Dependência de Concentração
Cinética Química e a Lei da Taxa de Reação
A cinética química refere-se à taxa ou velocidade de uma reação química. A taxa depende do mecanismo, compl…
A medida da rapidez com que uma reação ocorre é chamada de taxa de reação. Para uma reação de etapa única, a taxa é igual à mudança na concentração de cada reagente ou produto ao longo do tempo multiplicada pelo inverso do coeficiente estequiométrico correspondente. Você pode pensar na mudança na concentração ao longo do tempo como a concentração no tempo t menos a concentração inicial dividida por t. As taxas de reação são sempre positivas, então as expressões do reagente têm sinais negativos. Essas taxas podem não ser iguais em reações de várias etapas, mas ainda podemos usar essa relação como uma estimativa para a reação geral.
A lei de taxa, ou equação de taxa, descreve a relação entre a velocidade da reação e as concentrações do reagente. Nesta equação, k é a constante de taxa, A e B são os dois reagentes e m e n são suas respectivas ordens de reação. A ordem da reação descreve a relação entre a concentração de um reagente e a taxa e não está relacionada à estequiometria. É vital lembrar que a ordem da reação não é a mesma que o coeficiente do reagente na equação balanceada.
Quando uma reação envolve dois ou mais reagentes, devemos considerar a ordem de reação para cada reagente. A ordem geral da reação é igual à soma das ordens de reação dos reagentes. Por exemplo, se o reagente A é de primeira ordem e o reagente B é de ordem zero, a ordem geral da reação é um. As ordens de reação mais comuns em reações simples são ordem zero, primeira ordem e segunda ordem. Vamos examiná-los usando uma reação unimolecular como exemplo.
Se a reação for de ordem zero, a concentração do reagente não terá efeito na taxa de reação. Assim, a taxa de reação é igual a k, a constante de taxa. Um gráfico da taxa de reação em relação à concentração é uma linha horizontal.
Nas relações de primeira ordem, a concentração do reagente está linearmente relacionada à taxa de reação. Assim, a taxa é igual à constante de taxa vezes a concentração do reagente. Um gráfico da taxa de reação em relação à concentração será linear, com k como inclinação.
Se a reação for de segunda ordem, há uma relação quadrática entre a concentração e a taxa. Assim, a taxa é igual à constante de taxa vezes a concentração ao quadrado. Um gráfico da taxa em relação à concentração será parabólico, com k como inclinação.
A constante de taxa, k, é um valor dependente da temperatura que relaciona a energia de ativação da reação com a taxa de reação. Você explorará isso no próximo experimento de laboratório.
As taxas de reação são normalmente dadas em moles por litro por segundo. A taxa tem as mesmas unidades, independentemente da ordem de reação. Assim, a constante de taxa tem unidades diferentes, dependendo da ordem de reação. Por exemplo, se A é de primeira ordem e B é de ordem zero, então temos uma instância de moles por litro na equação de taxa. Portanto, a constante de taxa deve estar em segundos inversos.
Então, como determinamos a ordem de reação? A ordem de reação deve ser determinada experimentalmente por meio de uma série de testes. Se você tiver dois reagentes, um método é manter a concentração de um reagente constante, variar o outro e cronometrar quanto tempo leva para fazer uma certa quantidade de produto. O mesmo processo é repetido para o segundo reagente. Você pode então estimar a ordem de cada reagente plotando a taxa versus a concentração variável dos reagentes e vendo se ela se parece com um gráfico de zero, primeira ou segunda ordem. Combinar seus dados com a equação de taxa correspondente também permitirá que você calcule k.
Neste laboratório, você determinará as ordens de reação de dois reagentes variando suas concentrações e cronometrando quanto tempo leva para a reação progredir para tornar a solução opaca.
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A medida da rapidez com que uma reação ocorre é chamada de taxa de reação. Para uma reação de etapa única, a taxa é igual à mudança na concentração de cada reagente ou produto ao longo do tempo multiplicada pelo inverso do coeficiente estequiométrico correspondente. Você pode pensar na mudança na concentração ao longo do tempo como a concentração no tempo t menos a concentração inicial dividida por t. As taxas de reação são sempre positivas, então as expressões do reagente têm sinais negativos. Essas taxas podem não ser iguais em reações de várias etapas, mas ainda podemos usar essa relação como uma estimativa para a reação geral.
A lei de taxa, ou equação de taxa, descreve a relação entre a velocidade da reação e as concentrações do reagente. Nesta equação, k é a constante de taxa, A e B são os dois reagentes e m e n são suas respectivas ordens de reação. A ordem da reação descreve a relação entre a concentração de um reagente e a taxa e não está relacionada à estequiometria. É vital lembrar que a ordem da reação não é a mesma que o coeficiente do reagente na equação balanceada.
