Szybkość reakcji

Szybkość reakcji to zmiana ilości reagenta lub produktu w jednostce czasu. Szybkości reakcji określa się zatem poprzez pomiar zależności czasowej pewnej właściwości, która może być związana z ilością reagenta lub produktu. Na przykład szybkość reakcji, w których zużywa się lub wytwarza substancje gazowe, jest dogodnie określana przez pomiar zmian objętości lub ciśnienia.

Matematyczne przedstawienie zmiany stężenia reagentów i produktów w czasie jest wyrażeniem szybkości reakcji. W nawiasach znajdują się stężenia molowe, a symbol delta (Δ) oznacza “zmianę”.

Na przykład stężenie nadtlenku wodoru,_H2O2, w roztworze wodnym zmienia się powoli w czasie, gdy rozkłada się zgodnie z równaniem:

Szybkość, z jaką rozkłada się nadtlenek wodoru, można wyrazić w postaci szybkości zmiany jego stężenia:

Zatem [H₂O₂] _t1 reprezentuje stężenie molowe nadtlenku wodoru w czasie t₁; podobnie [H₂O₂] _t2 reprezentuje stężenie molowe nadtlenku wodoru w późniejszym czasie t₂; a Δ [H₂O₂] reprezentuje zmianę stężenia molowego nadtlenku wodoru w przedziale czasu Δt (to jest, t₂ − t₁). Ponieważ stężenie reagenta zmniejsza się wraz z postępem reakcji, Δ[H₂O₂] jest wielkością ujemną. Szybkości reakcji są, zgodnie z konwencją, wielkościami dodatnimi, a więc ta ujemna zmiana stężenia jest mnożona przez -1.

Średnia szybkość reakcji i natychmiastowa szybkość reakcji

Szybkość reakcji zmienia się w czasie i zmniejsza się w miarę postępu reakcji. Średnią szybkość reakcji w danym przedziale czasu można obliczyć na podstawie stężeń na początku i na końcu tego okresu, w ciągu których szybkość reakcji ulega zmianie. W dowolnym momencie szybkość, z jaką przebiega reakcja, jest znana jako jej szybkość chwilowa. Chwilowa szybkość reakcji w “czasie zero”, kiedy reakcja się rozpoczyna, jest jej szybkością początkową.

Chwilową szybkość reakcji można określić na jeden z dwóch sposobów. Jeśli warunki eksperymentalne pozwalają na pomiar zmian stężenia w krótkich odstępach czasu, wówczas obliczenia średnich szybkości dostarczają dość dobrych przybliżeń szybkości chwilowych. Alternatywnie można zastosować procedurę graficzną. Na przykład w przykładzie rozkładu nadtlenku wodoru, wykreślając stężenie nadtlenku wodoru w czasie, chwilową szybkość rozkładu H₂O₂ można obliczyć w dowolnym momencie “t” od nachylenia stycznej narysowanej do krzywej w tym czasie.

Ten wykres przedstawia wykres stężenia w funkcji czasu dla 1.000 M roztworu_H2O2. Szybkość w dowolnym momencie jest równa ujemnemu nachyleniu linii stycznej do krzywej w tym czasie. Styczne są pokazane przy t = 0 h (“szybkość początkowa”) i przy t = 12 h (“szybkość chwilowa” po 12 godzinach).

Względne szybkości reakcji

Szybkość reakcji może być wyrażona jako zmiana stężenia dowolnego reagenta lub produktu. Dla każdej danej reakcji wszystkie te wyrażenia szybkości są ze sobą powiązane zgodnie ze stechiometrią reakcji. Szybkość ogólnej reakcji aA ⟶ bB można wyrazić w kategoriach spadku stężenia A lub wzrostu stężenia B. Te dwa wyrażenia szybkości są powiązane stechiometrią reakcji, gdzie:

Należy zauważyć, że znak ujemny został uwzględniony jako czynnik uwzględniający przeciwstawne znaki dwóch zmian ilości (ilość reagenta maleje, podczas gdy ilość produktu rośnie).

Ten tekst jest adaptacją <a href=”https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/12-introduction”>Openstax, Chemia 2e, Rozdział 12 Wprowadzenie i Openstax, Chemia 2e, Sekcja 12.1: Szybkość reakcji chemicznych.