Eine Reaktion tritt auf, wenn Partikel kollidieren. Bei dieser Kollision übertragen die Teilchen genug Energie, um alte Bindungen aufzubrechen und neue zu bilden. Aber wie kann man die Geschwindigkeit definieren, mit der eine Reaktion abläuft?
Die Reaktionsgeschwindigkeit
Sehen Sie sich eine einfache Reaktion wie die folgende an:
Bei dieser Reaktion wird ein Teil des Reaktanten A in etwas Produkt B umgewandelt. Die Reaktionsgeschwindigkeit kann durch eine Abnahme der Konzentration von A über die Zeit oder als Zunahme von B über die Zeit dargestellt werden. Dies steht geschrieben:
Da A mit der Zeit abnimmt, steht vor dieser Rate ein negatives Vorzeichen. Die hier angegebenen Preise sind durchschnittlich Preise, weil sie über einen bestimmten Zeitraum gemittelt werden.
Wie bestimmen Sie die Reaktionsgeschwindigkeit?
Die Reaktionsgeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion abläuft, wird wie oben gezeigt als Konzentrationsänderung eines Reaktanten oder Produkts pro Zeitänderung geschrieben.
Um dies experimentell zu berechnen, müssen Sie entweder die Konzentration des Reaktionspartners oder des Produkts als Funktion der Zeit überwachen. Sobald Sie Messungen zu verschiedenen Zeiten haben, können Sie diese Werte grafisch darstellen und die momentane Reaktionsgeschwindigkeit oder die Steigung der Linie ermitteln.
Stellen Sie sich vor, Sie betrachten die Reaktion zwischen A und B, die C und D bildet. Offensichtlich hängt die Produktbildung sowohl von A als auch von B ab. Aber indem Sie einen Überschuss von eins hinzufügen, sagen wir B, können Sie sicherstellen, dass die Konzentration von B bleibt im Wesentlichen konstant. Auf diese Weise beeinflusst die Änderung der B-Menge die gemessene Reaktionsgeschwindigkeit nicht.
Dann können Sie die Geschwindigkeit bei verschiedenen Konzentrationen von A auftragen. Auf diese Weise können Sie sehen, ob die Geschwindigkeit proportional zur Konzentration der Reaktanten ist.
Sag das, wenn du planst Rate vs. Konzentration von A ergibt eine Gerade. Dies bedeutet, dass die Geschwindigkeit direkt proportional zur Konzentration von A ist. Als Ergebnis ist die Rate umso höher, je höher die Konzentration von A ist.
Dies kann so dargestellt werden:
Die Variable k ist als Geschwindigkeitskonstante bekannt. Sie ist eine Proportionalitätskonstante zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und den Konzentrationen der Reaktanten. Die Variable k ist nicht von der Konzentration der Reaktanten beeinflusst. Es ist ein Verhältnis der Geschwindigkeit und der Reaktantenkonzentration. Dieser Wert k wird nur von der Temperatur beeinflusst.
Da die Konzentration in Molarität gemessen wird, wird die Konzentrationsänderung in M gemessen, während die Zeit in Sekunden gemessen wird. Dies bedeutet, dass die Einheiten für k normalerweise 1/s oder s. sind-1.
Stöchiometrie und Reaktionsgeschwindigkeiten
Für die Stöchiometrie sind einfache Reaktionen wie das Mol-zu-Mol-Verhältnis zwischen den Komponenten gleich. Wenn beispielsweise A zu B wird, geht für jedes hergestellte Mol B ein Mol A verloren.
Nicht alle Reaktionen sind so einfach.
Betrachten Sie die folgende Reaktion:
Jedes Mal, wenn B hergestellt wird, werden 3 Mol A verwendet. Dies kann so ausgedrückt werden:
Generell gilt für die Reaktion:
Der Tarif wird wie folgt angegeben:
Was ist das Tarifgesetz?
Das Ratengesetz drückt das Verhältnis der Geschwindigkeit einer Reaktion zur Geschwindigkeitskonstanten und den Konzentrationen der Reaktanten in einer Potenz aus.
Zur allgemeinen Reaktion:
Das Tarifgesetz wird geschrieben als:
A und B sind die Reaktionen. k ist die Geschwindigkeitskonstante. x und y sind Zahlen, die muss experimentell bestimmt werden. Sobald x und y bekannt sind, kann die Eingabe einer beliebigen Reaktantenkonzentration verwendet werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu ermitteln.
x und y sind wichtig, weil sie eine Beziehung zwischen den Konzentrationen der Reaktanten A und B und der Reaktionsgeschwindigkeit ergeben. Sie geben auch die Reaktionsordnung wenn zusammen addiert. Die Reaktionsordnung ist die Summe der Potenz, auf die die Reaktantenkonzentrationen im Geschwindigkeitsgesetz angehoben werden.
