Hur man beräknar reaktionshastighet

En reaktion inträffar när partiklar kolliderar. Vid denna kollision överför partiklarna tillräckligt med energi för att bryta gamla bindningar och skapa nya. Men hur kan du definiera hastigheten med vilken en reaktion sker?

Ta en titt på en enkel reaktion som den nedan:

I denna reaktion förvandlas någon reaktant A till någon produkt B. Reaktionshastigheten kan representeras av en minskning av koncentrationen av A över tiden eller som ökningen av B över tiden. Detta är skrivet:

Eftersom A minskar över tiden finns det ett negativt tecken framför denna takt. De priser som anges här är genomsnitt eftersom de är genomsnittliga över en viss tid.

Reaktionshastigheten, eller hastigheten som reaktionen sker vid, skrivs som förändringen i koncentrationen av en reaktant eller produkt per tidsförändring som visas ovan.

För att beräkna detta experimentellt måste du övervaka antingen koncentrationen av reaktanten eller produkten som en funktion av tiden. När du väl har mätt vid olika tidpunkter kan du sedan plotta dessa värden och hitta reaktionens momentana hastighet eller lutningen.

Låtsas att du tittar på reaktionen mellan A och B, som bildar C och D. Uppenbarligen beror produktbildningen på både A och B. Men genom att lägga till ett överskott av en, säg B, kan du se till att koncentration av B förblir väsentligen konstant. På detta sätt påverkar inte förändringen i mängden B den uppmätta reaktionshastigheten.

Sedan kan du rita upp hastigheten vid olika koncentrationer av A. Detta gör att du kan se om hastigheten är proportionell mot koncentrationen av reaktanter.

Säg det när du planerar ränta vs. koncentration av A ger en rak linje. Detta innebär att hastigheten är direkt proportionell mot koncentrationen av A. Som ett resultat, ju högre koncentrationen av A, desto högre är hastigheten.

Detta kan representeras som sådant:

Variabeln k är hastighetskonstanten. Det är en proportionalitetskonstant mellan reaktionshastigheten och koncentrationerna av reaktanter. Variabeln k är inte påverkas av koncentrationen av reaktanterna. Det är ett förhållande mellan hastigheten och reaktantkoncentrationen. Detta värde k påverkas endast av temperaturen.

Eftersom koncentrationen mäts i molaritet mäts koncentrationsförändringen i M medan tiden mäts i sekunder. Detta innebär att enheterna för k vanligtvis är 1 / s eller s^-1.

För stökiometri är enkla reaktioner som mol-mol-förhållandet mellan komponenter lika. Till exempel, när A vänder sig till B, går en mol A förlorad för varje tillverkad mol B.

Inte alla reaktioner är så enkla.

Tänk på följande reaktion:

Varje gång B tillverkas används 3 mol A. Detta kan uttryckas som sådant:

I allmänhet för reaktionen:

Priset anges enligt följande:

De skattesats uttrycker förhållandet mellan reaktionshastigheten och hastighetskonstanten och koncentrationerna av reaktanter som höjs till viss effekt.

För en allmän reaktion:

Skattelagen är skriven som:

A och B är reaktionerna. k är hastighetskonstanten. x och y är siffror som måste bestämmas experimentellt. När x och y väl är kända kan inmatningen av vilken som helst reaktantkoncentration användas för att hitta reaktionshastigheten.

x och y är viktiga eftersom det ger ett samband mellan koncentrationerna av reaktanterna A och B och reaktionshastigheten. De ger också reaktionsordning när de läggs ihop. Reaktionsordningen är summan av kraften till vilken reaktantkoncentrationerna i hastighetslagen höjs.

Som diskuterats ovan är hastighetslagen en matematisk relation som visar hur förändring av reaktantkoncentrationen påverkar reaktionshastigheten. Så, hur kan du hitta skattelagen?

Ta en titt på följande reaktion av väte och salpetersyra:

För att hitta ordern måste du känna till exponenterna för skattelagen som skulle skrivas:

Detta kräver användning av data som indikerar reaktantkoncentration och initialhastighet.

Tänk på följande data:

För att hitta ordningen med avseende på varje reaktant, börja med att hitta de experiment där den andra reaktanten hålls konstant. Till exempel, för att undersöka ordningen med avseende på NO, kan det vara till hjälp att titta på experiment 1 och 2 eftersom koncentrationen av NO fördubblas men koncentrationen av H₂ hålls konstant.

Experiment 1 och 2 visar att hastigheten fyrdubblas vid fördubbling av koncentrationen av NO. Skriv hastighetslagen för båda dessa experiment enligt nedan:

och

Förhållandet mellan de två högra sidorna av ekvationen är 4, så efter att ha delat den första ekvationen med den andra får du:

Så y = 2.

Därefter kan du hitta ordern med avseende på H₂. Experiment 2 och 3 indikerar att fördubbling av H₂ koncentration fördubblar hastigheten. Detta betyder att reaktionen är första ordningen i H₂.

Således är skattelagen:

Att lägga ihop exponenterna 1 och 2 ger 3 betydelse att reaktionen är tredje ordningen.

Några viktiga punkter om skattelagen:

1. Rå lagar kan inte hittas från den kemiska ekvationen. De måste alltid kan hittas experimentellt. Från koncentrationerna av reaktanter och den initiala reaktionshastigheten kan du hitta reaktionsordningen som visas ovan och också hitta hastigheten konstant.
2. För en nollordningshastighetslag är räntan lika med hastighetskonstanten.
3. Reaktionsordning definieras alltid av reaktantkoncentrationen.
4. Ordningen på en reaktant avser inte den stökiometriska koefficienten i den balanserade kemiska ekvationen.

Ordningen på en reaktion berättar hur hastigheten förändras med reaktantkoncentrationen.

Första ordningens reaktioner är reaktioner vars hastighet beror på den reaktantkoncentration som höjs till den första effekten. Detta betyder att när koncentrationen av en reaktant fördubblas så är hastigheten.

Många nedbrytningsreaktioner är första ordningen. Ett exempel är nedbrytningen av N₂O₅:

Andra ordningens reaktioner är reaktioner vars hastighet beror på koncentrationen av en reaktant till den andra effekten eller av koncentrationerna av två reaktanter vardera till den första effekten.

Ett exempel på en andra ordnings reaktion är kombinationen av jod för att bilda molekylär jod i gasfasen: