2.7 : Закон скорости и порядок реакции

На скорость реакции влияет концентрация реагирующих веществ. Законы скорости (дифференциальные законы скорости) или уравнения скорости — это математические выражения, описывающие связь между скоростью химической реакции и концентрацией ее реагентов.

Например, в общей реакции продуктов aA + bB ⟶, где a и b — стехиометрические коэффициенты, закон скорости можно записать как:

скорость = k[A]m[B]n

Здесь [A] и [B] представляют собой молярные концентрации реагентов, а k — константа скорости, специфичная для конкретной реакции при определенной температуре.

Показатели степени m и n представляют собой порядки реакции и обычно являются положительными целыми числами, хотя они могут быть дробными, отрицательными значениями или нулем.

Константу скорости k и порядки реакции m и n определяют экспериментально, наблюдая за изменением скорости реакции при изменении концентрации реагирующих веществ. Константа скорости k не зависит от концентрации реагентов, но меняется в зависимости от температуры.

Порядки реакции в законе скорости описывают математическую зависимость скорости от концентрации реагентов. Ссылаясь на общий закон скорости (скорость = k[A]m[B]n), реакция имеет m-й порядок по отношению к A и n-й порядок по отношению к B. Например, если m = 1 и n = 2, реакция имеет первый порядок по A и второй порядок по B. Общий порядок реакции представляет собой просто сумму порядков для каждого реагента. Для приведенного здесь примера закона скорости реакция в целом имеет третий порядок (1 + 2 = 3).

Распространенным экспериментальным подходом к определению законов скорости является метод начальных скоростей. Этот метод включает измерение скорости реакции для нескольких экспериментальных испытаний, проведенных с использованием различных начальных концентраций реагентов. Сравнение измеренных скоростей в этих испытаниях позволяет определить порядки реакций и, следовательно, константу скорости, которые вместе используются для формулирования закона скорости.

Законы скорости могут иметь дробные порядки для некоторых реагентов, а отрицательные порядки реакции иногда наблюдаются, когда увеличение концентрации одного реагента вызывает уменьшение скорости реакции. Важно отметить, что законы скорости определяются только экспериментом и не могут быть надежно предсказаны стехиометрией реакции.

Порядок реакции определяет связь между скоростью реакции и концентрацией реагентов или продуктов.

• В реакции нулевого порядка концентрация реагентов не оказывает никакого влияния на скорость реакции, которая остается постоянной на протяжении всей реакции.
• В реакции первого порядка скорость реакции прямо и линейно пропорциональна изменению концентрации реагента. С уменьшением концентрации реагента пропорционально уменьшается и скорость реакции.
• В реакциях второго и более высокого порядка скорость реакции пропорциональна экспоненциальному значению реагентов. Следовательно, по мере развития реакции и уменьшения концентрации реагентов скорость реакции снижается экспоненциально.