2.7 : Równanie szybkości i kolejność reakcji

Na szybkość reakcji wpływa stężenie reagentów. Prawa szybkości (prawa szybkości różnicowej) lub równania szybkości to wyrażenia matematyczne opisujące zależność między szybkością reakcji chemicznej a stężeniem jej reagentów.

Na przykład w ogólnej reakcji aA + bB ⟶ produkty, gdzie a i b są współczynnikami stechiometrycznymi, równanie szybkości można zapisać jako:

szybkość = k[A]^m[B]^n

[A] i [B] reprezentują stężenia molowe reagentów, a k jest stałą szybkości, która jest specyficzna dla konkretnej reakcji w określonej temperaturze.

Wykładniki m i n są rzędami reakcji i zazwyczaj są dodatnimi liczbami całkowitymi, chociaż mogą to być ułamki zwykłe, wartości ujemne lub zero.

Stałą szybkości k i rzędy reakcji m i n wyznacza się eksperymentalnie, obserwując, jak zmienia się szybkość reakcji wraz ze zmianą stężeń reagentów. Stała szybkości k jest niezależna od stężenia reagentów, ale zmienia się wraz z temperaturą.

Rzędy reakcji w prawie szybkości opisują matematyczną zależność szybkości od stężeń reagentów. Odnosząc się do ogólnego prawa szybkości (szybkość = k[A]^m[B]^n), reakcja jest m-tego rzędu w odniesieniu do A i n-tego rzędu w odniesieniu do B. Na przykład, jeśli m = 1 i n = 2, reakcja jest pierwszego rzędu w A i drugiego rzędu w B. Ogólny porządek reakcji to po prostu suma rzędów dla każdego reagenta. W przypadku przykładowego prawa szybkości reakcja jest ogólnie trzeciego rzędu (1 + 2 = 3).

Powszechnym eksperymentalnym podejściem do wyznaczania praw szybkości jest metoda stóp początkowych. Metoda ta polega na pomiarze szybkości reakcji dla wielu prób eksperymentalnych prowadzonych przy różnych początkowych stężeniach reagentów. Porównanie zmierzonych szybkości w tych próbach pozwala na określenie rzędów reakcji, a następnie stałej szybkości, które łącznie służą do sformułowania prawa szybkości.

W przypadku niektórych reagentów prawa szybkości mogą wykazywać rzędy ułamkowe, a czasami obserwuje się ujemne rzędy reakcji, gdy wzrost stężenia jednego reagenta powoduje zmniejszenie szybkości reakcji. Należy zauważyć, że prawa szybkości są określane wyłącznie eksperymentalnie i nie można ich wiarygodnie przewidzieć na podstawie stechiometrii reakcji.

Kolejność reakcji określa zależność między szybkością reakcji a stężeniem reagentów lub produktów.

• W reakcji zerowego rzędu stężenie reagentów nie ma żadnego wpływu na szybkość reakcji, która pozostaje stała przez cały czas.
• W reakcji pierwszego rzędu szybkość reakcji jest bezpośrednio i liniowo proporcjonalna do zmiany stężenia reagenta. Wraz ze spadkiem stężenia reagenta, szybkość reakcji również maleje proporcjonalnie.
• W reakcjach drugiego lub wyższego rzędu szybkość reakcji jest proporcjonalna do wykładniczej wartości reagentów. Dlatego w miarę postępu reakcji i zmniejszania się stężenia reagentów, szybkość reakcji maleje wykładniczo.

Ten tekst jest adaptacjąOpenstax, Chemistry 2e, Section 12.3: Rate Laws.