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 pewnej właściwości, która może być powiązana z ilością reagenta lub produktu. Na przykład szybkości reakcji, w których zużywane są lub wytwarzają substancje gazowe, dogodnie określa się poprzez pomiar zmian objętości lub ciśnienia.

Matematyczne przedstawienie zmiany stężenia reagentów i produktów w czasie jest wyrażeniem szybkości reakcji. Nawiasy wskazują stężenia molowe, a symbol delta (Δ) oznacza „zmianę w”.

Na przykład stężenie nadtlenku wodoru, H2O2, w roztworze wodnym zmienia się powoli w czasie, rozkładając się zgodnie z równaniem:

Szybkość rozkładu nadtlenku wodoru można wyrazić szybkością zmiany jego stężenia:

Zatem [H2O2]t1 oznacza stężenie molowe nadtlenku wodoru w czasie t1. Podobnie [H2O2]t2 oznacza stężenie molowe nadtlenku wodoru w późniejszym czasie t2 oraz Δ[H2O2] oznacza zmianę stężenia molowego nadtlenku wodoru w przedziale czasu Δt (tj. t2 – t1). Ponieważ stężenie reagenta maleje w miarę postępu reakcji, Δ[H2O2] jest wielkością ujemną. Szybkości reakcji są umownie wielkościami dodatnimi, zatem tę ujemną zmianę stężenia mnoży się przez -1.

Średnia szybkość reakcji i chwilowa szybkość reakcji

Szybkość reakcji zmienia się w czasie i maleje wraz z postępem reakcji. Średnią szybkość reakcji w danym przedziale czasu można obliczyć na podstawie stężeń na początku i na końcu tego okresu, w którym zmienia się szybkość reakcji. W dowolnym momencie szybkość, z jaką przebiega reakcja, nazywana jest jej szybkością chwilową. Chwilowa szybkość reakcji w „czasie zerowym”, kiedy reakcja się rozpoczyna, jest jej szybkością początkową.

Chwilową szybkość reakcji można określić na jeden z dwóch sposobów. Jeżeli warunki eksperymentalne pozwalają na pomiar zmian stężeń w krótkich odstępach czasu, wówczas obliczenie średnich szybkości zapewnia dość dobre przybliżenie szybkości chwilowych. Alternatywnie można zastosować procedurę graficzną. Na przykład w przykładzie rozkładu nadtlenku wodoru, wykreślając stężenie nadtlenku wodoru w funkcji czasu, chwilową szybkość rozkładu H2O2 można obliczyć w dowolnym momencie „t” z nachylenia stycznej poprowadzonej do krzywej w tym czasie.

Ten wykres przedstawia wykres stężenia w funkcji czasu dla 1000 M roztworu H2O2. Szybkość w dowolnym momencie jest równa ujemnemu nachyleniu linii stycznej do krzywej w tym momencie. Styczne pokazano w t = 0 h („szybkość początkowa”) i w t = 12 h („szybkość chwilowa” w 12 h).

Względne szybkości reakcji

Szybkość reakcji można wyrazić jako zmianę stężenia dowolnego reagenta lub produktu. Dla dowolnej reakcji wszystkie te wyrażenia szybkości są ze sobą powiązane zgodnie ze stechiometrią reakcji. Szybkość ogólnej reakcji aA ⟶ bB można wyrazić w postaci spadku stężenia A lub wzrostu stężenia B. Te dwa wyrażenia szybkości są powiązane stechiometrią reakcji, gdzie:

Należy zauważyć, że jako współczynnik uwzględniający przeciwne znaki dwóch zmian ilości uwzględniono znak ujemny (ilość reagenta zmniejsza się, podczas gdy ilość produktu rośnie).

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.