13.4
Определение порядка реакции
Законы скорости описывают взаимосвязь между скоростью химической реакции и концентрацией реагентов. В законе о скорости константа скорости k и порядки…
Для химической реакции закон скорости выражает взаимосвязь между скоростью реакции и концентрацией исходного вещества. Показатели концентраций исходных веществ влияют на скорость реакции по отдельности и называются порядками реакции. Порядок реакции определяется экспериментально с использованием метода начальных скоростей, при котором химическая реакция повторяется несколько раз с различными концентрациями исходных веществ для измерения начальных скоростей реакции.
Увеличение концентрации исходного вещества, приводящее к линейному пропорциональному увеличению скорости реакции, характеризует реакцию первого порядка. Если удвоение концентрации исходного вещества увеличивает начальную скорость в четыре раза, то перед нами реакция второго порядка. Однако если изменение концентрации исходного вещества не влияет на начальные значения скорости, то перед нами реакция нулевого порядка.
Когда полученные данные начальных скоростей показывают неявную зависимость между изменением начальной концентрации исходного вещества и соответствующей скоростью, рассчитывается соотношение законов скорости. Здесь любые два значения концентрации исходных веществ и их соответствующие скорости реакции используются для определения порядка реакции. Но как насчет реакций с несколькими исходными веществами?
Сначала отдельно определяется порядок реакции каждого исходного вещества с помощью метода начальных скоростей. Затем отдельные порядки реакций выражаются в показателях их соответствующих концентраций исходных веществ, чтобы сформулировать закон скорости. Наконец, сумма индивидуальных показателей из закона скорости определяет общий порядок реакции.
В то время как порядок реакции отображает зависимость скорости реакции от концентрации исходного вещества, прямая мера относительной скорости реакции указывается константой скорости. Константа скорости k представляет собой коэффициент пропорциональности, связывающий скорость реакции с произведением концентраций исходных веществ. Единица измерения константы скорости зависит от общего порядка реакции и может быть определена путем изменения закона скорости, чтобы найти константу скорости.
Для реакции нулевого порядка k соответствует единице молярности в секунду. Единица измерения для реакции первого порядка единица, деленная на секунду, а для реакции второго порядка единица, деленная на моль-секунду. Большая константа скорости указывает на быструю реакцию.
И наоборот, меньшая константа скорости указывает на медленную реакцию. Нулевое значение означает отсутствие какой-либо химической реакции.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is the method of initial rates and how is it used to determine reaction order?
The method of initial rates involves repeating a chemical reaction multiple times with varying reactant concentrations to measure initial reaction rates. By comparing how the rate changes when concentration changes, you can determine the reaction order for each reactant. If doubling concentration doubles the rate, the reaction is first-order; if it quadruples the rate, it is second-order.
Q2: How do you determine the overall reaction order for a reaction with multiple reactants?
First, use the method of initial rates to determine the reaction order of each reactant individually by varying one reactant while keeping others constant. Then express these individual orders as exponents in the rate law equation. The overall reaction order equals the sum of all individual exponents from the rate law.
Q3: What does the rate constant represent and how does its value relate to reaction speed?
The rate constant k is the proportionality coefficient in the rate law that relates reaction rate to reactant concentrations. A large rate constant indicates a fast reaction, while a smaller rate constant indicates a slow reaction. A value of zero signifies the absence of any chemical reaction.
Q4: Why do rate constant units vary depending on the overall reaction order?
Rate constant units depend on the overall reaction order because the rate law must always produce rate units of mol/L·s. For zero-order reactions, k has units of mol/L·s. For first-order, k is 1/s. For second-order, k is 1/M·s. The units adjust so that multiplying k by concentration terms yields the correct rate units.
Q5: What is a ratio of rate laws and when is it used?
A ratio of rate laws is an algebraic approach used when initial rate data does not directly show the relationship between concentration and rate. By dividing one rate law equation by another using data from two different trials, concentration terms cancel out, allowing you to solve for the reaction order without calculating the rate constant first.
Q6: How do you calculate the rate constant once you know the reaction order?
Once you determine the reaction order and formulate the rate law, substitute the concentration and rate values from any experimental trial into the rate law equation. Solve algebraically for k. The units of k are determined by rearranging the rate law so that rate units of mol/L·s are produced when k is multiplied by the concentration terms.
Q7: Can reaction orders be predicted from the stoichiometric coefficients in a chemical equation?
No. Although reaction orders sometimes coincidentally match stoichiometric coefficients, this is not reliable. Rate laws may exhibit fractional orders or negative orders, and they are determined experimentally only. Stoichiometry alone cannot predict how reactant concentration affects reaction rate. The integrated rate law the dependence of concentration on time provides predictive tools instead.