13.3
Concentratie- en snelheidswet
De snelheid van een reactie wordt beïnvloed door de concentraties van reactanten. Snelheidswetten (differentiële snelheidswetten) of snelheidsvergelij…
De reactiesnelheid is vaak afhankelijk van de reactantconcentraties. Voor elke reactie kan de relatie tussen de reactiesnelheid en de reactantconcentraties wiskundig worden uitgedrukt met behulp van een snelheidswet of de Snelheidsvergelijking. In een snelheidswet is k de evenredigheidsconstante of de snelheidsconstante, en is n de reactie-orde met betrekking tot een enkele reactant, waarvan de waarde vaak een geheel getal is.
In snelheidswetten voor reacties met meerdere reactanten, is de totale reactie-orde de som van alle reactant-orden. Voor elke reactant worden de reactiesnelheid, snelheidsconstante, concentratie en de reactie-orde allemaal experimenteel bepaald. De tariefwet geeft de relatie weer tussen al deze parameters.
Individuele reactant-orde nemen gewoonlijk de waarden 0, 1 of 2 aan, en op basis van de algehele reactie-orde kunnen chemische reacties worden gecategoriseerd als reacties van de nulde orde, de eerste orde of de tweede orde. Een enkele reactant, of unimoleculaire, chemische reactie waarvoor de reactiesnelheid constant blijft gedurende de duur ervan, is een nulde-orde-reactie. De reactantorde in een nulde-orde reactie is nul, en volgens de snelheidswet wordt de reactantconcentratie verhoogd tot het nulde vermogen.
Omdat de waarde van elk getal verheven tot het nulde vermogen één is, is de reactiesnelheid van een nulde-orde reactie gelijk aan de snelheidsconstante en dus onafhankelijk van de reactantconcentratie. Daarom vertraagt de reactiesnelheid in een nulde-orde-reactie niet, zelfs als de concentratie van de reactant afneemt. Een unimoleculaire chemische reactie waarbij de reactiesnelheid recht evenredig is met de concentratie van de reactant is een eerste orde reactie.
De reactant-orde voor een eerste-orde reactie is één, en volgens de snelheidswet wordt de concentratie van de reactant verhoogd tot de eerste macht. Omdat de waarde van elk getal verheven tot de macht van één hetzelfde blijft, hangt de reactiesnelheid van een eerste orde reactie direct af van de reactantconcentratie. Naarmate de reactantconcentratie afneemt, neemt de reactiesnelheid proportioneel lineair af.
Een unimoleculaire chemische reactie waarbij de reactiesnelheid afhankelijk is van het kwadraat van de concentratie van de reactant is een reactie van de tweede orde. De reactant-orde is twee, en de reactantconcentratie wordt verhoogd tot de tweede macht. Dienovereenkomstig hangt de reactiesnelheid bij een reactie van de tweede orde rechtstreeks af van het kwadraat van de reactantconcentratie.
Naarmate de reactantconcentratie afneemt, neemt de reactiesnelheid exponentieel op kwadratische wijze af.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.