13.3: 농도와 비율의 법칙

반응 속도는 반응물의 농도에 영향을 받습니다. 속도 법칙(미분 속도 법칙) 또는 속도 방정식은 화학 반응 속도와 반응물의 농도 사이의 관계를 설명하는 수학적 표현입니다.

예를 들어, a와 b가 화학양론적 계수인 일반 반응 aA + bB ⟶ 곱에서 속도 법칙은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

[A]와 [B]는 반응물의 몰 농도를 나타내고, k는 특정 온도에서 특정 반응에 특정한 속도 상수입니다.

지수 m과 n은 반응 차수이며 일반적으로 양의 정수이지만 분수, 음수 또는 0일 수도 있습니다.

속도 상수 k와 반응 차수 m, n은 반응물의 농도가 변함에 따라 반응 속도가 어떻게 변하는지 관찰하여 실험적으로 결정됩니다. 속도 상수 k는 반응물 농도와 무관하지만 온도에 따라 달라집니다.

속도 법칙의 반응 차수는 반응물 농도에 대한 속도의 수학적 의존성을 설명합니다. 일반 속도 법칙(rate = k[A]^m[B]^n)을 참조하면 반응은 A에 대해 m차이고 B에 대해 n차입니다. 예를 들어 m = 1이고 n = 2인 경우 반응은 A에서는 1차이고 B에서는 2차입니다. 전체 반응 차수는 단순히 각 반응물의 차수의 합입니다. 여기에 있는 속도법칙의 경우 반응은 전체적으로 3차입니다(1 + 2 = 3).

비율 법칙을 결정하는 일반적인 실험적 접근 방식은 초기 비율 방법입니다. 이 방법에는 다양한 초기 반응물 농도를 사용하여 수행된 여러 실험 시도에 대한 반응 속도를 측정하는 작업이 포함됩니다. 이러한 시도에 대해 측정된 속도를 비교하면 반응 차수를 결정할 수 있으며, 이어서 속도 법칙을 공식화하는 데 함께 사용되는 속도 상수를 결정할 수 있습니다.

속도 법칙은 일부 반응물에 대해 분수 차수를 나타낼 수 있으며, 한 반응물의 농도가 증가하면 반응 속도가 감소할 때 음의 반응 차수가 때때로 관찰됩니다. 속도 법칙은 실험에 의해서만 결정되며 반응 화학양론으로는 확실하게 예측할 수 없다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

반응 차수는 반응 속도와 반응물 또는 생성물의 농도 사이의 관계를 결정합니다.

1. 0차 반응에서는 반응물의 농도가 반응 속도에 아무런 영향을 미치지 않으며 반응 속도는 전체적으로 일정하게 유지됩니다.
2. 1차 반응에서 반응 속도는 반응물 농도 변화에 정비례하고 선형적으로 비례합니다. 반응물 농도가 감소함에 따라 반응 속도도 비례적으로 감소합니다.
3. 2차 또는 고차 반응에서 반응 속도는 반응물의 지수 값에 비례합니다. 따라서 반응이 진행되면서 반응물의 농도가 감소할수록 반응속도는 기하급수적으로 감소합니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 12.3: Rate Laws.

반응 속도는 대체로 반응물의 농도에 따라 달라집니다. 모든 반응에서 반응 속도와 반응물 농도 사이의 관계는 속도 법칙 또는 속도 방정식을 사용하여 수학적으로 표현될 수 있습니다. 속도 법칙에서 k는 비례 상수 또는 속도 상수이며 n은 단일 반응물에 대한 반응 차수로 값은 대체로 정수입니다.

다중 반응물 반응에 대한 속도 법칙에서 전체 반응 차수는 모든 반응물 차수의 합입니다. 각 반응물에 대한 반응 속도, 속도 상수, 농도 및 반응 차수는 모두 실험적으로 결정됩니다. 속도 법칙은 이러한 모든 매개 변수 간의 관계를 나타냅니다.

개별 반응물의 차수는 일반적으로 0, 1 또는 2의 값을 가지며, 전체 반응 차수에 따라 화학 반응을 0차, 1차 반응 또는 2차 반응으로 분류할 수 있습니다. 반응 속도가 반응 지속 기간 내내 일정하게 유지되는 단일 반응물 또는 비분자 화학 반응은 0차 반응입니다. 0차 반응에서 반응물의 차수는 0이고 속도 법칙에 따라 반응물 농도는 0차 제곱으로 상승합니다.

0차 제곱으로 상승된 숫자의 값이 1이기때문에 0차 반응의 반응 속도는 속도 상수와 같으며 따라서 반응물 농도와 무관합니다. 따라서 0차 반응에서는 반응물의 농도가 낮아지더라도 반응 속도가 느려지지 않습니다. 반응 속도가 반응물의 농도에 정비례하는 단분자 화학 반응은 1차 반응입니다.

1차 반응에 대한 반응물의 차수는 1이고 속도 법칙에 따라 반응물의 농도가 1제곱으로 올라갑니다. 1의 제곱으로 상승한 숫자의 값은 그대로 유지되므로 1차 반응의 반응 속도는 직접적으로 반응물 농도에 따라 달라집니다. 반응물의 농도가 감소하면 반응 속도는 선형적으로 비례하여 감소합니다.

반응 속도가 반응물 농도의 두제곱에 따라 달라지는 단분자 화학 반응은 2차 반응입니다. 반응물은 차수가 2이고 농도는 2 제곱으로 상승합니다. 따라서 2차 반응의 반응 속도는 반응물 농도의 두 제곱에 직접 의존합니다.

반응물의 농도가 감소하면 반응 속도는 2차 방식으로 기하급수적으로 감소합니다.