Quando uma reação envolve dois ou mais reagentes, devemos considerar a ordem de reação para cada reagente. A ordem geral da reação é igual à soma das ordens de reação dos reagentes. Por exemplo, se o reagente A é de primeira ordem e o reagente B é de ordem zero, a ordem geral da reação é um. As ordens de reação mais comuns em reações simples são ordem zero, primeira ordem e segunda ordem. Vamos examiná-los usando uma reação unimolecular como exemplo.
Se a reação for de ordem zero, a concentração do reagente não terá efeito na taxa de reação. Assim, a taxa de reação é igual a k, a constante de taxa. Um gráfico da taxa de reação em relação à concentração é uma linha horizontal.
Nas relações de primeira ordem, a concentração do reagente está linearmente relacionada à taxa de reação. Assim, a taxa é igual à constante de taxa vezes a concentração do reagente. Um gráfico da taxa de reação em relação à concentração será linear, com k como inclinação.
Se a reação for de segunda ordem, há uma relação quadrática entre a concentração e a taxa. Assim, a taxa é igual à constante de taxa vezes a concentração ao quadrado. Um gráfico da taxa em relação à concentração será parabólico, com k como inclinação.
A constante de taxa, k, é um valor dependente da temperatura que relaciona a energia de ativação da reação com a taxa de reação. Você explorará isso no próximo experimento de laboratório.
As taxas de reação são normalmente dadas em moles por litro por segundo. A taxa tem as mesmas unidades, independentemente da ordem de reação. Assim, a constante de taxa tem unidades diferentes, dependendo da ordem de reação. Por exemplo, se A é de primeira ordem e B é de ordem zero, então temos uma instância de moles por litro na equação de taxa. Portanto, a constante de taxa deve estar em segundos inversos.
Então, como determinamos a ordem de reação? A ordem de reação deve ser determinada experimentalmente por meio de uma série de testes. Se você tiver dois reagentes, um método é manter a concentração de um reagente constante, variar o outro e cronometrar quanto tempo leva para fazer uma certa quantidade de produto. O mesmo processo é repetido para o segundo reagente. Você pode então estimar a ordem de cada reagente plotando a taxa versus a concentração variável dos reagentes e vendo se ela se parece com um gráfico de zero, primeira ou segunda ordem. Combinar seus dados com a equação de taxa correspondente também permitirá que você calcule k.
Neste laboratório, você determinará as ordens de reação de dois reagentes variando suas concentrações e cronometrando quanto tempo leva para a reação progredir para tornar a solução opaca.
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Q1: What is the difference between reaction order and stoichiometric coefficients?
Reaction order describes how reactant concentration affects reaction rate and must be determined experimentally. Stoichiometric coefficients are the numbers in the balanced chemical equation and do not determine reaction order. For example, a reactant with a coefficient of 2 could be zero-order, first-order, or second-order depending on its actual relationship to the reaction rate.
Q2: How does concentration affect the reaction rate in a zero-order reaction?
In a zero-order reaction, reactant concentration has no effect on the reaction rate. The rate equals only the rate constant k, making the reaction rate independent of how much reactant is present. A graph of reaction rate versus concentration appears as a horizontal line.
Q3: What is the mathematical relationship between concentration and rate in first-order reactions?
In first-order reactions, reactant concentration is linearly related to the reaction rate. The rate equation is rate = k[A], where k is the rate constant and [A] is the reactant concentration. Doubling the concentration doubles the reaction rate, and the graph is linear with slope k.
Q4: How does doubling a reactant's concentration affect a second-order reaction?
In second-order reactions, there is a quadratic relationship between concentration and rate. When you double the reactant concentration, the reaction rate increases by a factor of four. The rate equation is rate = k[A]², and the concentration-versus-rate graph appears parabolic.
Q5: Why does the rate constant have different units depending on reaction order?
The rate constant k must have units that make the overall rate expression equal moles per liter per second. For zero-order reactions, k has units M/s. For first-order, k is 1/s. For second-order, k is 1/(M·s). The units adjust so the rate always has consistent dimensions regardless of reaction order.
Q6: What experimental method is used to determine the reaction order of each reactant?
To determine reaction order, hold one reactant's concentration constant while varying the other, then measure the time for the reaction to progress to a visible endpoint. Repeat for each reactant. Compare how reaction time changes with concentration: constant time indicates zero-order, linear changes indicate first-order, and a factor-of-four change when concentration doubles indicates second-order.
Q7: How is the overall reaction order calculated when a reaction has multiple reactants?
The overall reaction order is the sum of the individual reaction orders for each reactant. For example, if reactant A is first-order (m = 1) and reactant B is zero-order (n = 0), the overall reaction order is one. This sum determines how the combined concentrations of all reactants affect the total reaction rate.