13.3
Legge sulla concentrazione e sulla velocit
La velocit di una reazione influenzata dalla concentrazione dei reagenti. Le leggi di velocit (leggi di velocit differenziale) o equazioni di velocit…
La velocità di una reazione dipende spesso dalle concentrazioni dei reagenti. Per qualsiasi reazione, la relazione fra la velocità di reazione e le concentrazioni dei reagenti può essere espressa matematicamente, usando la legge della velocità o l'equazione della velocità. In una legge della velocità, k è la costante di proporzionalità, o la costante di velocità, e n è l'ordine di reazione rispetto ad un singolo reagente, il cui valore è spesso un numero intero.
Nelle leggi di velocità per le reazioni multi-reagente, l'ordine di reazione complessivo è la somma di tutti gli ordini di reagenti. Per ogni reagente, la velocità di reazione, la costante di velocità, la concentrazione e l'ordine di reazione sono tutti determinati sperimentalmente. La legge della velocità esprime la relazione fra tutti questi parametri.
Gli ordini dei singoli reagenti assumono comunemente i valori 0, 1 o 2 e, in base all'ordine di reazione complessivo, le reazioni chimiche possono essere classificate come reazioni di ordine zero, di primo o di secondo ordine. Una reazione chimica a reagente singolo, o unimolecolare, per la quale la velocità di reazione rimane costante per tutta la sua durata, è una reazione di ordine zero. L'ordine dei reagenti in una reazione di ordine zero è zero e, secondo la legge della velocità, la concentrazione dei reagenti è elevata alla potenza zero.
Poiché il valore di qualsiasi numero elevato alla potenza zero è uno, la velocità di reazione di una reazione di ordine zero è uguale alla costante di velocità e, quindi, indipendente dalla concentrazione del reagente. Pertanto, in una reazione di ordine zero, anche se la concentrazione del reagente diminuisce, la velocità di reazione non rallenta. Una reazione chimica unimolecolare in cui la velocità di reazione è direttamente proporzionale alla concentrazione del reagente è una reazione del primo ordine.
L'ordine dei reagenti per una reazione del primo ordine è uno e, secondo la legge della velocità, la concentrazione del reagente viene elevata alla potenza di uno. Poiché il valore di qualsiasi numero elevato alla potenza di uno rimane lo stesso, la velocità di reazione di una reazione del primo ordine dipende direttamente dalla concentrazione del reagente. Quando la concentrazione del reagente diminuisce, la velocità di reazione diminuisce proporzionalmente in modo lineare.
Una reazione chimica unimolecolare, in cui la velocità di reazione dipende dal quadrato della concentrazione del reagente, è una reazione di secondo ordine. L'ordine dei reagenti è due e la concentrazione dei reagenti è elevata alla potenza di due. Pertanto, la velocità di reazione in una reazione del secondo ordine dipende direttamente dal quadrato della concentrazione del reagente.
Quando la concentrazione del reagente diminuisce, la velocità di reazione diminuisce esponenzialmente in modo quadratico.
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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.