Hoe de reactiesnelheid te berekenen

Een reactie treedt op wanneer deeltjes botsen. Bij deze botsing dragen de deeltjes genoeg energie over om oude bindingen te verbreken en nieuwe te maken. Maar hoe bepaal je de snelheid waarmee een reactie plaatsvindt?

Bekijk een eenvoudige reactie zoals hieronder:

In deze reactie wordt een deel van reactant A omgezet in een product B. De reactiesnelheid kan worden weergegeven door een afname van de concentratie van A in de tijd of als een toename van B in de tijd. Dit is geschreven:

Aangezien A in de loop van de tijd afneemt, staat er een negatief teken voor deze koers. De hier weergegeven tarieven zijn: gemiddelde omdat ze gemiddeld zijn over een bepaalde tijd.

De reactiesnelheid, of de snelheid waarmee de reactie plaatsvindt, wordt geschreven als de verandering in concentratie van een reactant of product per verandering in de tijd, zoals hierboven weergegeven.

Om dit experimenteel te berekenen, moet je de concentratie van de reactant of het product als functie van de tijd volgen. Zodra u metingen op verschillende tijdstippen hebt, kunt u deze waarden plotten en de momentane reactiesnelheid of de helling van de lijn vinden.

Doe alsof je kijkt naar de reactie tussen A en B, die C en D vormt. Uiteraard hangt de vorming van product af van zowel A als B. Maar door een overmaat van één toe te voegen, zeg B, kun je ervoor zorgen dat de concentratie van B in wezen constant blijft. Op deze manier heeft de verandering in de hoeveelheid B geen invloed op de gemeten reactiesnelheid.

Vervolgens kunt u de snelheid uitzetten bij verschillende concentraties van A. Hiermee kunt u zien of de snelheid evenredig is met de concentratie van reactanten.

Zeg dat als je plot tarief versus concentratie van A levert het een rechte lijn op. Dit betekent dat de snelheid recht evenredig is met de concentratie van A. Dientengevolge, hoe hoger de concentratie van A, hoe hoger de snelheid.

Dit kan als zodanig worden weergegeven:

De variabele k staat bekend als de snelheidsconstante. Het is een evenredigheidsconstante tussen de reactiesnelheid en de concentraties van reactanten. De variabele k is niet beïnvloed door de concentratie van de reactanten. Het is een verhouding van de snelheid en de reactantconcentratie. Deze waarde k wordt alleen beïnvloed door de temperatuur.

Omdat concentratie wordt gemeten in molariteit, wordt de verandering in concentratie gemeten in M, terwijl de tijd in seconden wordt gemeten. Dit betekent dat de eenheden voor k meestal 1/s of s. zijn^-1.

Voor stoichiometrie zijn eenvoudige reacties zoals de mol-tot-molverhouding tussen componenten gelijk. Als A bijvoorbeeld verandert in B, gaat er één mol A verloren voor elke mol B die wordt gemaakt.

Niet alle reacties zijn zo eenvoudig.

Beschouw de volgende reactie:

Elke keer dat B wordt gemaakt, worden 3 mol A gebruikt. Dit kan als volgt worden uitgedrukt:

Over het algemeen geldt voor de reactie:

Het tarief wordt als volgt gegeven:

De tarief wet drukt de relatie uit tussen de snelheid van een reactie en de snelheidsconstante en de concentraties van reactanten die tot een bepaald vermogen zijn verhoogd.

Voor een algemene reactie:

De tariefwet wordt geschreven als:

A en B zijn de reacties. k is de snelheidsconstante. x en y zijn getallen die moet experimenteel worden bepaald. Zodra x en y bekend zijn, kan de invoer van een willekeurige reactantconcentratie worden gebruikt om de reactiesnelheid te vinden.

x en y zijn belangrijk omdat ze een relatie geven tussen de concentraties van reactanten A en B en de reactiesnelheid. Ze geven ook de reactievolgorde wanneer bij elkaar opgeteld. De reactievolgorde is de som van de macht waartoe de reactantconcentraties in de snelheidswet worden verhoogd.

Zoals hierboven besproken, is de snelheidswet een wiskundige relatie die laat zien hoe veranderende reactantconcentratie de reactiesnelheid beïnvloedt. Dus, hoe kun je de tariefwet vinden?

Bekijk de volgende reactie van waterstof en salpeterzuur:

Om de volgorde te vinden, moet u de exponenten van de tariefwet kennen die zou worden geschreven:

Dit vereist het gebruik van gegevens die de reactantconcentratie en initiële snelheid aangeven.

Denk aan de volgende gegevens:

Om de volgorde met betrekking tot elke reactant te vinden, begint u met het vinden van de experimenten waarin de andere reactant constant wordt gehouden. Om bijvoorbeeld de volgorde met betrekking tot NO te onderzoeken, zal het nuttig zijn om naar Experiment 1 en 2 te kijken, aangezien de concentratie van NO verdubbelt, maar de concentratie van H₂ constant wordt gehouden.

Experiment 1 en 2 laten zien dat bij verdubbeling van de NO-concentratie de snelheid verviervoudigt. Schrijf de snelheidswet voor beide experimenten zoals hieronder:

en

De verhouding tussen de twee rechterkant van de vergelijking is 4, dus na het delen van de eerste vergelijking door de tweede, krijg je:

Dus y = 2.

Vervolgens vindt u de volgorde met betrekking tot H₂. Experimenten 2 en 3 geven aan dat een verdubbeling van H₂ concentratie verdubbelt de snelheid. Dit betekent dat de reactie eerste orde is in H₂.

De tariefwet is dus:

Als je de exponenten 1 en 2 bij elkaar optelt, krijg je 3, wat betekent dat de reactie van de derde orde is.

Enkele belangrijke punten over de tariefwet:

1. Ruwe wetten kunnen niet worden gevonden in de chemische vergelijking. Ze moeten altijd proefondervindelijk te vinden. Uit de concentraties van reactanten en de initiële reactiesnelheid, kunt u de reactievolgorde vinden zoals hierboven weergegeven en ook de snelheidsconstante vinden.
2. Voor een nulde orde tariefwet is de snelheid gelijk aan de snelheidsconstante.
3. De reactievolgorde wordt altijd bepaald door de reactantconcentratie.
4. De volgorde van een reactant heeft geen betrekking op de stoichiometrische coëfficiënt in de uitgebalanceerde chemische vergelijking.

De volgorde van een reactie vertelt je hoe de snelheid verandert met de reactantconcentratie.

Eerste orde reacties zijn reacties waarvan de snelheid afhangt van de reactantconcentratie verhoogd tot de eerste macht. Dit betekent dat wanneer de concentratie van een reactant wordt verdubbeld, de snelheid ook wordt verdubbeld.

Veel ontledingsreacties zijn van de eerste orde. Een voorbeeld is de ontleding van N₂O₅:

Tweede orde reacties zijn reacties waarvan de snelheid afhangt van de concentratie van één reactant tot de tweede macht of van de concentraties van twee reactanten elk tot de eerste macht.

Een voorbeeld van een tweede orde reactie is de combinatie van jodium om moleculair jodium te vormen in de gasfase: