Back to chapter

13.6:

Halveringstijd van een Reactie

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Half-life of a Reaction

Languages

Share

Tijdens een chemische reactie neemt de concentratie van de reactant in de loop van de tijd af. De tijd die nodig is om het terug te brengen tot de helft van de oorspronkelijke hoeveelheid, wordt de halfwaardetijd van de reactie genoemd, afgekort als t1/2. Denk aan het koelmiddel trichloorfluormethaan, dat de ozonlaag aantast.De atmosferische verblijftijd is 45 jaar en is in veel landen verboden. Maar hoe lang duurt het voordat de concentratie tot 50%is gedaald? Om de concentratie van een reactant na een verstreken tijd te schatten, kan de halfwaardetijd worden gebruikt.De halfwaardetijd verschilt per reactietype. Afhankelijk van de reactieorde kan een algemene halfwaardetijd-uitdrukking worden afgeleid uit de geïntegreerde snelheidswetten. Denk aan de geïntegreerde snelheidswet van de nulde orde.Op t1/2 is de reactantconcentratie de helft van de oorspronkelijke concentratie. Bij vervanging van deze parameters wordt een uitdrukking voor de halfwaardetijd geformuleerd. De formule laat zien dat de halfwaardetijd voor een nulde-orde-reactie afhankelijk is van en recht evenredig is met de aanvankelijke reactantconcentratie.Naarmate de reactantconcentratie afneemt, wordt de halfwaardetijd steeds korter. Voor een eerste-orde reactie wordt de expressie van de geïntegreerde snelheid gewijzigd door de tijd te vervangen door t1/2 en de hoeveelheid reactant als de helft van de oorspronkelijke concentratie. Bij het oplossen wordt bepaald dat de uitdrukking voor t1/2 een constante is.Aldus wordt afgeleid dat de halfwaardetijd van een eerste-orde-reactie onafhankelijk is van de aanvankelijke reactantconcentratie. Ongeacht de afname van de reactantconcentratie blijft de halfwaardetijd constant. Voor een reactie van de tweede orde wordt de expressie van de geïntegreerde snelheid omgezet in t1/2 door de parameters voor tijd en reactantconcentratie te vervangen.De halfwaardetijden van reacties van de tweede orde zijn omgekeerd evenredig met de aanvankelijke concentratie van reactanten. Naar mate de reactantconcentratie afneemt, neemt de t1/2-waarde toe;wat betekent dat de halfwaardetijd steeds langer wordt. De halfwaardetijd helpt ook om de grootte van de snelheidsconstante te schatten.Het biedt een relatieve vergelijking tussen verschillende reactiesnelheden;hoe korter de halveringstijd, hoe sneller de reactiesnelheid en vice versa. Zo vertoont de radioactieve isotoop natrium-24, met een korte halfwaardetijd van 14, 7 uur, een snellere vervalsnelheid dan kobalt-60, met een langere halfwaardetijd van 5, 3 jaar.

13.6:

Halveringstijd van een Reactie

The half-life of a reaction (t1/2) is the time required for one-half of a given amount of reactant to be consumed. In each succeeding half-life, half of the remaining concentration of the reactant is consumed. For example, during the decomposition of hydrogen peroxide, during the first half-life (from 0.00 hours to 6.00 hours), the concentration of H2O2 decreases from 1.000 M to 0.500 M. During the second half-life (from 6.00 hours to 12.00 hours), the concentration decreases from 0.500 M to 0.250 M, while during the third half-life, it falls from 0.250 M to 0.125 M. Hence, during each successive period of 6.00 hours, the concentration of H2O2 decreases by half.

The half-life of a first-order reaction is independent of the concentration of the reactant. However, half-lives of reactions with other orders depend on the concentrations of the reactants.

Half-life of First-order Reactions

An equation relating the half-life of a first-order reaction to its rate constant may be derived from its integrated rate law:

Eq1

According to the definition of half-life, at time t1/2, the concentration of the reactant A is one-half of its initial concentration. Therefore; t = t1/2  and [A]t = ½ [A]0.

Substituting these terms into the rearranged integrated rate law and simplifying yields the equation for half-life:

Eq2

This half-life equation describes an expected inverse relationship between the half-life of the reaction and its rate constant, k. Faster reactions exhibit larger rate constants and correspondingly shorter half-lives, while slower reactions exhibit smaller rate constants and longer half-lives.

Half-life of Second-order Reactions

Following the same approach as for first-order reactions, an equation relating the half-life of a second-order reaction to its rate constant and initial concentration may be derived from its integrated rate law: 

Eq3

On substituting t = t1/2  and [A]t = ½[A]0, the integrated rate law is simplified:

Eq4

For a second-order reaction, t1/2 is inversely proportional to the concentration of the reactant, and the half-life increases as the reaction proceeds because the concentration of the reactant decreases. Unlike with first-order reactions, the rate constant of a second-order reaction cannot be calculated directly from the half-life unless the initial concentration is known.

Half-life of Zero-order Reactions

An equation for zero-order half-life may be also be derived from its integrated rate law:   

Eq5

Substituting t = t1/2  and  [A]t = ½ [A]0, in the zero-order integrated rate law yields:

Eq6

The half-life for a zero-order reaction is inversely proportional to its rate constant. However, the half-life of a zero-order reaction increases as the initial concentration increases.

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