Back to chapter

13.6:

זמן מחצית חיים של תגובה

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

במהלך תגובה כימית, ריכוז המגיב פוחת עם הזמן. הזמן שלוקח להפחית אותו למחצית מהכמות הההתחלתית שלו נקרא זמן מחצית החיים של המגיב, והקיצור שלו הוא t1/2. חשבו על קירור טריכלורופלואורומתן, שמדלל את שכבת האוזון.משך החיים האטמוספריים שלו הוא 45 שנה והוא נפרש על פני מדינות רבות. אבל כמה זמן ייקח לריכוז שלו להצטמצם ל-50 אחוז? כדי להעריך ריכוז של מגיב לאחר זמן מסוים, ניתן להשתמש בנוסחת מחצית החיים.מחצית החיים שונה עבור כל סוג תגובה. בהתאם לסדר התגובה, ביטוי כללי של מחצית חיים יכול לנבוע מהאינטגרל על משוואת הקצב. חשבו על האינגרל של משוואת הקצב מסדר אפס.ב-t1/2 ריכוז המגיב הוא מחצית מהריכוז ההתחלתי שלו. בהצבת הפרמטרים הללו נוצרת נוסחה של מחצית החיים. הנוסחה מראה שמחצית החיים של תגובה מסדר אפס תלויה באופן פרופורציונלי וישיר בריכוז המגיב ההתחלתי.ככל שריכוז המגיב יורד, מחצית החיים ממשיכה להתקצר. בתגובה מסדר ראשון, אינטגרל משוואת הקצב משתנה עם הצבת הזמן כ-t1/2 ואת כמות מגיב כמחצית הריכוז הראשוני שלו. בפתרון, הביטוי של t1/2 מחושב כקבוע.לכן, מחצית החיים של תגובה מסדר ראשון נגזרת להיות בלתי תלויה בריכוז המגיב הראשוני. ללא קשר לירידה בריכוז המגיב, מחצית החיים נשארת קבועה. בתגובה מסדר שני, אינטגרל משוואת הקצב מומר ל-t1/2 על ידי הצבת הפרמטרים של זמן ושל ריכוז המגיב.מחצית החיים של תגובות מסדר שני תלויות באופן הופכי בריכוז המגיב ההתחלתי. ככל שריכוז המגיב יורד, הערך של t1/2 עולה;כלומר, מחצית החיים ממשיכה להתארך. מחצית החיים עוזרת גם להעריך את עוצמתו של קבוע הקצב.היא מאפשרת השוואה יחסית בין קצבי תגובה שונים;ככל שמחצית החיים קצרה יותר, כך קצב התגובה מהיר יותר, ולהפך. לדוגמה, האיזוטופ הרדיואקטיבי נתרן 24, שמחצית החיים שלו היא קצרה ועומדת על 14.7 שעות, מתפרק מהר יותר מאשר קובלט-60, שמחצית החיים שלו ארוכה יותר ועומדת על 5.3 שנים.

13.6:

זמן מחצית חיים של תגובה

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.