Zależność od koncentracji
Kinetyka chemiczna i prawo szybkości reakcji
Kinetyka chemiczna odnosi się do szybkości lub szybkości reakcji chemicznej. Szybkość zależy od mechanizm…
Miara szybkości reakcji nazywana jest szybkością reakcji. W przypadku reakcji jednoetapowej szybkość jest równa zmianie stężenia każdego reagenta lub produktu w czasie pomnożonej przez odwrotność odpowiedniego współczynnika stechiometrycznego. Możesz myśleć o zmianie stężenia w czasie jako o stężeniu w czasie t minus stężenie początkowe podzielone przez t. Szybkości reakcji są zawsze dodatnie, więc wyrażenia reagentów mają znaki ujemne. Wskaźniki te mogą nie być równe w reakcjach wieloetapowych, ale nadal możemy użyć tej zależności jako oszacowania całej reakcji.
Prawo szybkości lub równanie szybkości opisuje związek między szybkością reakcji a stężeniami reagentów. W tym równaniu k jest stałą szybkości, A i B to dwa reagenty, a m i n to ich odpowiednie rzędy reakcji. Kolejność reakcji opisuje zależność między stężeniem reagenta a szybkością i nie jest związana ze stechiometrią. Należy pamiętać, że kolejność reakcji nie jest taka sama jak współczynnik reagenta w równaniu zrównoważonym.
Gdy reakcja obejmuje dwa lub więcej reagentów, musimy wziąć pod uwagę kolejność reakcji dla każdego reagenta. Ogólna kolejność reakcji jest równa sumie kolejności reakcji reagentów. Na przykład, jeśli reagent A jest pierwszego rzędu, a reagent B jest rzędem zerowym, ogólna kolejność reakcji wynosi jeden. Najczęstsze kolejność reakcji w prostych reakcjach to porządek zerowy, pierwszy i drugi porządek. Przejdźmy przez nie na przykładzie reakcji jednocząsteczkowej.
Jeśli reakcja jest rzędu zerowego, stężenie reagenta nie ma wpływu na szybkość reakcji. Zatem szybkość reakcji jest równa k, stałej szybkości. Wykres szybkości reakcji w odniesieniu do stężenia jest linią poziomą.
W relacjach pierwszego rzędu stężenie reagenta jest liniowo związane z szybkością reakcji. Zatem szybkość jest równa stałej szybkości pomnożonej przez stężenie reagenta. Wykres szybkości reakcji w odniesieniu do stężenia będzie liniowy, z k jako nachyleniem.
Jeśli reakcja jest drugiego rzędu, istnieje kwadratowa zależność między stężeniem a szybkością. Zatem szybkość jest równa stałej szybkości pomnożonej przez stężenie do kwadratu. Wykres szybkości w odniesieniu do stężenia będzie paraboliczny, z k jako nachyleniem.
Stała szybkości, k, jest wartością zależną od temperatury, która wiąże energię aktywacji reakcji z szybkością reakcji. Zbadasz to w następnym eksperymencie laboratoryjnym.
Szybkość reakcji jest zwykle podawana w molach na litr na sekundę. Szybkość ma te same jednostki, niezależnie od kolejności reakcji. W związku z tym stała szybkości ma różne jednostki, w zależności od kolejności reakcji. Na przykład, jeśli A jest pierwszym porządkiem, a B jest rzędem zerowym, to mamy jeden przypadek moli na litr w równaniu stawki. W związku z tym stała szybkości musi być wyrażona w sekundach odwrotnych.
Jak więc ustalić kolejność reakcji? Kolejność reakcji musi być określona doświadczalnie przy użyciu serii testów. Jeśli masz dwa reagenty, jedną z metod jest utrzymanie stałego stężenia jednego reagenta, zmiana drugiego i czas, jaki zajmuje wytworzenie określonej ilości produktu. Ten sam proces powtarza się dla drugiego reagenta. Następnie możesz oszacować kolejność dla każdego reagenta, wykreślając szybkość w stosunku do zmiennego stężenia reagentów i sprawdzając, czy wygląda to jak wykres zerowy, pierwszego czy drugiego rzędu. Dopasowanie danych do odpowiedniego równania stawki pozwoli również obliczyć k.
W tym laboratorium określisz kolejność reakcji dwóch reagentów, zmieniając ich stężenia i czas potrzebny na postęp reakcji do przekształcenia roztworu w nieprzezroczysty.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Miara szybkości reakcji nazywana jest szybkością reakcji. W przypadku reakcji jednoetapowej szybkość jest równa zmianie stężenia każdego reagenta lub produktu w czasie pomnożonej przez odwrotność odpowiedniego współczynnika stechiometrycznego. Możesz myśleć o zmianie stężenia w czasie jako o stężeniu w czasie t minus stężenie początkowe podzielone przez t. Szybkości reakcji są zawsze dodatnie, więc wyrażenia reagentów mają znaki ujemne. Wskaźniki te mogą nie być równe w reakcjach wieloetapowych, ale nadal możemy użyć tej zależności jako oszacowania całej reakcji.
Prawo szybkości lub równanie szybkości opisuje związek między szybkością reakcji a stężeniami reagentów. W tym równaniu k jest stałą szybkości, A i B to dwa reagenty, a m i n to ich odpowiednie rzędy reakcji. Kolejność reakcji opisuje zależność między stężeniem reagenta a szybkością i nie jest związana ze stechiometrią. Należy pamiętać, że kolejność reakcji nie jest taka sama jak współczynnik reagenta w równaniu zrównoważonym.
