13.3
Prawo koncentracji i szybkości reakcji
Na szybkość reakcji wpływa stężenie reagentów. Prawa szybkości (prawa szybkości różnicowej) lub równania szybkości to wyrażenia matematyczne opisujące…
Szybkość reakcji często zależy od stężeń reagentów. Dla każdej reakcji zależność między szybkością reakcji a stężeniami reagentów można wyrazić matematycznie za pomocą prawa szybkości lub równania szybkości.
W prawie szybkości k jest stałą proporcjonalności lub stałą szybkości, a n jest kolejnością reakcji w odniesieniu do pojedynczego reagenta, którego wartość jest często liczbą całkowitą. W prawach szybkości dla reakcji wieloreagentowych ogólna kolejność reakcji jest sumą wszystkich rzędów reagentów.
Dla każdego reagenta szybkość reakcji, stała szybkości, stężenie i kolejność reakcji są określane eksperymentalnie. Prawo stawek wyraża zależność między wszystkimi tymi parametrami.
Poszczególne rzędy reagentów zwykle przyjmują wartości 0, 1 lub 2, a na podstawie ogólnej kolejności reakcji reakcje chemiczne można sklasyfikować jako reakcje zerowego rzędu, pierwszego lub drugiego rzędu.
Reakcja chemiczna z pojedynczym reagentem lub jednocząsteczkowa, dla której szybkość reakcji pozostaje stała przez cały czas jej trwania, jest reakcją zerowego rzędu. Kolejność reagentów w reakcji zerowego rzędu wynosi zero, a zgodnie z prawem szybkości stężenie reagenta jest podnoszone do potęgi zerowej.
Ponieważ wartość dowolnej liczby podniesiona do potęgi zerowej wynosi jeden, szybkość reakcji reakcji zerowego rzędu jest równa stałej szybkości, a zatem niezależna od stężenia reagenta. Dlatego w reakcji zerowego rzędu, nawet gdy stężenie reagenta spada, szybkość reakcji nie zwalnia
.Jednocząsteczkowa reakcja chemiczna, w której szybkość reakcji jest wprost proporcjonalna do stężenia reagenta, jest reakcją pierwszego rzędu. Kolejność reagentów dla reakcji pierwszego rzędu wynosi jeden, a zgodnie z prawem szybkości stężenie reagenta jest podnoszone do pierwszej potęgi.
Ponieważ wartość dowolnej liczby podniesionej do potęgi jednego pozostaje taka sama, szybkość reakcji pierwszego rzędu zależy bezpośrednio od stężenia reagenta. Wraz ze spadkiem stężenia reagenta szybkość reakcji zmniejsza się proporcjonalnie w sposób liniowy.
Jednocząsteczkowa reakcja chemiczna, w której szybkość reakcji zależy od kwadratu stężenia reagenta, jest reakcją drugiego rzędu. Kolejność reagentów wynosi dwa, a stężenie reagenta jest podnoszone do drugiej potęgi.
W związku z tym szybkość reakcji w reakcji drugiego rzędu zależy bezpośrednio od kwadratu stężenia reagenta. Wraz ze spadkiem stężenia reagenta szybkość reakcji maleje wykładniczo w sposób kwadratowy.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a rate law and how does it relate to reactant concentration?
A rate law is a mathematical expression describing the relationship between reaction rate and reactant concentrations. It expresses how the rate depends on the concentration of each reactant raised to a specific power, called the reaction order. The rate law includes the rate constant k, which is specific to a particular reaction at a given temperature, and the reaction orders for each reactant, which are determined experimentally.
Q2: How are reaction orders and the rate constant determined experimentally?
Reaction orders and the rate constant are determined by observing how the reaction rate changes as reactant concentrations vary. A common experimental approach is the method of initial rates, which involves measuring reaction rates using different initial reactant concentrations. Comparing these measured rates allows chemists to determine the reaction orders and subsequently calculate the rate constant to formulate the rate law.
Q3: What happens to the reaction rate in a zero-order reaction as reactant concentration decreases?
In a zero-order reaction, the reaction rate remains constant throughout and is independent of reactant concentration. Since the reactant concentration is raised to the zeroth power in the rate law, any number raised to zero equals one, making the rate equal to the rate constant alone. Therefore, even as the reactant concentration decreases, the reaction rate does not slow down.
Q4: How does reactant concentration affect the rate of a first-order reaction?
In a first-order reaction, the reaction rate is directly and linearly proportional to reactant concentration. The reactant concentration is raised to the first power in the rate law, so the rate depends directly on the concentration value. As the reactant concentration decreases, the reaction rate decreases proportionally in a linear manner.
Q5: Why does a second-order reaction rate decrease exponentially as concentration drops?
In a second-order reaction, the reactant concentration is raised to the second power in the rate law, making the rate dependent on the square of the concentration. This quadratic relationship means small changes in concentration produce larger changes in rate. As reactant concentration decreases, the reaction rate decreases exponentially rather than linearly, following the squared concentration term.
Q6: What is the overall reaction order and how is it calculated?
The overall reaction order is the sum of the individual reaction orders for all reactants in the rate law. For example, in a reaction that is first-order in reactant A and second-order in reactant B, the overall reaction order is three (1 + 2 = 3). The overall order determines the mathematical dependence of the reaction rate on all reactant concentrations combined.
Q7: Can reaction orders be predicted from the stoichiometric coefficients of a reaction?
No, reaction orders cannot be reliably predicted from stoichiometric coefficients. Rate laws are determined by experiment only and must be established through direct observation of how reaction rates change with concentration. Reaction orders can be integers, fractions, negative, or zero, and this experimental determination is essential for accurately describing reaction kinetics.