วิธีการคำนวณอัตราการเกิดปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคชนกัน ในการชนกันครั้งนี้ อนุภาคจะถ่ายเทพลังงานมากพอที่จะทำลายพันธะเก่าและสร้างพันธะใหม่ แต่คุณจะกำหนดอัตราการเกิดปฏิกิริยาได้อย่างไร?

ลองดูปฏิกิริยาง่ายๆ ดังตัวอย่างด้านล่าง:

ในปฏิกิริยานี้สารตั้งต้น A บางส่วนถูกเปลี่ยนเป็นผลิตภัณฑ์ B อัตราการเกิดปฏิกิริยาสามารถแสดงได้โดยความเข้มข้นของ A ที่ลดลงเมื่อเวลาผ่านไปหรือการเพิ่มขึ้นของ B เมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้เขียนว่า:

เนื่องจาก A ลดลงเมื่อเวลาผ่านไปจึงมีเครื่องหมายลบอยู่ข้างหน้าอัตรานี้ อัตราที่แสดงไว้นี้คือ เฉลี่ย อัตราเนื่องจากเป็นค่าเฉลี่ยในช่วงเวลาหนึ่ง

อัตราการเกิดปฏิกิริยาหรือความเร็วที่เกิดปฏิกิริยาถูกเขียนเป็นการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ต่อการเปลี่ยนแปลงในเวลาดังที่แสดงไว้ด้านบน

ในการคำนวณในการทดลองนี้ คุณต้องตรวจสอบความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือผลิตภัณฑ์ตามฟังก์ชันของเวลา เมื่อคุณมีการวัดในช่วงเวลาต่างๆ กัน คุณสามารถพลอตค่าเหล่านี้และหาอัตราชั่วขณะของปฏิกิริยาหรือความชันของเส้นตรง

สมมติว่าคุณกำลังดูปฏิกิริยาระหว่าง A และ B ซึ่งสร้าง C และ D เห็นได้ชัดว่าการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ขึ้นอยู่กับทั้ง A และ B แต่ด้วยการเติมเกินหนึ่งตัว ให้พูดว่า B คุณสามารถมั่นใจได้ว่า

จากนั้น คุณสามารถพลอตอัตราที่ความเข้มข้นต่าง ๆ ของ A วิธีนี้จะช่วยให้คุณเห็นว่าอัตราเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของสารตั้งต้นหรือไม่

บอกว่าเมื่อคุณวางแผน when อัตราเทียบกับ ความเข้มข้น ของ A ให้ผลเป็นเส้นตรง ซึ่งหมายความว่าอัตราเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้นของ A ส่งผลให้ยิ่งความเข้มข้นของ A สูงขึ้น อัตราก็จะยิ่งสูงขึ้น

สามารถแสดงได้ดังนี้:

ตัวแปร k เรียกว่า ค่าคงที่อัตรา. เป็นค่าคงที่สัดส่วนระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยากับความเข้มข้นของสารตั้งต้น ตัวแปร k คือ ไม่ ได้รับผลกระทบจากความเข้มข้นของสารตั้งต้น เป็นอัตราส่วนของอัตราและความเข้มข้นของสารตั้งต้น ค่า k นี้ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิเท่านั้น

เนื่องจากความเข้มข้นวัดเป็นโมลาริตี การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นจึงวัดเป็น M ในขณะที่วัดเวลาเป็นวินาที ซึ่งหมายความว่าหน่วยของ k มักจะ 1/s หรือ s^-1.

สำหรับปริมาณสัมพันธ์ ปฏิกิริยาง่าย ๆ เช่น อัตราส่วนโมลต่อโมลระหว่างส่วนประกอบจะเท่ากัน ตัวอย่างเช่น เมื่อ A เปลี่ยนเป็น B โมลของ A จะหายไปสำหรับแต่ละโมลของ B

ไม่ใช่ว่าปฏิกิริยาทั้งหมดจะง่ายขนาดนี้

พิจารณาปฏิกิริยาต่อไปนี้:

ทุกครั้งที่สร้าง B จะใช้ A 3 โมล สามารถแสดงได้ดังนี้:

โดยทั่วไปสำหรับปฏิกิริยา:

อัตราจะได้รับดังนี้:

กฎหมายอัตรา เป็นการแสดงออกถึงความสัมพันธ์ของอัตราการเกิดปฏิกิริยากับค่าคงที่อัตราและความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ยกกำลังขึ้น

สำหรับปฏิกิริยาทั่วไป:

กฎหมายอัตราเขียนเป็น:

