13.4
Volgorde van reactie bepalen
Snelheidswetten beschrijven de relatie tussen de snelheid van een chemische reactie en de concentratie van de reactanten. In een snelheidswet worden d…
Voor een chemische reactie drukt de snelheidswet de relatie uit tussen de reactiesnelheid en de reactantconcentratie. De exponenten van de reactantconcentraties beïnvloeden de reactiesnelheid individueel en worden reactieorden genoemd. De reactieorde wordt experimenteel bepaald door de methode van beginsnelheden toe te passen, waarbij een chemische reactie meerdere keren wordt herhaald met verschillende reactantconcentraties om de aanvankelijke reactiesnelheden te meten.
Een toename van de reactantconcentratie, waardoor een lineair evenredige toename van de reactiesnelheid ontstaat, kenmerkt een eerste orde reactie. Als een verdubbeling van de reactantconcentratie de beginsnelheid verviervoudigt, wordt een reactie van de tweede orde waargenomen. Als de verandering van reactantconcentraties echter geen invloed heeft op de aanvankelijke snelheidswaarden, wordt een nulde-orde reactie waargenomen.
Wanneer de verkregen gegevens van beginsnelheden een onwaarneembare relatie vertonen tussen de verandering in de initiële reactantconcentratie en de overeenkomstige snelheid, wordt een verhouding van snelheidswetten berekend. Hier worden twee willekeurige concentratiewaarden van de reactant en hun overeenkomstige reactiesnelheden gebruikt om de reactie-orde te bepalen. Maar hoe zit het met reacties met meerdere reactanten?
Ten eerste wordt met behulp van de methode van beginsnelheden de reactieorde van elke reactant afzonderlijk bepaald. Vervolgens worden de individuele reactie-orden uitgedrukt als exponenten van hun respectievelijke reactantconcentraties om de snelheidswet te formuleren. Ten slotte bepaalt de optelling van individuele exponenten uit de snelheidswet de algehele reactieorde.
Terwijl de reactieorde de afhankelijkheid van de reactiesnelheid van de reactantconcentratie weergeeft, wordt een directe maat voor de relatieve reactiesnelheid aangegeven door de snelheidsconstante. De snelheidsconstante k is de evenredigheidscoëfficiënt die de reactiesnelheid relateert aan het product van reactantconcentraties. De eenheid van een snelheidsconstante hangt af van de algehele reactie-orde en kan worden bepaald door de snelheidswet te herschikken om de snelheidsconstante op te lossen.
Voor een nulde-orde-reactie heeft k de eenheid molariteit per seconde. De eenheid voor een eerste-orde-reactie is één gedeeld door seconden, en voor een tweede-orde-reactie is één gedeeld door molariteit-seconden. Een grote snelheidsconstante duidt op een snelle reactie.
Omgekeerd duidt een kleinere snelheidsconstante op een langzame reactie. Een waarde van nul betekent dat er geen chemische reactie is.
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.