Dipendenza dalla concentrazione
Cinetica chimica e legge della velocità di reazione
La cinetica chimica si riferisce alla velocità o alla velocità di una reazione chimica. La velocit…
La misura della velocità con cui procede una reazione è chiamata velocità di reazione. Per una reazione a passo singolo, la velocità è uguale alla variazione di concentrazione di ciascun reagente o prodotto nel tempo moltiplicata per l'inverso del corrispondente coefficiente stechiometrico. Si può pensare alla variazione della concentrazione nel tempo come la concentrazione al tempo t meno la concentrazione iniziale divisa per t. Le velocità di reazione sono sempre positive, quindi le espressioni dei reagenti hanno segni negativi. Questi tassi potrebbero non essere uguali nelle reazioni a più fasi, ma possiamo comunque utilizzare questa relazione come stima della reazione complessiva.
La legge della velocità, o equazione della velocità, descrive la relazione tra la velocità della reazione e le concentrazioni dei reagenti. In questa equazione, k è la costante di velocità, A e B sono i due reagenti e m e n sono i rispettivi ordini di reazione. L'ordine di reazione descrive la relazione tra la concentrazione di un reagente e la velocità e non è correlato alla stechiometria. È fondamentale ricordare che l'ordine di reazione non è lo stesso del coefficiente del reagente nell'equazione bilanciata.
Quando una reazione coinvolge due o più reagenti, dobbiamo considerare l'ordine di reazione per ciascun reagente. L'ordine di reazione complessivo è uguale alla somma degli ordini di reazione dei reagenti. Ad esempio, se il reagente A è del primo ordine e il reagente B è di ordine zero, l'ordine di reazione complessivo è uno. Gli ordini di reazione più comuni nelle reazioni semplici sono l'ordine zero, il primo ordine e il secondo ordine. Esaminiamoli usando una reazione unimolecolare come esempio.
Se la reazione è di ordine zero, la concentrazione del reagente non ha alcun effetto sulla velocità di reazione. Quindi, la velocità di reazione è uguale a k, la costante di velocità. Un grafico della velocità di reazione rispetto alla concentrazione è una linea orizzontale.
Nelle relazioni del primo ordine, la concentrazione del reagente è linearmente correlata alla velocità di reazione. Pertanto, la velocità è uguale alla costante di velocità moltiplicata per la concentrazione del reagente. Un grafico della velocità di reazione rispetto alla concentrazione sarà lineare, con k come pendenza.
Se la reazione è del secondo ordine, esiste una relazione quadratica tra la concentrazione e la velocità. Pertanto, il tasso è uguale alla costante di tasso moltiplicata per la concentrazione al quadrato. Un grafico della velocità rispetto alla concentrazione sarà parabolico, con k come pendenza.
La costante di velocità, k, è un valore dipendente dalla temperatura che mette in relazione l'energia di attivazione della reazione con la velocità di reazione. Esplorerai questo aspetto nel prossimo esperimento di laboratorio.
Le velocità di reazione sono tipicamente espresse in moli per litro al secondo. La velocità ha le stesse unità, indipendentemente dall'ordine di reazione. Pertanto, la costante di velocità ha unità diverse, a seconda dell'ordine di reazione. Ad esempio, se A è il primo ordine e B è l'ordine zero, allora abbiamo un'istanza di moli per litro nell'equazione del tasso. Pertanto, la costante di velocità deve essere espressa in secondi inversi.
Quindi, come determiniamo l'ordine di reazione? L'ordine di reazione deve essere determinato sperimentalmente utilizzando una serie di test. Se si dispone di due reagenti, un metodo consiste nel mantenere costante la concentrazione di un reagente, variare l'altro e calcolare il tempo necessario per produrre una certa quantità di prodotto. Lo stesso processo viene ripetuto per il secondo reagente. È quindi possibile stimare l'ordine di ciascun reagente tracciando la velocità rispetto alla concentrazione variabile dei reagenti e verificando se assomiglia a un grafico a zero, al primo o al secondo ordine. Abbinando i tuoi dati all'equazione di velocità corrispondente potrai anche calcolare k.
In questo laboratorio, determinerai gli ordini di reazione di due reagenti variando le loro concentrazioni e cronometrando il tempo necessario alla reazione per progredire fino a rendere opaca la soluzione.