A และ B เป็นปฏิกิริยา k คือค่าคงที่อัตรา x และ y เป็นตัวเลขที่ ต้องพิจารณาจากการทดลอง experiment. เมื่อทราบค่า x และ y แล้ว ค่าที่ป้อนเข้าของความเข้มข้นของสารตั้งต้นใดๆ สามารถใช้เพื่อหาอัตราของปฏิกิริยาได้

x และ y มีความสำคัญเนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นของสารตั้งต้น A และ B กับอัตราการเกิดปฏิกิริยา พวกเขายังให้ ลำดับปฏิกิริยา เมื่อนำมารวมกัน ลำดับปฏิกิริยาคือผลรวมของกำลังซึ่งความเข้มข้นของสารตั้งต้นในกฎอัตราเพิ่มขึ้น

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น กฎอัตราเป็นความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์ที่แสดงให้คุณเห็นว่าความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่เปลี่ยนแปลงไปส่งผลต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาอย่างไร ดังนั้นคุณจะหากฎหมายอัตราได้อย่างไร?

ดูปฏิกิริยาต่อไปนี้ของไฮโดรเจนและกรดไนตริก:

ในการหาลำดับ คุณจำเป็นต้องรู้เลขชี้กำลังของกฎอัตราซึ่งจะเขียนว่า:

ต้องใช้ข้อมูลที่ระบุความเข้มข้นของสารตั้งต้นและอัตราเริ่มต้น

พิจารณาข้อมูลต่อไปนี้:

ในการหาลำดับของสารตั้งต้นแต่ละตัว ให้เริ่มต้นด้วยการค้นหาการทดลองโดยที่สารตั้งต้นอีกตัวหนึ่งมีค่าคงที่ ตัวอย่างเช่น ในการตรวจสอบลำดับที่เกี่ยวกับ NO การดูการทดลองที่ 1 และ 2 จะเป็นประโยชน์ เนื่องจากความเข้มข้นของ NO จะเพิ่มเป็นสองเท่า แต่ให้ความเข้มข้นของ H₂ เป็นค่าคงที่

การทดลองที่ 1 และ 2 แสดงให้เห็นว่าเมื่อเพิ่มความเข้มข้นของ NO เป็นสองเท่า อัตราจะเพิ่มเป็นสี่เท่า เขียนกฎอัตราสำหรับการทดลองทั้งสองนี้ดังนี้:

และ

อัตราส่วนระหว่างด้านขวาทั้งสองข้างของสมการคือ 4 ดังนั้นหลังจากหารสมการแรกด้วยสมการที่สอง คุณจะได้:

ดังนั้น y = 2

ถัดไป คุณสามารถค้นหาคำสั่งที่เกี่ยวข้องกับ H₂. การทดลองที่ 2 และ 3 ระบุว่าการเพิ่ม H. เป็นสองเท่า₂ ความเข้มข้นเป็นสองเท่าของอัตรา ซึ่งหมายความว่าปฏิกิริยาเป็นอันดับแรกในH₂.

ดังนั้นกฎอัตราคือ:

การบวกเลขชี้กำลัง 1 และ 2 เข้าด้วยกันจะได้ 3 หมายความว่าปฏิกิริยาเป็นลำดับที่สาม

ประเด็นสำคัญบางประการเกี่ยวกับกฎหมายอัตรา:

1. กฎดิบไม่สามารถหาได้จากสมการเคมี พวกเขาต้อง เสมอ หาได้จากการทดลอง จากความเข้มข้นของสารตั้งต้นและอัตราการเกิดปฏิกิริยา คุณสามารถหาลำดับปฏิกิริยาดังที่แสดงไว้ด้านบนและหาค่าคงที่ของอัตราได้ด้วย
2. สำหรับกฎหมายว่าด้วยอัตราการสั่งซื้อเป็นศูนย์ อัตราจะเท่ากับอัตราคงที่
3. ลำดับปฏิกิริยาถูกกำหนดโดยความเข้มข้นของสารตั้งต้นเสมอ
4. ลำดับของสารตั้งต้นไม่เกี่ยวข้องกับสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ในสมการเคมีที่สมดุล

ลำดับของปฏิกิริยาจะบอกคุณว่าอัตราเปลี่ยนแปลงตามความเข้มข้นของสารตั้งต้นอย่างไร

ปฏิกิริยาลำดับแรกคือปฏิกิริยาที่มีอัตราขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ยกกำลังแรก ซึ่งหมายความว่าเมื่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า อัตราก็จะเป็นเช่นนั้น

ปฏิกิริยาการสลายตัวหลายอย่างเป็นลำดับแรก ตัวอย่างคือการสลายตัวของ N₂โอ₅:

ปฏิกิริยาอันดับสองคือปฏิกิริยาที่มีอัตราขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นหนึ่งตัวต่อกำลังสองหรือความเข้มข้นของสารตั้งต้นสองตัวแต่ละตัวต่อกำลังแรก

ตัวอย่างหนึ่งของปฏิกิริยาลำดับที่สองคือการรวมกันของไอโอดีนเพื่อสร้างโมเลกุลไอโอดีนในเฟสของแก๊ส: