Back to chapter

13.4:

קביעת סדר התגובה

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Determining Order of Reaction

Languages

Share

עבור תגובה כימית, משוואת הקצב מבטאת את הקשר בין קצב התגובה וריכוז המגיב. המעריכים של ריכוזי מגיב משפיעים על קצב התגובה באופן פרטני ונקראים סדרי תגובה. סדר התגובה נקבע בניסוי באמצעות יישום שיטת הקצבים ההתחלתיים, שבהם תגובה כימית מבוצעת כמה פעמים עם ריכוזי מגיבים משתנים כדי למדוד את קצבי התגובה ההתחלתי.עלייה בריכוז המגיב, המייצרת עלייה פרופורציונלית באופן ליניארי בקצב התגובה, מאפיינת תגובה מסדר ראשון. אם הכפלה של ריכוז המגיב מכפילה פי ארבעה את הקצב ההתחלתי, אז התצפית מעידה על תגובה מסדר שני. לעומת זאת, אם השינוי בריכוזי המגיב אינו משפיע על ערכי הקצב ההתחלתי, התצפית מעידה על תגובה מסדר אפס.כשהנתונים שהתקבלו על קצבים ראשוניים אינם מציגים קשר ברור בין השינוי בריכוז המגיב לקצב המתאים, מחושב יחס על פי משוואות הקצב. כאן כל שני ערכי ריכוז של המגיב ושל קצב התגובה התואמים לו משמשים כדי לקבוע את סדר התגובה. אך מה לגבי תגובות עם כמה מגיבים?ראשית, באמצעות השיטה של קצבים התחלתיים, קצב התגובה של כל מגיב נקבע בנפרד. לאחר מכן, הקצבים הנפרדים מבוטאים כמעריכים של ריכוזי המגיבים התואמים שלהם כדי לבנות משוואת קצב. לבסוף, סכום המעריכים הנפרדים ממשוואת הקצב קובעים את סדר התגובה הכולל.בעוד שסדר התגובה מייצג את התלות של קצב התגובה בריכוז המגיב, מדד ישיר של מהירות התגובה היחסית מסומן על ידי קבוע הקצב. קבוע הקצב k הוא קבוע הפרופורציה המקשר בין קצב התגובה למכפלה של ריכוזי המגיבים. היחידה של קבוע קצב תלויה בסדר התגובה הכולל ויכולה להיקבע על ידי ארגון מחדש של משוואת הקצב כדי לפתור אותה עבור קבוע הקצב.בתגובה מסדר אפס, ל k יחידות של מולריות לשנייה. יחידת המידה לתגובה מסדר ראשון היא 1 חלקי שנייה, ולתגובה מסדר שני, 1 חלקי מולריות לשנייה. קבוע קצב גדול מעיד על תגובה מהירה.לעומת זאת, קבוע קצב נמוך יותר מעיד על תגובה איטית. ערך של אפס מעיד על היעדרה של כל תגובה כימית.

13.4:

קביעת סדר התגובה

Rate laws describe the relationship between the rate of a chemical reaction and the concentration of its reactants. In a rate law, the rate constant k and the reaction orders are determined experimentally by observing how the rate of reaction changes as the concentrations of the reactants are changed. A common experimental approach to the determination of rate laws is the method of initial rates. This method involves measuring reaction rates for multiple experimental trials carried out using different initial reactant concentrations. Comparing the measured rates for these trials permits determination of the reaction orders and, subsequently, the rate constant, which together are used to formulate a rate law.

The rate of a reaction, for example, involving nitric oxide with ozone [NO (g) + O3 (g) ⟶ NO2 (g) + O2 (g)] can be determined from the experimental data of method of initial rates,  in the laboratory.

