13.4
속도 법칙은 화학 반응 속도와 반응물의 농도 사이의 관계를 설명합니다. 속도 법칙에서는 반응물의 농도가 변함에 따라 반응 속도가 어떻게 변하는지 관찰하여 속도 상수 k와 반응 차수를 실험적으로 결정합니다. 비율 법칙을 결정하는 일반적인 실험적 접근 방식은 초기 비율 방…
화학 반응의 경우 속도 법칙은 반응 속도와 반응물 농도 사이의 관계를 나타냅니다. 반응물 농도의 지수는 반응 속도에 개별적으로 영향을 미치며 이것을 반응 차수라고 합니다. 반응 차수는 화학 반응을 다양한 반응물의 농도에 대해 여러 번 반복하여 초기 반응 속도를 측정하는 초기 속도 방법을 사용하여 실험적으로 결정됩니다.
반응물 농도가 증가하면 반응 속도가 선형적으로 비례하여 증가하므로 1차 반응의 특징을 가집니다. 반응물의 농도를 두 배로 증가시키면 초기 속도가 네 배로 증가하며 따라서 2차 반응으로 관찰할 수 있습니다. 그러나 반응물 농도의 변화가 초기 속도 값에 영향을 미치지 않으면 0차 반응으로 관찰할 수 있습니다.
초기 속도에 대한 데이터가 초기 반응물 농도의 변화와 해당 속도 사이에 신뢰할 수 없는 관계를 나타내는 경우, 속도 법칙에 대한 비율을 계산합니다. 여기서 반응물의 두 농도 값과 반응 속도를 사용하여 반응 차수를 결정합니다. 하지만 다중 반응물과의 반응은 어떨까요?
먼저 초기 속도 방법을 사용하여 각 반응물의 반응 차수를 개별적으로 결정합니다. 다음 개별적인 반응 차수는 속도 법칙을 공식화하는 각각의 반응물 농도에 대한 지수로 표현됩니다. 마지막으로 속도 법칙의 개별 지수의 합으로 전체 반응 차수를 결정합니다.
반응 차수는 반응물 농도에 대한 반응 속도의 의존성을 나타내지만 상대 반응 속도에 대한 직접 측정값은 속도 상수로 표시됩니다. 속도 상수 k는 반응속도와 반응물 농도의 적과 관련된 비례 계수입니다. 속도 상수의 단위는 전체 반응 차수에 따라 달라지며 속도 상수에 대해 해결할 속도 법칙을 재배열하여 결정할 수 있습니다.
0차 반응의 경우 k는 초당 단위 몰농도를 가집니다. 1차 반응의 단위는 1/s 이고 2차 반응의 단위는 1/mol-s 입니다. 속도 상수가 크면 반응이 빠르다는 것을 나타냅니다.
반대로 속도 상수가 작으면 반응이 느리다는 것을 나타냅니다. 0 값은 화학 반응이 없음을 나타냅니다.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.