13.3
Concentração e Lei da Velocidade
A velocidade de uma reação é afetada pelas concentrações de reagentes. As leis de velocidade (leis de velocidade diferencial) ou equações de velocidad…
A taxa de uma reação depende frequentemente das concentrações de reagentes. Para qualquer reação, a relação entre a taxa de reação e as concentrações do reagente podem ser expressas matematicamente utilizando uma lei de taxa ou uma equação. Numa lei de tarifas, k é a constante de proporcionalidade, ou a taxa constante, e n é a ordem de reação com respeito a um único reagente, cujo valor é frequentemente um número inteiro.
Em lei de taxas para reações multi-reagentes, a ordem de reação global é a soma de todas as ordens reagentes. Para cada reagente, a taxa de reação, taxa constante, concentração, e a ordem de reação estão todas determinadas a título experimental. A lei das taxas expressa a relação entre todos estes parâmetros.
Ordens individuais de reagente comumente tomando os valores 0, 1, ou 2, e com base na ordem global da reação reações químicas podem ser categorizadas como ordem zero, primeira ordem, ou reações de segunda ordem. Um único reagente, ou unimolecular, reação química para a qual a taxa de reação permanece constante durante toda a sua duração é uma reação de ordem zero. A ordem do reagente numa reação de ordem zero é zero, e de acordo com a lei de taxas, a concentração do reagente é elevada à potência zero.
Uma vez que o valor de qualquer número elevado à potência zero é um, a taxa de reação de uma reação de ordem zero é igual à constante da taxa e, portanto, independente da concentração do reagente. Portanto, numa reação de ordem zero, mesmo quando o reagente na concentração decresce, a taxa de reação não diminui. Uma reação química unimolecular em que a taxa de reação é diretamente proporcional a a concentração do reagente é uma reação de primeira ordem.
A ordem do reagente para uma reação de primeira ordem é um, e, de acordo com a lei de tarifas, a concentração do reagente é elevada à primeira potência. Uma vez que o valor de qualquer número elevado a primeira potência permanece a mesma, a taxa de uma reação de primeira ordem depende diretamente da concentração do reagente. Como o reagente na concentração decresce, a taxa de reação decresce proporcionalmente de uma forma linear.
Uma reação química unimolecular em que a taxa de reação está dependente do quadrado da concentração do reagente é uma reação de segunda ordem. A ordem dos reagentes é dois, e a concentração do reagente é elevado para a segunda potência. Consequentemente, a taxa de reação numa reação de segunda ordem depende diretamente da taxa da concentração do reagente.
Como o reagente na concentração decresce, a taxa de reação decresce exponencialmente de uma forma quadrática.
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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.