Jak obliczyć szybkość reakcji

Reakcja zachodzi, gdy cząstki zderzają się. W tym zderzeniu cząstki przekazują wystarczającą ilość energii, aby zerwać stare wiązania i utworzyć nowe. Ale jak możesz określić szybkość, z jaką zachodzi reakcja?

Spójrz na prostą reakcję, taką jak ta poniżej:

W tej reakcji część reagenta A zamienia się w jakiś produkt B. Szybkość reakcji można przedstawić jako spadek stężenia A w czasie lub jako wzrost B w czasie. To jest napisane:

Ponieważ A maleje z czasem, przed tym wskaźnikiem pojawia się znak ujemny. Wyrażone tutaj stawki są średni stawki, ponieważ są uśredniane przez pewien czas.

Szybkość reakcji lub szybkość, z jaką zachodzi reakcja, jest zapisana jako zmiana stężenia reagenta lub produktu na zmianę w czasie, jak pokazano powyżej.

Aby obliczyć to eksperymentalnie, musisz monitorować stężenie substratu lub produktu w funkcji czasu. Po wykonaniu pomiarów w różnym czasie możesz wykreślić te wartości i znaleźć chwilową szybkość reakcji lub nachylenie linii.

Udawaj, że patrzysz na reakcję między A i B, która tworzy C i D. Oczywiście tworzenie produktu zależy zarówno od A, jak i B. Ale dodając nadmiar jednego, powiedzmy B, możesz zapewnić, że stężenie B pozostaje zasadniczo stały. W ten sposób zmiana ilości B nie wpłynie na zmierzoną szybkość reakcji.

Następnie możesz wykreślić tempo przy różnych stężeniach A. To pozwoli Ci zobaczyć, czy szybkość jest proporcjonalna do stężenia reagentów.

Powiedz to, kiedy spiskujesz stawka vs. stężenie z A daje linię prostą. Oznacza to, że szybkość jest wprost proporcjonalna do stężenia A. W rezultacie im wyższe stężenie A, tym wyższa szybkość.

Można to przedstawić w następujący sposób:

Zmienna k jest znana jako stała szybkości. Jest to stała proporcjonalności między szybkością reakcji a stężeniami reagentów. Zmienna k jest nie pod wpływem stężenia reagentów. Jest to stosunek szybkości i stężenia reagenta. Na wartość k ma wpływ tylko temperatura.

Ponieważ stężenie jest mierzone w molach, zmianę stężenia mierzy się w M, podczas gdy czas mierzy się w sekundach. Oznacza to, że jednostkami k są zwykle 1/s lub s^-1.

W przypadku stechiometrii proste reakcje, takie jak stosunek molowy do molowy między składnikami, są równe. Na przykład, gdy A zamienia się w B, jeden mol A jest tracony na każdy wytworzony mol B.

Nie wszystkie reakcje są takie proste.

Rozważ następującą reakcję:

Za każdym razem, gdy B jest wykonywane, używa się 3 moli A. Można to wyrazić w następujący sposób:

Ogólnie dla reakcji:

Stawka podana jest w następujący sposób:

prawo stawki wyraża stosunek szybkości reakcji do stałej szybkości i stężeń reagentów podniesionych do pewnej mocy.

Dla ogólnej reakcji:

Prawo stawki jest zapisane jako:

A i B to reakcje. k jest stałą szybkości. x i y to liczby, które musi być określony eksperymentalnie. Gdy xiy są znane, dane wejściowe dowolnego stężenia reagenta można wykorzystać do określenia szybkości reakcji.

x i y są ważne, ponieważ dają zależność między stężeniami reagentów A i B a szybkością reakcji. Dają również kolejność reakcji po zsumowaniu. Kolejność reakcji jest sumą mocy, do której wzrastają stężenia reagentów w równaniu kinetycznym.

Jak omówiono powyżej, prawo kinetyczne to zależność matematyczna, która pokazuje, jak zmieniające się stężenie reagentów wpływa na szybkość reakcji. Jak więc znaleźć prawo stawki?

Spójrz na następującą reakcję wodoru i kwasu azotowego:

Aby znaleźć porządek, musisz znać wykładniki prawa kinetycznego, które zostałyby zapisane:

Wymaga to wykorzystania danych, które wskazują stężenie reagentów i szybkość początkową.

Rozważ następujące dane:

Aby znaleźć porządek w odniesieniu do każdego reagenta, zacznij od znalezienia eksperymentów, w których drugi reagent jest utrzymywany na stałym poziomie. Na przykład, aby zbadać kolejność w odniesieniu do NO, pomocne będzie spojrzenie na Eksperyment 1 i 2, ponieważ stężenie NO podwaja się, ale stężenie H₂ jest utrzymywany na stałym poziomie.

Eksperymenty 1 i 2 pokazują, że po podwojeniu stężenia NO szybkość zwiększa się czterokrotnie. Napisz równanie kinetyczne dla obu tych eksperymentów, jak poniżej:

i

Stosunek dwóch prawych stron równania wynosi 4, więc po podzieleniu pierwszego równania przez drugie otrzymujemy:

Więc y = 2.

Następnie możesz znaleźć kolejność w odniesieniu do H₂. Eksperymenty 2 i 3 wskazują, że podwojenie H₂ koncentracja podwaja tempo. Oznacza to, że reakcja jest pierwszego rzędu w H₂.

Zatem prawo kinetyczne to:

Zsumowanie wykładników 1 i 2 daje 3, co oznacza, że ​​reakcja jest trzeciego rzędu.

Kilka ważnych punktów dotyczących prawa stawki:

1. Surowych praw nie można znaleźć z równania chemicznego. Oni muszą zawsze znaleźć eksperymentalnie. Na podstawie stężeń reagentów i początkowej szybkości reakcji można znaleźć kolejność reakcji, jak pokazano powyżej, a także znaleźć stałą szybkości.
2. Dla prawa stawki zerowego rzędu szybkość jest równa stałej szybkości.
3. Kolejność reakcji jest zawsze określona przez stężenie reagenta.
4. Kolejność reagentów nie odnosi się do współczynnika stechiometrycznego w zrównoważonym równaniu chemicznym.

Kolejność reakcji informuje o tym, jak szybkość zmienia się wraz ze stężeniem reagenta.

Reakcje pierwszego rzędu to reakcje, których szybkość zależy od stężenia reagenta podniesionego do pierwszej potęgi. Oznacza to, że gdy stężenie reagenta jest podwojone, tak samo jest z szybkością.

Wiele reakcji rozkładu to reakcje pierwszego rzędu. Przykładem jest rozkład N₂O₅:

Reakcje drugiego rzędu to reakcje, których szybkość zależy od stężenia jednego reagenta do drugiej potęgi lub od stężeń dwóch reagentów do pierwszej potęgi.

Jednym z przykładów reakcji drugiego rzędu jest połączenie jodu z wytworzeniem cząsteczkowego jodu w fazie gazowej: