Закон скорости и порядок реакции

Изучение кинетики в общей химии часто связано с пониманием того, как скорость химической реакции зависит от концентрации реагентов. Эта область называется кинетикой реакции, и она действует в соответствии с определенными принципами, называемыми законами скорости и порядком реакции.

Введение в закон скорости

Закон скорости химической реакции — это уравнение, связывающее скорость реакции с концентрациями реагентов. Чтобы математически выразить это для общей реакции:

AA + BB → CC + DD

Закон скорости можно выразить как:

Скорость = k[A] m [B] n

Где:

• скорость — это скорость реакции.
• k — это константа скорости, число, содержащее информацию о скорости реакции.
• [A] и [B] — это молярные концентрации реагентов A и B
• m и n — это порядки реакции по каждому реагенту.

Понимание порядка реакции

Порядок реакции — важное понятие в кинетике. Он предоставляет информацию о том, как концентрация реагентов влияет на скорость реакции. Общий порядок реакции — это сумма показателей степени концентрационных членов в уравнении закона скорости. Различные порядки могут существенно влиять на скорость реакции:

Реакции нулевого порядка

Реакция нулевого порядка означает, что скорость реакции не зависит от концентрации реагентов. Закон скорости для реакции нулевого порядка выглядит так:

Скорость = K

Графически концентрация реагентов уменьшается линейно со временем на графике зависимости концентрации от времени. Например, рассмотрим разложение аммиака на платиновой поверхности:

2NH 3 (г) → N 2 (г) + 3H 2 (г)

Закон скорости для реакции нулевого порядка может быть представлен на графике следующим образом:

Реакции первого порядка

Для реакции первого порядка скорость реакции прямо пропорциональна концентрации одного из реагентов:

Скорость = k[A]

Примером реакции первого порядка является радиоактивный распад изотопа или разложение N ₂ O ₅ :

2N 2 O 5 → 4NO 2 + O 2

Реакции первого порядка демонстрируют экспоненциальное поведение распада, которое можно представить следующим образом:

Реакции второго порядка

Реакции второго порядка зависят от квадрата концентрации одного реагента или от концентрации двух различных реагентов. Закон скорости для реакции второго порядка таков:

Скорость = k[A] 2 или Скорость = k[A][B]

Известная реакция второго порядка включает удвоение диоксида азота:

2NO 2 → N 2 O 4

График реакции второго порядка (с одним реагентом) выглядит так:

Определение порядка реакции и закона скорости

Определение порядка реакции и закона скорости на основе экспериментальных данных является основой кинетики. Два распространенных метода для этой цели — метод начальных скоростей и метод интегрированного закона скорости.

Метод начальных скоростей

Этот метод использует начальные скорости реакции, полученные при разных начальных концентрациях реагентов, для определения порядка по каждому реагенту. Если вы знаете, что закон скорости таков:

Скорость = k[A] m [B] n

Вы можете варьировать концентрацию A при постоянной B, чтобы определить m, а затем варьировать B при постоянной A, чтобы определить n. Например, допустим, что у нас есть такие три эксперимента:

Эксперимент | [A] | [B] | Скорость (моль/Л*с)
1 | 0.1 | 0.1 | 0.005
2 | 0.2 | 0.1 | 0.01
3 | 0.1 | 0.2 | 0.01
    

Из экспериментов 1 и 2 видно, что удвоение [A] также удваивает скорость, что указывает на реакцию первого порядка по A. Из экспериментов 1 и 3 видно, что удвоение [B] также удваивает скорость, что указывает на реакцию первого порядка по B.

Таким образом, закон скорости на основе этих данных будет:

Скорость = k[A][B]

Метод интегрированного закона скорости

Этот метод включает анализ данных о зависимости концентрации от времени для определения порядка реакции. Интегрированные законы скорости для реакций нулевого, первого и второго порядка таковы:

• Нулевой порядок: [A] = [A] 0 - kt
• Первый порядок: ln([A]/[A] 0 ) = -kt
• Второй порядок: 1/[A] = 1/[A] 0 + kt

В этих уравнениях [A] 0 — это начальная концентрация реагента. Путем построения графика соответствующего преобразования данных и проверки линейности можно определить порядок реакции.

Значимость константы скорости

Константа скорости k важна в законе скорости, поскольку она в сочетании с концентрацией дает скорость реакции. Каждая реакция имеет уникальную константу скорости, которая может изменяться при изменении температур. Закон Аррениуса связывает константу скорости с температурой, показывая, что:

k = a * e - ea/(rt)

Где:

• A — это фактор частоты.
• _{E a} — это энергия активации.
• R — это газовая постоянная.
• T — это температура в Кельвинах.

Уравнение Аррениуса показывает, что константа скорости становится больше при более высоких температурах, что обычно приводит к более быстрой реакции.

Катализ и скорость реакции

Катализаторы — это вещества, которые ускоряют реакцию, не затрачиваясь при этом. Давайте разберем их роль:

• Низкая энергия активации: Катализаторы обеспечивают альтернативный путь с более низкими энергетическими барьерами.
• Увеличенный коэффициент скорости: По мере уменьшения E a k становится больше в соответствии с законом Аррениуса.

Важно, что катализаторы не изменяют порядок реакции; они только увеличивают скорость достижения равновесия.

Заключение

Освоение концепций законов скорости и порядков реакции необходимо для прогнозирования того, как химические системы реагируют на различные условия. Понимание этих идей позволяет химикам делать реакции более безопасными, быстрыми и энергоэффективными, влияя на различные отрасли промышленности от фармацевтики до экологической науки.

Комментарии