Zależność od koncentracji

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.