13.4
反応順序の決定
反応速度式は、化学反応の速度とその反応物の濃度との関係を表します。反応速度式では、反応物の濃度を変化させたときに反応速度がどのように変化するかを観察することで、速度定数kと反応次数を実験的に決定します。反応速度式を決定するための一般的な実験手法は、初期速度を用いる方法です。この方法では、異なる初期反…
化学反応の場合、速度の法則は反応速度と反応物濃度の関係を表します。反応物濃度の指数は、反応速度に個別に影響し、反応順序と呼ばれます。
反応順序は、反応物濃度を変えて化学反応を複数回繰り返す初期反応速度の方法を用いて実験的に決定します。
反応物濃度の増加は、反応速度の線形比例の増加をもたらし、一次反応を特徴付けます。反応物濃度を2倍にすると初期速度が4倍になると、2次反応が観察されます。
ただし、反応物濃度の変化が初期速度値に影響を与えない場合は、ゼロ次反応が観察されます。
得られた初期速度のデータが、初期反応物濃度の変化と対応する速度との間に識別できない関係を示している場合、速度法則の比率が計算されます。
ここでは、反応物の任意の2つの濃度値とそれに対応する反応速度を使用して、反応順序を決定します。
しかし、複数の反応物との反応についてはどうでしょうか?まず、初期速度の方法を使用して、各反応物の反応順序を個別に決定します。
次に、個々の反応順序をそれぞれの反応物濃度の指数として表し、速度法則を定式化します。最後に、レート法則からの個々の指数の合計が全体的な反応順序を決定します。
反応順序は反応速度の反応物濃度依存性を示していますが、相対反応速度の直接的な尺度は速度定数によって示されます。
速度定数kは、反応速度を反応物濃度の積に関連付ける比例係数です。
速度定数の単位は、全体的な反応順序に依存し、速度定数を解くために速度則を並べ替えることによって決定できます。ゼロ次反応の場合、k は単位モル濃度/秒です。単位は1次反応の1/s、2次反応の単位は1/M・sです。
レート定数が大きいほど、反応が速いことを示します。逆に、レート定数が小さいほど、反応が遅いことを示します。値が 0 の場合は、化学反応がないことを示します。
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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.