La misura della velocità con cui procede una reazione è chiamata velocità di reazione. Per una reazione a passo singolo, la velocità è uguale alla variazione di concentrazione di ciascun reagente o prodotto nel tempo moltiplicata per l'inverso del corrispondente coefficiente stechiometrico. Si può pensare alla variazione della concentrazione nel tempo come la concentrazione al tempo t meno la concentrazione iniziale divisa per t. Le velocità di reazione sono sempre positive, quindi le espressioni dei reagenti hanno segni negativi. Questi tassi potrebbero non essere uguali nelle reazioni a più fasi, ma possiamo comunque utilizzare questa relazione come stima della reazione complessiva.
La legge della velocità, o equazione della velocità, descrive la relazione tra la velocità della reazione e le concentrazioni dei reagenti. In questa equazione, k è la costante di velocità, A e B sono i due reagenti e m e n sono i rispettivi ordini di reazione. L'ordine di reazione descrive la relazione tra la concentrazione di un reagente e la velocità e non è correlato alla stechiometria. È fondamentale ricordare che l'ordine di reazione non è lo stesso del coefficiente del reagente nell'equazione bilanciata.
Quando una reazione coinvolge due o più reagenti, dobbiamo considerare l'ordine di reazione per ciascun reagente. L'ordine di reazione complessivo è uguale alla somma degli ordini di reazione dei reagenti. Ad esempio, se il reagente A è del primo ordine e il reagente B è di ordine zero, l'ordine di reazione complessivo è uno. Gli ordini di reazione più comuni nelle reazioni semplici sono l'ordine zero, il primo ordine e il secondo ordine. Esaminiamoli usando una reazione unimolecolare come esempio.
Se la reazione è di ordine zero, la concentrazione del reagente non ha alcun effetto sulla velocità di reazione. Quindi, la velocità di reazione è uguale a k, la costante di velocità. Un grafico della velocità di reazione rispetto alla concentrazione è una linea orizzontale.
Nelle relazioni del primo ordine, la concentrazione del reagente è linearmente correlata alla velocità di reazione. Pertanto, la velocità è uguale alla costante di velocità moltiplicata per la concentrazione del reagente. Un grafico della velocità di reazione rispetto alla concentrazione sarà lineare, con k come pendenza.
Se la reazione è del secondo ordine, esiste una relazione quadratica tra la concentrazione e la velocità. Pertanto, il tasso è uguale alla costante di tasso moltiplicata per la concentrazione al quadrato. Un grafico della velocità rispetto alla concentrazione sarà parabolico, con k come pendenza.
La costante di velocità, k, è un valore dipendente dalla temperatura che mette in relazione l'energia di attivazione della reazione con la velocità di reazione. Esplorerai questo aspetto nel prossimo esperimento di laboratorio.
Le velocità di reazione sono tipicamente espresse in moli per litro al secondo. La velocità ha le stesse unità, indipendentemente dall'ordine di reazione. Pertanto, la costante di velocità ha unità diverse, a seconda dell'ordine di reazione. Ad esempio, se A è il primo ordine e B è l'ordine zero, allora abbiamo un'istanza di moli per litro nell'equazione del tasso. Pertanto, la costante di velocità deve essere espressa in secondi inversi.
Quindi, come determiniamo l'ordine di reazione? L'ordine di reazione deve essere determinato sperimentalmente utilizzando una serie di test. Se si dispone di due reagenti, un metodo consiste nel mantenere costante la concentrazione di un reagente, variare l'altro e calcolare il tempo necessario per produrre una certa quantità di prodotto. Lo stesso processo viene ripetuto per il secondo reagente. È quindi possibile stimare l'ordine di ciascun reagente tracciando la velocità rispetto alla concentrazione variabile dei reagenti e verificando se assomiglia a un grafico a zero, al primo o al secondo ordine. Abbinando i tuoi dati all'equazione di velocità corrispondente potrai anche calcolare k.
In questo laboratorio, determinerai gli ordini di reazione di due reagenti variando le loro concentrazioni e cronometrando il tempo necessario alla reazione per progredire fino a rendere opaca la soluzione.
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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.