13.3
Hız Yasasının Konsantre Hali
Bir reaksiyonun hızı, reaktanların konsantrasyonlarından etkilenir. Hız yasaları (diferansiyel hız yasaları) veya hız denklemleri, bir kimyasal reaksi…
Bir reaksiyonun hızı genellikle reaktan konsantrasyonlarına bağlıdır. Herhangi bir reaksiyon için, reaksiyon hızı ile reaktan konsantrasyonları arasındaki ilişki, bir hız yasası veya hız denklemi kullanılarak matematiksel olarak ifade edilebilir. Hız yasasında, k orantılılık sabiti veya hız sabitidir ve n, değeri genellikle bir tam sayı olan tek bir reaktant ile ilgili olarak reaksiyon sırasıdır.
Çok reaktantlı reaksiyonlar için hız kanunlarında, genel reaksiyon sırası, tüm reaktan siparişlerinin toplamıdır. Her reaktan için, reaksiyon hızı, hız sabiti, konsantrasyon ve reaksiyon sırası deneysel olarak belirlenir. Oran yasası, tüm bu parametreler arasındaki ilişkiyi ifade eder.
Ayrı ayrı reaktan sıraları genellikle 0, 1 veya 2 değerlerini alır ve genel reaksiyon sırasına göre kimyasal reaksiyonlar sıfır dereceli, birinci dereceden veya ikinci dereceden reaksiyonlar olarak kategorize edilebilir. Reaksiyon hızının süresi boyunca sabit kaldığı tek reaktanlı veya tek moleküllü kimyasal reaksiyon sıfır dereceli bir reaksiyondur. Sıfır dereceli bir reaksiyondaki reaktan sırası sıfırdır ve hız kanununa göre reaktan konsantrasyonu sıfırıncı güce yükseltilir.
Sıfırıncı güce yükseltilen herhangi bir sayının değeri bir olduğundan, sıfır dereceli bir reaksiyonun reaksiyon hızı, hız sabitine eşittir ve dolayısıyla, reaktan konsantrasyonundan bağımsızdır. Bu nedenle, sıfır dereceli bir reaksiyonda, reaktantın konsantrasyonu azalsa bile reaksiyon hızı yavaşlamaz. Reaksiyon hızının reaktanın konsantrasyonu ile doğru orantılı olduğu tek moleküllü bir kimyasal reaksiyon, birinci dereceden bir reaksiyondur.
Birinci dereceden bir reaksiyon için reaktan sırası birdir ve hız yasasına göre reaktantın konsantrasyonu birinci güce yükseltilir. Birinin gücüne yükseltilen herhangi bir sayının değeri aynı kaldığından, birinci dereceden bir reaksiyonun reaksiyon hızı, doğrudan reaktan konsantrasyonuna bağlıdır. Reaktan konsantrasyonu azaldıkça, reaksiyon hızı orantılı olarak doğrusal bir şekilde azalır.
Reaksiyon hızının reaktant konsantrasyonunun karesine bağlı olduğu tek moleküllü bir kimyasal reaksiyon, ikinci dereceden bir reaksiyondur. Reaktan sırası ikidir ve reaktan konsantrasyonu ikinci güce yükseltilir. Buna göre, ikinci dereceden bir reaksiyondaki reaksiyon hızı, doğrudan reaktan konsantrasyonunun karesine bağlıdır.
Reaktan konsantrasyonu azaldıkça, reaksiyon hızı ikinci dereceden bir şekilde üssel olarak azalır.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is a rate law and how does it relate to reactant concentration?
A rate law is a mathematical expression describing the relationship between reaction rate and reactant concentrations. It expresses how the rate depends on the concentration of each reactant raised to a specific power, called the reaction order. The rate law includes the rate constant k, which is specific to a particular reaction at a given temperature, and the reaction orders for each reactant, which are determined experimentally.
Q2: How are reaction orders and the rate constant determined experimentally?
Reaction orders and the rate constant are determined by observing how the reaction rate changes as reactant concentrations vary. A common experimental approach is the method of initial rates, which involves measuring reaction rates using different initial reactant concentrations. Comparing these measured rates allows chemists to determine the reaction orders and subsequently calculate the rate constant to formulate the rate law.
Q3: What happens to the reaction rate in a zero-order reaction as reactant concentration decreases?
In a zero-order reaction, the reaction rate remains constant throughout and is independent of reactant concentration. Since the reactant concentration is raised to the zeroth power in the rate law, any number raised to zero equals one, making the rate equal to the rate constant alone. Therefore, even as the reactant concentration decreases, the reaction rate does not slow down.
Q4: How does reactant concentration affect the rate of a first-order reaction?
In a first-order reaction, the reaction rate is directly and linearly proportional to reactant concentration. The reactant concentration is raised to the first power in the rate law, so the rate depends directly on the concentration value. As the reactant concentration decreases, the reaction rate decreases proportionally in a linear manner.
Q5: Why does a second-order reaction rate decrease exponentially as concentration drops?
In a second-order reaction, the reactant concentration is raised to the second power in the rate law, making the rate dependent on the square of the concentration. This quadratic relationship means small changes in concentration produce larger changes in rate. As reactant concentration decreases, the reaction rate decreases exponentially rather than linearly, following the squared concentration term.
Q6: What is the overall reaction order and how is it calculated?
The overall reaction order is the sum of the individual reaction orders for all reactants in the rate law. For example, in a reaction that is first-order in reactant A and second-order in reactant B, the overall reaction order is three (1 + 2 = 3). The overall order determines the mathematical dependence of the reaction rate on all reactant concentrations combined.
Q7: Can reaction orders be predicted from the stoichiometric coefficients of a reaction?
No, reaction orders cannot be reliably predicted from stoichiometric coefficients. Rate laws are determined by experiment only and must be established through direct observation of how reaction rates change with concentration. Reaction orders can be integers, fractions, negative, or zero, and this experimental determination is essential for accurately describing reaction kinetics.