  Trial      [NO] (mol/L) [O3] (mol/L)   Δ[NO2]/Δt (mol/L·s) 
1      1.00 × 10−6         3.00 × 10−6        6.60 × 10−5    
2 1.00 × 10−6 6.00 × 10−6 1.32 × 10−4
3 1.00 × 10−6 9.00 × 10−6 1.98 × 10−4
4 2.00 × 10−6 9.00 × 10−6 3.96 × 10−4
5 3.00 × 10−6 9.00 × 10−6 5.94 × 10−4

From the rate data, a generic rate law; rate = k[NO]m[O3]n is formulated. The values of the reaction orders m and n, and rate constant k are determined from the experimental data using a three-part process:

In step 1, the value of m is determined from the data in which [NO] varies, and [O3] is constant. In trials 3, 4 and 5, [NO] varies while [O3] remains constant. When [NO] doubles from trial 3 to 4, the rate doubles, and when [NO] triples from trial 3 to 5, the rate also triples. Thus, the rate is also directly proportional to [NO], and m in the rate law is equal to 1.

In step 2, the value of n is determined from data in which [O3] varies, and [NO] is constant. In trials 1,2 and 3, [NO] is constant and [O3] varies. The reaction rate changes in direct proportion to the change in [O3]. When [O3] doubles from trial 1 to 2, the rate doubles; when [O3] triples from trial 1 to 3, the rate increases also triples. Thus, the rate is directly proportional to [O3], and n is equal to 1. The rate law is thus: rate = k [NO]1 [O3]1 = k [NO][O3]

In step 3, the value of k is determined from one set of concentrations (for instance, the data from trial 1) and its corresponding rate.

Eq1

In reactions where the data from the method of initial rates does not directly imply the relation between initial concentrations and initial rates, a calculation involving the ratio of rate laws can be employed to calculate the reaction order and rate constant.

For example, the general rate law for the reaction 2 NO (g) + Cl2 (g) ⟶ 2 NOCl (g) is expressed as: rate = k [NO]m [Cl2]n.

The data from the method of initial rates are:

  Trial      [NO] (mol/L)    [Cl2] (mol/L)    Initial Rate (mol/L·s)    
1 0.10 0.10 0.00300
2 0.10 0.15 0.00450
3 0.15 0.10 0.00675

The values of m and n can be determined from the experimental data using an algebraic approach, following which the value of k is determined.

In step 1, the value of m is determined from the data in which [NO] varies and [Cl2] is constant. A ratio of rate laws is expressed by substituting data from two different trials (for instance trial 3 and trial 1).

Eq2

In step 2, the value of n is determined from data in which [Cl2] varies, and [NO] is constant.

Eq4

Using the computed values of m and n the rate law is expressed as rate = k [NO]2 [Cl2].

In step 3, the numerical value of the rate constant k is determined with appropriate units. The units for the rate of a reaction are mol/L·s. The units for k is concluded by substituting the units of all other parameters in the rate law. In this example, the concentration units are mol3/L3. The units for k should be L2/mol2·s so that the rate is in terms of mol/L·s. The value of k is determined once the rate law expression has been solved, by simply substituting the values from any of the experimental trials (for instance trial 1).

Eq5

Reaction Order and Rate Constant Units

In some reactions, the reaction orders in the rate law happen to be the same as the coefficients in the chemical equation for the reaction. This is merely a coincidence and very often not the case. Rate laws may exhibit fractional orders for some reactants, and negative reaction orders are sometimes observed when an increase in the concentration of one reactant causes a decrease in reaction rate. Rate laws are determined by experiment only and are not reliably predicted by reaction stoichiometry.

The units for a rate constant will vary as appropriate to accommodate the overall order of the reaction. The unit of the rate constant for a zero-order reaction is mol/L·s (or M/s) and that for a first-order reaction is 1/s. The unit of the rate constant for a second-order reaction is L/mol·s (or 1/M·s) and that for a third-order reaction is L2/mol2·s. Although the specific units for concentration and time are indicated as (mol/L) and (s), any other valid units can be used to represent the properties of concentration and time.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 12.3: Rate Laws.