Back to chapter

13.5:

חוק הקצב המשולב: תלות הריכוז בזמן

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
The Integrated Rate Law: The Dependence of Concentration on Time

Languages

Share

משוואת קצב משמשת לקביעת קצב התגובה מריכוזי המגיזים ואת קבועי הקצב ניתן להמיר למשוואות קצב המתארות את התלות של קצב התגובה בריכוז המגיב ובזמן. משוואות קצב אלה יכולות לשמש כדי ללמוד כמה לאט או כמה מהר מגיב נצרך או כמה זמן נדרש כדי להגיע לחצי מהריכוז של מגיב. כדי להתחיל, בחנו את משוואת הקצב הדיפרנציאלית, המבטאת את קצב התגובה כשינוי בריכוז המגיב בפרק זמן מסוים.חישוב אינטגרל על משוואת הקצב נותן את הפיתרון למשוואת הקצב הדיפרנציאלית המבטא את קצב התגובה כקשר בין הריכוז הההתחלתי של מגיב לבין הריכוז שלו לאחר פרק זמן מסוים. אינטגרל משוואת הקצב תלוי בסדר התגובה הכוללת ולכן משתנה עבור כל סוג תגובה. יחד עם זאת, ללא תלות בסדר הכולל, כל פתרונות משוואות הקצב הם כמשוואות ליניאריות סטנדרטיות עם רכיבי y, m, x ו-b הניתנות לשרטוט לכדי יצירית קו ישר.באינטגרל משוואת קצב דיפרנציאלית מסדר אפס t הוא ריכוז המגיב בזמן _t k הוא קבוע הקצב, t הוא זמן ו-0_[A]הוא ריכוז המגיב ההתחלתי. בתגובה מסדר אפס, שרטוט של ריכוז המגיב כפונקציה של זמן תייצר קו ישר. השיפוע הוא הערך השלילי של קבוע הקצב והחיתוך עם ציר ה-y הוא ריכוז המגיב ההתחלתי.בתגובה מסדר ראשון, הלוגריתם הטבעי של ריכוז מגיב המשורטט כפונקציה של זמן נותן קו ישר. השיפוע תואם לערך השלילי של קבוע הקצב, בעוד שערך נקודת החיתוך עם ה-y נותן את הלוגריתם הטבעי של ריכוז המגיב ההתחלתי. לפי האינטגרל של משוואת הסדר השני, שרטוט הערך ההופכי של ריכוז המגיב לעומת הזמן נותן קו ישר.השיפוע שווה לקבוע הקצב, והערך בנקודת החיתוך עם ציר ה-y מייצג את הערך ההופכי של ריכוז המגיב ההתחלתי. את הסדר הכולל של התגובה ניתן לזהות באמצעות נתונים קינטיים נסיוניים על ידי שרטוט האינטגרלים של משוואות הקצב השונות. רק השרטוט שיניב גרף הליניארי תואם לסדר התגובה הכולל.ניתוח נוסף מאפשר לקבוע את קבוע הקצב ואת ריכוז המגיב בכל זמן נתון.

13.5:

חוק הקצב המשולב: תלות הריכוז בזמן

While the differential rate law relates the rate and concentrations of reactants, a second form of rate law called the integrated rate law relates concentrations of reactants and time. Integrated rate laws can be used to determine the amount of reactant or product present after a period of time or to estimate the time required for a reaction to proceed to a certain extent. For example, an integrated rate law helps determine the length of time a radioactive material must be stored for its radioactivity to decay to a safe level.

Using calculus, the differential rate law for a chemical reaction can be integrated with respect to time to give an equation relating the reactant/product amount to the elapsed time of the reaction.

First-Order Reactions

Integration of the rate law for a simple first-order reaction (rate = k[A]) results in an equation describing the variation in reactant concentration with time:

 Eq1

Here, [A]t is the concentration of A at any time t, [A]0 is the initial concentration of A, and k is the first-order rate constant. For mathematical convenience, this equation is rearranged to a format showing a linear dependence of concentration on time that takes the form of a straight-line equation (y = mx + b):        

 Eq2

The equation suggests that a plot of ln[A]t versus t for a first-order reaction is a straight line with a slope of −k and a y-intercept of ln[A]0. If a set of rate data are plotted in this fashion but do not result in a straight line, the reaction is not first order in A.

Second-Order Reactions

The differential rate law for a simple second-order reaction is rate = k[A]2, and the integrated rate law is:

Eq3

The second-order integrated rate law also takes the form of the equation for a straight line. According to the equation, a plot of 1/[A]t versus t for a second-order reaction is a straight line with a slope of k and a y-intercept of 1/[A]0. If the plot is not a straight line, then the reaction is not second-order.

Zero-Order Reactions           

For zero-order reactions, the differential rate law is rate = k. A zero-order reaction exhibits a constant reaction rate, regardless of the concentration of its reactant(s). Zero-order kinetics are observed for some reactions only under certain specific conditions. These same reactions exhibit different kinetic behaviors when the specific conditions aren’t met, and for this reason, the more prudent term pseudo-zero-order is sometimes used.                            

The integrated rate law for a zero-order reaction is also a linear function, taking the form of y = mx + b:                 

 Eq4

A plot of [A] versus time t for a zero-order reaction is a straight line with a slope of −k and a y-intercept of [A]0.

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 12.4: Integrated Rate Laws.