13.3
Закон о концентрации и скорости
На скорость реакции влияют концентрации реагентов. Законы нормы (законы о дифференциальной скорости) или уравнения ставок — это математические выражен…
Скорость реакции часто зависит от концентраций исходных веществ. Для любой реакции взаимосвязь между скоростью реакции и концентрациями исходных веществ может быть выражена математически с использованием закона скорости или уравнения скорости. В законе скорости k константа пропорциональности или константа скорости, а n порядок реакции по отношению к одному исходному веществу, значение которого часто является целым числом.
В законах скорости для реакций с множеством исходных веществ общий порядок реакции является суммой всех порядков исходных веществ. Для каждого исходного вещества скорость реакции, константа скорости, концентрация и порядок реакции определяются экспериментально. Закон скорости выражает взаимосвязь между всеми этими параметрами.
Индивидуальные порядки исходных веществ обычно принимают значения 0, 1 или 2, и на основе общего порядка реакции химические реакции могут быть разделены на реакции нулевого, первого или второго порядка. Однореагентная или мономолекулярная химическая реакция, скорость которой остается постоянной на протяжении всего времени ее протекания, является реакцией нулевого порядка. Порядок исходных веществ в реакции нулевого порядка равен нулю, и в соответствии с законом скорости концентрация исходных веществ возводится в нулевую степень.
Поскольку значение любого числа, возведенного в нулевую степень, равно единице, скорость реакции нулевого порядка равна константе скорости и, следовательно, не зависит от концентрации исходного вещества. Следовательно, в реакции нулевого порядка, даже если концентрация исходного вещества уменьшается, скорость реакции не замедляется. Мономолекулярная химическая реакция, скорость которой прямо пропорциональна концентрации исходного вещества, является реакцией первого порядка.
Порядок исходных веществ для реакции первого порядка равен единице, и согласно закону скорости концентрация исходного вещества возводится в первую степень. Поскольку значение любого числа, возведенного в степень единицы, остается неизменным, скорость реакции первого порядка напрямую зависит от концентрации исходного вещества. По мере уменьшения концентрации исходного вещества скорость реакции пропорционально линейно уменьшается.
Мономолекулярная химическая реакция, где скорость реакции зависит от квадрата концентрации исходного вещества, является реакцией второго порядка. Порядок исходных веществ равен двум, и концентрация исходных веществ возводится во вторую степень. Соответственно, скорость реакции второго порядка напрямую зависит от квадрата концентрации исходного вещества.
По мере уменьшения концентрации исходного вещества скорость реакции уменьшается экспоненциально со степенью 2.
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.