Gdy reakcja obejmuje dwa lub więcej reagentów, musimy wziąć pod uwagę kolejność reakcji dla każdego reagenta. Ogólna kolejność reakcji jest równa sumie kolejności reakcji reagentów. Na przykład, jeśli reagent A jest pierwszego rzędu, a reagent B jest rzędem zerowym, ogólna kolejność reakcji wynosi jeden. Najczęstsze kolejność reakcji w prostych reakcjach to porządek zerowy, pierwszy i drugi porządek. Przejdźmy przez nie na przykładzie reakcji jednocząsteczkowej.
Jeśli reakcja jest rzędu zerowego, stężenie reagenta nie ma wpływu na szybkość reakcji. Zatem szybkość reakcji jest równa k, stałej szybkości. Wykres szybkości reakcji w odniesieniu do stężenia jest linią poziomą.
W relacjach pierwszego rzędu stężenie reagenta jest liniowo związane z szybkością reakcji. Zatem szybkość jest równa stałej szybkości pomnożonej przez stężenie reagenta. Wykres szybkości reakcji w odniesieniu do stężenia będzie liniowy, z k jako nachyleniem.
Jeśli reakcja jest drugiego rzędu, istnieje kwadratowa zależność między stężeniem a szybkością. Zatem szybkość jest równa stałej szybkości pomnożonej przez stężenie do kwadratu. Wykres szybkości w odniesieniu do stężenia będzie paraboliczny, z k jako nachyleniem.
Stała szybkości, k, jest wartością zależną od temperatury, która wiąże energię aktywacji reakcji z szybkością reakcji. Zbadasz to w następnym eksperymencie laboratoryjnym.
Szybkość reakcji jest zwykle podawana w molach na litr na sekundę. Szybkość ma te same jednostki, niezależnie od kolejności reakcji. W związku z tym stała szybkości ma różne jednostki, w zależności od kolejności reakcji. Na przykład, jeśli A jest pierwszym porządkiem, a B jest rzędem zerowym, to mamy jeden przypadek moli na litr w równaniu stawki. W związku z tym stała szybkości musi być wyrażona w sekundach odwrotnych.
Jak więc ustalić kolejność reakcji? Kolejność reakcji musi być określona doświadczalnie przy użyciu serii testów. Jeśli masz dwa reagenty, jedną z metod jest utrzymanie stałego stężenia jednego reagenta, zmiana drugiego i czas, jaki zajmuje wytworzenie określonej ilości produktu. Ten sam proces powtarza się dla drugiego reagenta. Następnie możesz oszacować kolejność dla każdego reagenta, wykreślając szybkość w stosunku do zmiennego stężenia reagentów i sprawdzając, czy wygląda to jak wykres zerowy, pierwszego czy drugiego rzędu. Dopasowanie danych do odpowiedniego równania stawki pozwoli również obliczyć k.
W tym laboratorium określisz kolejność reakcji dwóch reagentów, zmieniając ich stężenia i czas potrzebny na postęp reakcji do przekształcenia roztworu w nieprzezroczysty.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: What is the difference between reaction order and stoichiometric coefficients?
Reaction order describes how reactant concentration affects reaction rate and must be determined experimentally. Stoichiometric coefficients are the numbers in the balanced chemical equation and do not determine reaction order. For example, a reactant with a coefficient of 2 could be zero-order, first-order, or second-order depending on its actual relationship to the reaction rate.
Q2: How does concentration affect the reaction rate in a zero-order reaction?
In a zero-order reaction, reactant concentration has no effect on the reaction rate. The rate equals only the rate constant k, making the reaction rate independent of how much reactant is present. A graph of reaction rate versus concentration appears as a horizontal line.
Q3: What is the mathematical relationship between concentration and rate in first-order reactions?
In first-order reactions, reactant concentration is linearly related to the reaction rate. The rate equation is rate = k[A], where k is the rate constant and [A] is the reactant concentration. Doubling the concentration doubles the reaction rate, and the graph is linear with slope k.
Q4: How does doubling a reactant's concentration affect a second-order reaction?
In second-order reactions, there is a quadratic relationship between concentration and rate. When you double the reactant concentration, the reaction rate increases by a factor of four. The rate equation is rate = k[A]², and the concentration-versus-rate graph appears parabolic.
Q5: Why does the rate constant have different units depending on reaction order?
The rate constant k must have units that make the overall rate expression equal moles per liter per second. For zero-order reactions, k has units M/s. For first-order, k is 1/s. For second-order, k is 1/(M·s). The units adjust so the rate always has consistent dimensions regardless of reaction order.
Q6: What experimental method is used to determine the reaction order of each reactant?
To determine reaction order, hold one reactant's concentration constant while varying the other, then measure the time for the reaction to progress to a visible endpoint. Repeat for each reactant. Compare how reaction time changes with concentration: constant time indicates zero-order, linear changes indicate first-order, and a factor-of-four change when concentration doubles indicates second-order.
Q7: How is the overall reaction order calculated when a reaction has multiple reactants?
The overall reaction order is the sum of the individual reaction orders for each reactant. For example, if reactant A is first-order (m = 1) and reactant B is zero-order (n = 0), the overall reaction order is one. This sum determines how the combined concentrations of all reactants affect the total reaction rate.