13.4
חוקי הקצב מתארים את הקשר בין קצב התגובה הכימית לריכוז המגיבים שלה. בחוק קצב, קבוע הקצב k וסדרי התגובה נקבעים בניסוי על ידי התבוננות כיצד קצב התגובה מש…
עבור תגובה כימית, משוואת הקצב מבטאת את הקשר בין קצב התגובה וריכוז המגיב. המעריכים של ריכוזי מגיב משפיעים על קצב התגובה באופן פרטני ונקראים סדרי תגובה. סדר התגובה נקבע בניסוי באמצעות יישום שיטת הקצבים ההתחלתיים, שבהם תגובה כימית מבוצעת כמה פעמים עם ריכוזי מגיבים משתנים כדי למדוד את קצבי התגובה ההתחלתי.
עלייה בריכוז המגיב, המייצרת עלייה פרופורציונלית באופן ליניארי בקצב התגובה, מאפיינת תגובה מסדר ראשון. אם הכפלה של ריכוז המגיב מכפילה פי ארבעה את הקצב ההתחלתי, אז התצפית מעידה על תגובה מסדר שני. לעומת זאת, אם השינוי בריכוזי המגיב אינו משפיע על ערכי הקצב ההתחלתי, התצפית מעידה על תגובה מסדר אפס.
כשהנתונים שהתקבלו על קצבים ראשוניים אינם מציגים קשר ברור בין השינוי בריכוז המגיב לקצב המתאים, מחושב יחס על פי משוואות הקצב. כאן כל שני ערכי ריכוז של המגיב ושל קצב התגובה התואמים לו משמשים כדי לקבוע את סדר התגובה. אך מה לגבי תגובות עם כמה מגיבים?
ראשית, באמצעות השיטה של קצבים התחלתיים, קצב התגובה של כל מגיב נקבע בנפרד. לאחר מכן, הקצבים הנפרדים מבוטאים כמעריכים של ריכוזי המגיבים התואמים שלהם כדי לבנות משוואת קצב. לבסוף, סכום המעריכים הנפרדים ממשוואת הקצב קובעים את סדר התגובה הכולל.
בעוד שסדר התגובה מייצג את התלות של קצב התגובה בריכוז המגיב, מדד ישיר של מהירות התגובה היחסית מסומן על ידי קבוע הקצב. קבוע הקצב k הוא קבוע הפרופורציה המקשר בין קצב התגובה למכפלה של ריכוזי המגיבים. היחידה של קבוע קצב תלויה בסדר התגובה הכולל ויכולה להיקבע על ידי ארגון מחדש של משוואת הקצב כדי לפתור אותה עבור קבוע הקצב.
בתגובה מסדר אפס, ל k יחידות של מולריות לשנייה. יחידת המידה לתגובה מסדר ראשון היא 1 חלקי שנייה, ולתגובה מסדר שני, 1 חלקי מולריות לשנייה. קבוע קצב גדול מעיד על תגובה מהירה.
לעומת זאת, קבוע קצב נמוך יותר מעיד על תגובה איטית. ערך של אפס מעיד על היעדרה של כל תגובה כימית.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.