Зависимость от концентрации

Мера того, насколько быстро протекает реакция, называется скоростью реакции. Для одноступенчатой реакции скорость равна изменению концентрации каждого реагента или продукта с течением времени, умноженному на обратный соответствующий стехиометрический коэффициент. Изменение концентрации с течением времени можно представить себе как концентрацию в момент времени t за вычетом начальной концентрации, деленной на t. Скорость реакции всегда положительная, поэтому реагентные выражения имеют отрицательные знаки. Эти скорости могут быть неравны в многоступенчатых реакциях, но мы все равно можем использовать эту зависимость в качестве оценки для общей реакции.

Закон скорости, или уравнение скорости, описывает соотношение между скоростью реакции и концентрацией реагентов. В этом уравнении k — константа скорости, A и B — два реагента, а m и n — соответствующие порядки реакций. Порядок реакции описывает взаимосвязь между концентрацией реагента и скоростью и не связан со стехиометрией. Важно помнить, что порядок реакции не совпадает с коэффициентом реагента в сбалансированном уравнении.

Когда в реакции участвуют два или более реагента, мы должны учитывать порядок реакции для каждого из них. Общий порядок реакции равен сумме порядков реакции реагентов. Например, если реагент А является веществом первого порядка, а реагент В — нулевым порядком, то общий порядок реакции равен единице. Наиболее распространенными порядками реакций в простых реакциях являются нулевые, первого и второго порядка. Давайте рассмотрим их на примере одномолекулярной реакции.

Если реакция нулевого порядка, то концентрация реагента не влияет на скорость реакции. Таким образом, скорость реакции равна k, постоянной скорости. График скорости реакции по отношению к концентрации представляет собой горизонтальную линию.

В соотношении первого порядка концентрация реагента линейно связана со скоростью реакции. Таким образом, скорость равна константе скорости, умноженной на концентрацию реагента. График скорости реакции по отношению к концентрации будет линейным, с k в качестве наклона.

Если реакция второго порядка, то существует квадратичная зависимость между концентрацией и скоростью. Таким образом, скорость равна константе скорости, умноженной на квадрат концентрации. График скорости по отношению к концентрации будет параболическим, где k будет наклоном.

Константа скорости, k, является зависящей от температуры величиной, которая связывает энергию активации реакции со скоростью реакции. Вы узнаете об этом в следующем лабораторном эксперименте.

Скорость реакции обычно указывается в молях на литр в секунду. Скорость имеет одинаковые единицы, независимо от порядка реакции. Таким образом, константа скорости имеет разные единицы измерения, в зависимости от порядка реакции. Например, если A — это первый порядок, а B — нулевой порядок, то в уравнении скорости мы имеем один экземпляр молей на литр. Следовательно, константа скорости должна быть обратной в секундах.

Так как же мы определяем порядок реакции? Порядок реакции должен быть определен экспериментально с помощью серии тестов. Если у вас есть два реагента, один из методов заключается в том, чтобы поддерживать концентрацию одного реагента постоянной, изменять другой и измерять время, необходимое для производства определенного количества продукта. Тот же процесс повторяется для второго реагента. Затем вы можете оценить порядок для каждого реагента, построив график скорости в зависимости от изменяющейся концентрации реагентов и увидев, выглядит ли он как график нулевого, первого или второго порядка. Сопоставление ваших данных с соответствующим уравнением скорости также позволит вам вычислить k.

В этой лабораторной работе вы определите порядок реакции двух реагентов, изменяя их концентрацию и замеря, сколько времени требуется для того, чтобы реакция протекала до превращения раствора в непрозрачный.