2.7 : חוק הקצב וסדר תגובה

קצב התגובה מושפע מריכוזי המגיבים. חוקי קצב (חוקי קצב דיפרנציאלי) או משוואות קצב הם ביטויים מתמטיים המתארים את הקשר בין קצב תגובה כימית לריכוז המגיבים שלה.

לדוגמה, בתגובה גנרית aA + bB ⟶ מוצרים, כאשר a ו-b הם מקדמים סטוכיומטריים, ניתן לכתוב את חוק הקצב כך:

קצב = k[A]^m[B]^n

[A] ו-[B] מייצגים את הריכוזים המולאריים של מגיבים, ו-k הוא קבוע הקצב, שהוא ספציפי לתגובה מסוימת בטמפרטורה מסוימת.

המעריכים m ו-n הם סדרי התגובה והם בדרך כלל מספרים שלמים חיוביים, אם כי הם יכולים להיות שברים, ערכים שליליים או אפס.

קבוע הקצב k וסדרי התגובה m ו-n נקבעים בניסוי על ידי התבוננות כיצד קצב התגובה משתנה עם שינוי ריכוזי המגיבים. קבוע הקצב k אינו תלוי בריכוזי המגיבים אך משתנה בהתאם לטמפרטורה.

סדרי התגובה בחוק קצב מתארים את התלות המתמטית של הקצב בריכוזי המגיבים. בהתייחס לחוק הקצב הגנרי (קצב = k[A]^m[B]^n), התגובה היא מסדר חודש ביחס ל-A וסדר n'י ביחס ל-B. לדוגמה, אם m = 1 ו-n = 2, ה- התגובה היא מסדר ראשון ב-A וסדר שני ב-B. סדר התגובה הכולל הוא פשוט סכום הסדרים עבור כל מגיב. עבור חוק הקצב לדוגמה כאן, התגובה היא מסדר שלישי בסך הכל (1 + 2 = 3).

גישה ניסיונית נפוצה לקביעת חוקי הקצב היא שיטת הקצבים התחלתיים. שיטה זו כוללת מדידת קצבי תגובה עבור מחקרים ניסויים מרובים המבוצעים באמצעות ריכוזי מגיבים התחלתיים שונים. השוואת הקצבים הנמדדים עבור ניסויים אלה מאפשרת קביעת סדרי התגובה, ולאחר מכן, קבוע הקצב, המשמשים יחד לגיבוש חוק קצב.

חוקי קצב עשויים להציג סדרים חלקיים עבור מגיבים מסוימים, ולעתים נצפים סדרי תגובה שליליים כאשר עלייה בריכוז של מגיב אחד גורמת לירידה בקצב התגובה. חשוב לציין שחוקי הקצב נקבעים על ידי ניסוי בלבד ואינם צפויים בצורה מהימנה על ידי סטוכיומטריית תגובה.

סדר התגובה קובע את הקשר בין קצב התגובה לריכוז המגיבים או המוצרים.

• בתגובה מסדר אפס, לריכוז המגיבים אין כל השפעה על קצב התגובה, שנשאר קבוע לאורך כל הדרך.
• בתגובה מסדר ראשון, קצב התגובה הוא פרופורציונלי ישיר ולינארי לשינוי בריכוז המגיבים. ככל שריכוז המגיבים יורד, גם קצב התגובה יורד באופן פרופורציונלי.
• בתגובות מסדר שני או מסדר גבוה יותר, קצב התגובה פרופורציונלי לערך האקספוננציאלי של המגיבים. לכן, ככל שהתגובה מתקדמת וריכוז המגיבים יורד, קצב התגובה יורד באופן אקספוננציאלי.

הטקסט הזה מותאם מOpenstax, Chemistry 2e, Section 12.3: Rate Laws.