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13.5:

積分速度則:反応濃度と時間

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Chemistry
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The Integrated Rate Law: The Dependence of Concentration on Time

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A rate law used to determine the reaction rate from reactant concentrations and rate constants can be converted into rate laws demonstrating the dependence of reaction rate on reactant concentration and time. These rate laws can be used to study how slowly or quickly a reactant is consumed, or how much time is necessary to reach half the concentration of a reactant. To begin, examine the differential rate law, which expresses the reaction rate as a change in reactant concentration during a specific time interval. Integration of this law leads to the integrated rate law, which expresses the reaction rate as a relation between a reactant’s initial concentration and its concentration after a specific duration. The integrated rate law is dependent on the overall reaction order and, hence, varies for each reaction type. However, irrespective of the overall order, all integrated rate laws take the form of a standard linear equation with distinct y, m, x, and b components, and can be plotted to generate a straight line. In a zero-order integrated rate law, [A]t is the reactant concentration at the time t, k is the rate constant, t is the time, and [A]0 is the initial reactant concentration. For a zero-order reaction, a plot of the reactant concentration as a function of time generates a straight line. The slope is the negative value of the rate constant, and the y-intercept is the initial reactant concentration. In a first-order reaction, the natural log of reactant concentration plotted as a function of time gives a straight line. The slope corresponds to the negative value of the rate constant, while the y-intercept gives the natural log of the initial reactant concentration. According to the second-order integrated rate law, a plot of the inverse of the reactant concentration versus time yields a straight line. The slope equates to the rate constant, and the y-intercept represents the inverse of the initial reactant concentration. The overall reaction order can be identified using experimental kinetic data by plotting the different integrated rate laws. Only the plot with a linear graph corresponds to the correct overall reaction order. Subsequent analysis allows determining the rate constant and reactant concentration at any given time.

13.5:

積分速度則:反応濃度と時間

微分速度則が速度と反応物濃度に関係するのに対し、積分速度則と呼ばれる第2の速度論は、反応物濃度と時間に関係します。積分速度則は、一定時間後に存在する反応物や生成物の量を決定したり、反応がある程度進行するのに必要な時間を推定したりするのに使用できます。例えば、放射性物質の放射能が安全なレベルまで減衰するために保管しなければならない期間を決定する際に、積分速度則が役立ちます。

微積分を用いて、化学反応の微分速度則を時間に対して積分すると、反応物・生成物の量と反応の経過時間を関係付ける式が得られます。

一次反応

単純な一次反応(反応速度= k[A])の反応速度式を積分すると、反応物濃度の経時変化を表す方程式が得られます。

  Eq1

ここで、[A] tは任意の時点tにおけるAの濃度、[A]0はAの初期濃度、kは一次速度定数です。数学的に扱いやすくするため、濃度の線形依存性を示す式に変更すると次のようになります。(y = mx + b):        

  Eq2

この方程式は、1次のln[A]ttのプロットを示しています。反応は、傾きが−ky切片がln[A]0の直線です。一連の速度データをこの方法でプロットしても直線状にならない場合、反応はAの1次ではありません。

二次反応

単純な二次反応の微分速度則は、rate = k[A]2,であり、積分速度則は、次の通りです。

Eq3

二次の積分速度則もまた、直線の方程式の形をとります。この式によれば、二次反応の1/[A]ttのプロットは、傾きがk、y切片が1/[A]0の直線となります。プロットが直線でない場合は、その反応は二次反応ではありません。

ゼロ次反応            

ゼロ次反応の場合、微分速度則はrate = kです。ゼロ次反応は、反応物の濃度に関係なく、一定の反応速度を示します。ゼロ次反応速度は、特定の条件下における一部の反応でのみ観察されます。これらの反応は、特定の条件が満たされない場合に異なる速度論的挙動を示します。このため、より慎重な用語である疑似ゼロ次反応という語が使用されることもあります。             &# 160;               

ゼロ次反応の積分式も線形関数であり、y = mx + bの形式をとります。             &# 160;   

  Eq4

ゼロ次反応の[A] vs. 時間tのプロットは、傾きが− kかつ[A]0yの切片を持つ直線です。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Section 12.4: Integrated Rate Laws.