביחס לריכוז יהיה ליניארי, עם k כשיפוע.
אם התגובה היא מסדר שני, קיים יחס ריבועי בין הריכוז לבין הקצב. לפיכך, השיעור שווה לשיעור קבוע כפול הריכוז בריבוע. גרף של הקצב ביחס לריכוז יהיה פרבולי, עם k כשיפוע.
קבוע הקצב, k, הוא ערך תלוי טמפרטורה המקשר בין אנרגיית ההפעלה של התגובה לקצב התגובה. תוכלו לחקור זאת בניסוי המעבדה הבא.
קצבי התגובה ניתנים בדרך כלל בשומות לליטר לשנייה. לשיעור יש את אותן יחידות, ללא קשר לסדר התגובה. לפיכך, קבוע הקצב יש יחידות שונות, בהתאם לסדר התגובה. לדוגמה, אם A הוא מסדר ראשון ו-B הוא סדר אפס, אז יש לנו מופע אחד של שומות לליטר במשוואת הקצב. לכן, קבוע הקצב חייב להיות בשניות הפוכות.
אז איך קובעים את סדר התגובה? סדר התגובה חייב להיקבע באופן ניסיוני באמצעות סדרה של בדיקות. אם יש לך שני מגיבים, שיטה אחת היא להחזיק את הריכוז של מגיב אחד קבוע, לשנות את השני, ואת הזמן כמה זמן לוקח לייצר כמות מסוימת של תוצר. אותו תהליך חוזר על עצמו עבור המגיב השני. לאחר מכן ניתן להעריך את הסדר של כל מגיב על ידי התוויית קצב לעומת הריכוז המשתנה של המגיבים, ולראות אם הוא נראה כמו גרף מסדר אפס, ראשון או שני. התאמת הנתונים שלך למשוואת הקצב המתאימה תאפשר לך גם לחשב k.
במעבדה זו תקבעו את סדרי התגובה של שני מגיבים על ידי שינוי הריכוזים שלהם והתזמון כמה זמן לוקח לתגובה להתקדם עד להפיכת התמיסה לאטומה.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the difference between reaction order and stoichiometric coefficients?
Reaction order describes how reactant concentration affects reaction rate and must be determined experimentally. Stoichiometric coefficients are the numbers in the balanced chemical equation and do not determine reaction order. For example, a reactant with a coefficient of 2 could be zero-order, first-order, or second-order depending on its actual relationship to the reaction rate.
Q2: How does concentration affect the reaction rate in a zero-order reaction?
In a zero-order reaction, reactant concentration has no effect on the reaction rate. The rate equals only the rate constant k, making the reaction rate independent of how much reactant is present. A graph of reaction rate versus concentration appears as a horizontal line.
Q3: What is the mathematical relationship between concentration and rate in first-order reactions?
In first-order reactions, reactant concentration is linearly related to the reaction rate. The rate equation is rate = k[A], where k is the rate constant and [A] is the reactant concentration. Doubling the concentration doubles the reaction rate, and the graph is linear with slope k.
Q4: How does doubling a reactant's concentration affect a second-order reaction?
In second-order reactions, there is a quadratic relationship between concentration and rate. When you double the reactant concentration, the reaction rate increases by a factor of four. The rate equation is rate = k[A]², and the concentration-versus-rate graph appears parabolic.
Q5: Why does the rate constant have different units depending on reaction order?
The rate constant k must have units that make the overall rate expression equal moles per liter per second. For zero-order reactions, k has units M/s. For first-order, k is 1/s. For second-order, k is 1/(M·s). The units adjust so the rate always has consistent dimensions regardless of reaction order.
Q6: What experimental method is used to determine the reaction order of each reactant?
To determine reaction order, hold one reactant's concentration constant while varying the other, then measure the time for the reaction to progress to a visible endpoint. Repeat for each reactant. Compare how reaction time changes with concentration: constant time indicates zero-order, linear changes indicate first-order, and a factor-of-four change when concentration doubles indicates second-order.
Q7: How is the overall reaction order calculated when a reaction has multiple reactants?
The overall reaction order is the sum of the individual reaction orders for each reactant. For example, if reactant A is first-order (m = 1) and reactant B is zero-order (n = 0), the overall reaction order is one. This sum determines how the combined concentrations of all reactants affect the total reaction rate.