13.3
קצב התגובה מושפע מריכוזי המגיבים. חוקי קצב (חוק קצב דיפרנציאלי) או משוואות קצב הם ביטויים מתמטיים המתארים את הקשר בין קצב תגובה כימית לריכוז המגיבים ש…
קצב התגובה תלוי לעיתים קרובות בריכוזי המגיב. בכל תגובה, הקשר בין קצב התגובה לריכוזי המגיב יכול לבוא לידי ביטוי מתמטי תוך שימוש בחוק הקצב או במשוואת קצב. במשוואת הקצב, k הוא ה-קבוע הפרופורציה, או קבוע הקצב, ו n הוא סדר התגובה ביחס למגיב יחיד, שערכו הוא לעתים קרובות מספר שלם.
במשוואת קצב עבור תגובות מרובות מגיבים, סדר התגובה הכללי הוא סכום כל סדרי המגיבים. עבור כל מגיב, קצב התגובה, קבוע הקצב, ריכוז וסדר התגובה, נקבעים נסיונים. משוואת הקצב מבטאת את הקשר בין כל הפרמטרים הללו.
הסדר של מגיבים אינדיבידואלים הוא בדרך כלל בערך של 0, 1 או 2, ועל בסיס סדר התגובה הכולל, ניתן לקטלג תגובות כימיות כתגובות בעלות סדר אפס, סדר ראשון או שני. תגובה של מגיב יחיד, או תגובה כימית אונימולקולרית, שבה קצב התגובה נשאר קבוע לכל אורכה היא תגובת מסדר אפס. סדר המגיב בתגובה סדר אפס הוא אפס, ובהתאם למשוואת הקצב, ריכוז המגיב עולה בחזקת אפס.
כיוון שהערך של כל מספר בחזקת אפס הוא 1, קצב התגובה של תגובה מסדר אפס שווה לקצב הקבוע ולכן הוא אינו תלוי בריכוז המגיב. לכן בתגובה מסדר אפס, גם כשריכוז המגיב יורד, קצב התגובה לא מאט. תגובה כימית אונימולקולרית שבה קצב התגובה פרופורציונלי באופן ישיר לריכוז המגיב היא תגובה מסדר ראשון.
סדר המגיב בתגובה מסדר ראשון הוא 1, ולפי משוואת הקצב, ריכוז המגיב עולה בחזקת 1. כיוון שהערך של כל מספר שמועלה בחזקת אחד לא משתנה, קצב התגובה בתגובה מסדר ראשון תלוי באופן ישיר בריכוז המגיב. ככל שריכוז המגיב יורד, קצב התגובה יורד באופן פרופורציונלי באופן ליניארי.
תגובה כימית אונימולקולרית שבה קצב התגובה תלוי בריבוע הריכוז של המגיב היא תגובה מסדר שני. סדר המגיב הוא 2 וריכוז המגיב עולה בחזקה שנייה. בהתאם לכך, קצב התגובה בתגובה מסדר שני תלוי באופן ישיר בריבוע של ריכוז המגיב.
ככל שריכוז המגיב יורד, קצב התגובה יורד באופן מעריכי ריבועי.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.