13.1
Szybkość reakcji
Szybkość reakcji to zmiana ilości reagenta lub produktu w jednostce czasu. Szybkość reakcji określa się zatem poprzez pomiar zależności od czasu pewne…
Reakcja chemiczna polega na chemicznej przemianie reagentów w produkty. W miarę postępu reakcji stężenie reagentów maleje, podczas gdy stężenie produktów wzrasta. Tę wariancję stężeń reagentów i produktów można wykreślić na wykresie w funkcji czasu.
Szybkość, z jaką postępuje reakcja, nazywana jest szybkością reakcji. Mierzy szybkość znikania reagentów lub szybkość pojawiania się produktów i jest wyrażona w jednostkach molowości na sekundę.
Średnią szybkość reakcji można obliczyć na podstawie zmiany stężeń reagentów lub produktów w określonym czasie. Wartość stężenia molowego jest oznaczona w nawiasach, t oznacza okres czasu, a symbol delta oznacza "zmianę".
Ponieważ reagenty ulegają wyczerpaniu podczas reakcji chemicznej, wartość zmiany stężenia reagentów jest zawsze ujemna. Dlatego szybkość reakcji obliczona pod względem reagentów jest uzupełniona znakiem ujemnym, aby ogólna wartość była dodatnia.
Szybkość reakcji nie jest jednolita w całej reakcji. Szybkość na początku reakcji, w "czasie zero", nazywana jest początkową szybkością reakcji. Wraz ze spadkiem stężeń reagentów szybkość reakcji maleje lub reakcja zwalnia.
Szybkość reakcji w danym punkcie czasowym lub chwilową szybkość reakcji mierzy się, obliczając nachylenie stycznej narysowanej do krzywej reakcji, dla reagentów lub produktów, w czasie zainteresowania.
Wartość nachylenia lub szybkość chwilowa w określonym punkcie czasowym jest równa dla wszystkich reagentów i produktów.
Szybkość reakcji chemicznej odzwierciedla również rzeczywiste współczynniki stechiometryczne reagentów i produktów.
Tak więc dla dowolnej zrównoważonej reakcji, w której mol A reaguje z b molami B, wytwarzając c mole C i d moli D, szybkość reakcji można wyrazić i obliczyć za pomocą ogólnego wzoru: −1/a × Δ[A]/Δt = −1/b × Δ[B]/Δt. Wartości te są takie same jak +1/c × Δ[C]/Δt, co jest takie samo jak +1/d × Δ[D]/Δt.
Określenie szybkości reakcji ma fundamentalne znaczenie dla badania kinetyki chemicznej, co pomaga zrozumieć, jak szybko działa lek, katalizator lub reakcja syntetyczna, dzięki czemu można je lepiej kontrolować i optymalizować pod względem funkcji.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: How is reaction rate defined and measured in chemistry?
Reaction rate measures the speed at which reactants disappear or products appear during a chemical reaction, expressed in molarity-per-second. It is calculated from the change in concentration of reactants or products over a specific time period. The average reaction rate can be determined by dividing the change in molar concentration by the change in time, using the formula: −Δ[concentration]/Δt for reactants or +Δ[concentration]/Δt for products.
Q2: Why is a negative sign used when calculating reaction rate from reactant concentration?
A negative sign is applied to reactant concentration changes because reactant concentrations decrease as a reaction progresses, making the change value negative. By convention, reaction rates are expressed as positive quantities. Multiplying the negative concentration change by −1 converts the rate to a positive value, ensuring consistent representation across all reaction rate calculations.
Q3: What is the difference between initial reaction rate and instantaneous reaction rate?
The initial reaction rate is the rate at time-zero, when the reaction begins. The instantaneous reaction rate is the rate at any specific moment during the reaction, calculated by finding the slope of a tangent line drawn to the concentration-versus-time curve at that point. As reactant concentrations decrease, the instantaneous reaction rate also decreases, showing that reactions slow down over time.
Q4: How does stoichiometry relate to reaction rate expressions?
Reaction rates reflect the stoichiometric coefficients of reactants and products in a balanced equation. For a reaction where a moles of A react with b moles of B to produce c moles of C, the rate expressions −1/a × Δ[A]/Δt, −1/b × Δ[B]/Δt, +1/c × Δ[C]/Δt, and +1/d × Δ[D]/Δt are all equal. This relationship ensures that rate values are consistent regardless of which reactant or product is used to express the rate.
Q5: How can you determine the instantaneous rate from a concentration-time graph?
The instantaneous rate at any time point is determined by calculating the slope of a tangent line drawn to the concentration-versus-time curve at that specific moment. The slope value represents the rate of change in concentration at that instant. This graphical method allows you to find the instantaneous rate at any time, including the initial rate at t = 0 and rates at later time points as the reaction proceeds.
Q6: Why does reaction rate change as a chemical reaction progresses?
Reaction rate is not uniform throughout a reaction because it depends on reactant concentration. As reactants are consumed, their concentrations decrease, which reduces the frequency of molecular collisions and slows the reaction. This is why the initial reaction rate is fastest and the rate decreases over time. Understanding this concentration dependence is essential for studying chemical kinetics and optimizing reaction conditions.
Q7: How can average reaction rate be calculated from experimental data?
Average reaction rate is calculated by measuring molar concentrations at the beginning and end of a time interval, then dividing the change in concentration by the change in time. This method provides a single rate value for the entire period. For more precise rate information at specific moments, the instantaneous rate can be determined using the integrated rate law the dependence of concentration on time, which relates concentration changes to specific time points.