13.3
反応速度は、反応物の濃度に影響されます。速度則(微分速度則)または速度式は、化学反応の速度とその反応物の濃度との関係を表す数式です。
例えば、一般的な反応ではaA + bB ⟶となります。aとbが化学量論係数である場合、反応速度式は次のように記述できます。

[A]と[B]は反応物のモル濃度を表します…
反応の速度は、多くの場合、反応物の濃度に依存します。どのような反応でも、反応速度と反応物濃度の関係は、速度法則または速度方程式を使用して数学的に表すことができます。
速度の法則では、k は比例定数または速度定数であり、n は単一の反応物に対する反応順序であり、その値は多くの場合整数です。多重反応反応の速度則では、全体的な反応順序はすべての反応順序の合計です。
各反応物について、反応速度、速度定数、濃度、および反応順序はすべて実験的に決定されます。レートの法則は、これらすべてのパラメーター間の関係を表します。
個々の反応物の順序は、通常、0、1、または2の値を取り、全体的な反応順序に基づいて、化学反応はゼロ次、1次、または2次の反応に分類できます。
単一反応物または単分子化学反応で、反応速度がその持続時間を通じて一定に保たれるものは、ゼロ次反応です。ゼロ次反応における反応物次数はゼロであり、速度の法則によれば、反応物濃度はゼロ乗まで上昇します。
任意の数値を 0 乗に上げると 1 になるため、ゼロ次反応の反応速度は速度定数に等しく、したがって反応物濃度とは無関係です。そのため、ゼロ次反応では、反応物の濃度が下がっても反応速度が遅くなりません。
反応速度が反応物の濃度に正比例する単分子化学反応は、一次反応です。一次反応の反応物次数は 1 であり、速度法則に従って、反応物の濃度は 1 乗に引き上げられます。
1の累乗に乗った任意の数値の値は同じままであるため、1次反応の反応速度は反応物濃度に直接依存します。反応物濃度が減少すると、反応速度は線形に比例して減少します。
反応速度が反応物の濃度の2乗に依存する単分子化学反応は、二次反応です。反応物の次数は2で、反応物の濃度は2乗まで上がります。
したがって、2次反応の反応速度は、反応物濃度の2乗に直接依存します。反応物濃度が減少すると、反応速度は2次関数的に指数関数的に減少します。
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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.