Was ist die Reihenfolge einer Reaktion?
Wie oben besprochen, ist das Geschwindigkeitsgesetz eine mathematische Beziehung, die Ihnen zeigt, wie sich eine Änderung der Reaktantenkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirkt. Wie können Sie also das Tarifgesetz finden?
Schauen Sie sich die folgende Reaktion von Wasserstoff und Salpetersäure an:
Um die Reihenfolge zu finden, müssen Sie die Exponenten des Geschwindigkeitsgesetzes kennen, die geschrieben werden würden:
Dies erfordert die Verwendung von Daten, die die Reaktantenkonzentration und die Anfangsrate anzeigen.
Betrachten Sie die folgenden Daten:
| Experiment | [H2] | [NEIN] | Anfangsrate (M/s) |
|---|---|---|---|
1 |
3,0x10-3 |
1.0x10-3 |
2.0x10x-4 |
2 |
3,0x10-3 |
2.0x10x-3 |
8.0x10-4 |
3 |
6.0x10-3 |
2.0x10x-3 |
16.0x10-4 |
Um die Reihenfolge in Bezug auf jeden Reaktanten zu ermitteln, beginnen Sie damit, die Experimente zu finden, in denen der andere Reaktant konstant gehalten wird. Um beispielsweise die Ordnung in Bezug auf NO zu untersuchen, ist ein Blick auf Experiment 1 und 2 hilfreich, da sich die Konzentration von NO verdoppelt, die Konzentration von H. jedoch2 wird konstant gehalten.
Experiment 1 und 2 zeigen, dass sich die Geschwindigkeit bei Verdoppelung der NO-Konzentration vervierfacht. Schreiben Sie das Geschwindigkeitsgesetz für diese beiden Experimente wie folgt:
und
Das Verhältnis zwischen den beiden rechten Seiten der Gleichung ist 4, also nachdem Sie die erste Gleichung durch die zweite geteilt haben, erhalten Sie:
Also y = 2.
Als nächstes finden Sie die Reihenfolge in Bezug auf H2. Die Experimente 2 und 3 zeigen, dass die Verdopplung von H2 Konzentration verdoppelt die Geschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die Reaktion in H. erster Ordnung ist2.
Somit lautet das Ratengesetz:
Die Addition der Exponenten 1 und 2 ergibt 3, was bedeutet, dass die Reaktion dritter Ordnung ist.
Einige wichtige Punkte zum Tarifgesetz:
- Rohe Gesetze können aus der chemischen Gleichung nicht gefunden werden. Sie müssen immer experimentell gefunden werden. Aus den Konzentrationen der Reaktanten und der anfänglichen Reaktionsgeschwindigkeit können Sie die Reaktionsreihenfolge wie oben gezeigt und auch die Geschwindigkeitskonstante ermitteln.
- Bei einem Geschwindigkeitsgesetz nullter Ordnung ist die Geschwindigkeit gleich der Geschwindigkeitskonstante.
- Die Reaktionsreihenfolge wird immer durch die Eduktkonzentration definiert.
- Die Ordnung eines Reaktanten bezieht sich nicht auf den stöchiometrischen Koeffizienten in der ausgeglichenen chemischen Gleichung.
Was bedeutet die Reihenfolge einer Reaktion?
Die Reihenfolge einer Reaktion sagt Ihnen, wie sich die Geschwindigkeit mit der Reaktantenkonzentration ändert.
Reaktionen erster Ordnung sind Reaktionen, deren Geschwindigkeit von der in erster Potenz erhobenen Reaktantenkonzentration abhängt. Dies bedeutet, dass bei einer Verdoppelung der Konzentration eines Reaktanten auch die Geschwindigkeit verdoppelt wird.
Viele Zersetzungsreaktionen sind erster Ordnung. Ein Beispiel ist die Zerlegung von N2Ö5:
Reaktionen zweiter Ordnung sind Reaktionen, deren Geschwindigkeit von der Konzentration eines Reaktanten in zweiter Potenz oder von den Konzentrationen jeweils zweier Reaktanten in erster Potenz abhängt.
Ein Beispiel für eine Reaktion zweiter Ordnung ist die Kombination von Jod zu molekularem Jod in der Gasphase:
