Zależność od koncentracji

Kinetyka chemiczna i prawo szybkości reakcji

Kinetyka chemiczna odnosi się do szybkości lub szybkości reakcji chemicznej. Szybkość zależy od mechanizmu, złożoności i liczby reagentów w reakcji. Stężenie reagentów również odgrywa znaczącą rolę w szybkości reakcji.

Prawo stawki określa ilościowo tę zależność poprzez eksperymenty. Każdy reagent przyczynia się do szybkości reakcji za pomocą czynnika znanego jako kolejność reakcji. Czynnik ten może wynosić od zera do dwóch i zależy od związku tego reagenta z szybkością reakcji.

r = k[A]^m[B]ⁿ dla aA + bB + ... → cC

W tym równaniu r jest szybkością reakcji, k jest stałą szybkością reakcji, [A] i [B] są stężeniami reagentów A i B, a m i n są odpowiednio rzędami reakcji reagentów A i B. Szybkość reakcji, r, jest definiowana jako zmiana stężenia produktu w czasie i ma jednostki moli na litr na sekundę.

Kolejność reakcji

Kolejność reakcji opisuje zależność mocy stężenia reagentów od szybkości reakcji. Ogólna kolejność reakcji jest sumą kolejności reakcji dla każdego z reagentów. Ważne jest, aby pamiętać, że kolejność reakcji NIE jest związana z czynnikami stechiometrycznymi zrównoważonego równania chemicznego. Innymi słowy, stechiometria nie może być używana do określania kolejności reakcji dla reakcji chemicznej. Kolejność reakcji musi być wyznaczona doświadczalnie

Aby określić kolejność reakcji, stężenie drugiego reagenta jest utrzymywane na stałym poziomie, podczas gdy stężenie pierwszego reagenta jest zmieniane. Czas potrzebny do zajścia reakcji mierzy się w sekundach; Jednak czas ten nie odpowiada czasowi, w którym reakcja jest potrzebna do ukończenia. Zamiast tego jest to czas potrzebny na rozpoczęcie reakcji. Czasy reakcji dla różnych stężeń reagentów są następnie porównywane w celu określenia kolejności. Ta sama seria reakcji jest przeprowadzana w celu określenia kolejności drugiego reagenta, gdzie stężenie pierwszego reagenta jest utrzymywane na stałym poziomie, a stężenie drugiego reagenta jest zmieniane.

Porównując czasy reakcji, można określić kolejność reakcji. Na przykład, jeśli czas reakcji pozostaje stały pomimo zmian stężenia reagenta, to reagent jest rzędu zerowego. Oznacza to, że szybkość reakcji jest równa współczynnikowi szybkości reakcji, k, który musi mieć jednostki M/s. Jeśli czas reakcji zmienia się liniowo wraz ze zmianami stężenia (tj. podwojenie stężenia wpływa na czas reakcji o współczynnik 2), to reagent jest pierwszego rzędu. Oznacza to, że szybkość reakcji jest równa iloczynowi współczynnika szybkości reakcji i stężenia reagenta. W tym przypadku k ma jednostki 1/s. Wreszcie, jeśli na czas reakcji wpływa współczynnik 4, gdy stężenie reagenta jest podwajane, reagent jest drugiego rzędu. Oznacza to, że szybkość reakcji jest równa stałej szybkości pomnożonej przez kwadrat stężenia reagenta, tworząc zależność kwadratową. W takim przypadku jednostkami k musi być 1/M⋅s.

Ogólna kolejność reakcji jest sumą poszczególnych porządków reakcji. Na przykład, jeśli reakcja jest pierwszego rzędu względem A, to m = 1. A jeśli reakcja jest rzędu zerowego względem B, to n = 0. Ogólna kolejność reakcji to pierwszy rząd, ponieważ m + n = 1.

Stała szybkości reakcji

Stała szybkości, k, jest specyficzna dla reakcji i temperatury, w której przeprowadzana jest reakcja. Stała szybkości jest określana na podstawie serii eksperymentów. Korzystając ze zmierzonej szybkości i początkowych stężeń reagentów, równanie szybkości służy do obliczenia stałej szybkości. Stała szybkości jest zależna od temperatury i jest zdefiniowana równaniem Arrheniusa. Równanie to opisuje zależność między k a energią_aktywacji, E a, temperaturą, T i stałą gazu doskonałego, R. Stała A jest stałą proporcjonalności i nie należy jej mylić z reagentem A.

Odwołania

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chemia: molekularna natura materii i zmiana. Boston, Massachusetts: McGraw Hill.

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 szybkości 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.