Скорости реакции и как определить закон скорости

Скорость химической реакции определяется — и изменяется — многими факторами, включая природу (реакционную способность) реагентов, площадь поверхности, температуру, концентрацию и катализаторы. Для каждой уникальной химической реакции законы скорости могут быть записаны в виде уравнения закона скорости, чтобы показать, как концентрации реагентов влияют на скорость реакции. Важно отметить, что вы можете определить закон скорости только экспериментально!

Что такое закон скорости? Уравнение закона скорости

Скорость реакции может зависеть от того, насколько концентрированы наши реагенты. Закон скорости химической реакции - это уравнение, которое описывает взаимосвязь между концентрациями реагентов в реакции и скоростью реакции.

В стандартной форме уравнение закона скорости записывается как:

R = k [A] n [B] m

R - скорость реакции, выраженная в концентрации / единице времени (обычно М / с = молярность / секунда)
k - конкретная константа скорости
A и B - молярные концентрации реагентов, выраженные в М (молях растворенного вещества / литрах раствора)
n и m - порядки реакции
Интегрированная форма уравнения закона скорости также важна для химиков, изучающих кинетику. Ознакомьтесь с этой статьей, чтобы узнать больше об интегрированных законах скорости.

Давайте разберем каждый из этих компонентов.

Скорость реакции
R = k [A] n [B] m

Как упоминалось ранее, на скорость реакции влияют многие факторы. Вот почему каждая химическая реакция имеет уникальный закон скорости — каждая реакция имеет свой набор реагентов, а также разные экспериментальные условия, которые влияют на скорость реакции.

Скорости реакции определяются как концентрация продукта, которая образуется по мере протекания реакции с течением времени, поэтому они обычно выражаются в молярности / времени в секундах (м / с).

Удельная константа скорости
R = k [A] n [B] m

Каждая реакция имеет свою собственную константу в уравнении скорости. Удельная константа скорости (k) - это константа пропорциональности, которая уникальна для каждой экспериментальной реакции. Это означает, что его значение зависит от других факторов в эксперименте, которые изменяют скорость реакции, таких как температура. Даже при использовании одних и тех же соединений, используемых в реакции, k может изменяться при изменении других факторов, изменяющих скорость.

Кроме того, единицы измерения конкретной константы скорости зависят от порядков реакции. Это будет обсуждаться более подробно позже.

Молярные концентрации реагентов
R = k [A] n [B] m

Закон скорости использует молярные концентрации реагентов для определения скорости реакции. Как правило, повышенные концентрации реагентов увеличивают скорость реакции, потому что больше молекул сталкиваются и реагируют друг с другом.

Обозначение “[A]” читается как “молярная концентрация реагента A.”

Концентрации реагентов имеют единицы молярности (М), или моли растворенного вещества / литры раствора.

Порядок реагентов и реакции
R = k [A] n [B] m

Порядок реагента - это степень, до которой повышается концентрация реагента в уравнении закона скорости. Порядок показывает математически, как концентрация реагента влияет на закон скорости.

Давайте начнем с самой простой версии уравнения закона скорости, R = k [A] n

Когда порядок равен 1 или n = 1, это означает, что зависимость между концентрацией реагента A и скоростью реакции прямо пропорциональна. Когда A увеличивается, R пропорционально увеличивается. Если A удваивается, R также удваивается.

Когда порядок равен 2 или n = 2, это означает, что скорость реакции прямо пропорциональна квадрату концентрации реагента A. Когда A увеличивается, R увеличивается, но не пропорционально. Например, если A удваивается, R увеличивается в четыре раза (потому что [2A] 2 = 4A 2.

Когда порядок равен 0 или n = 0, это означает, что на скорость реакции не влияет какое-либо изменение концентрации реагента. Это не означает, что реагент не нужен; реагент все еще необходим в реакции, но количество реагента не влияет на скорость реакции.

Общий порядок реакции - это сумма всех порядков реагентов, n + m.

Как определить закон скорости

Есть 2 основных вопроса, которые вы увидите, когда вас попросят определить закон скорости. Первый тип просит вас найти закон скорости из элементарных шагов. Второй тип просит вас найти закон скорости из таблицы, в которой перечислены различные эксперименты с различными концентрациями реагентов и скоростями реакции.

Иногда вам нужно будет найти закон скорости для реакции с промежуточным звеном. Для этого вам нужно найти шаг определения скорости.

Из элементарных шагов

Во многих реакциях химическое уравнение упрощает процесс реакции. Обычно существует множество промежуточных реакций или элементарных стадий, которые происходят для перехода от реагентов к продуктам.

Например, уравнение № 2 (g) + CO (g) > NO (g) + CO2 (g) представляет собой серию из 2 элементарных шагов:

НЕТ 2 + НЕТ 2 > НЕТ 3 + НЕТ [медленно]
НЕТ 3 + CO > НЕТ 2 + CO2 [быстро]
Когда вы сложите шаги вместе, вы получите: NO 2 + NO 2 + NO 3 + CO > NO 3 + NO + NO 2 + CO2.

№ 3 и № 2 отменяются с обеих сторон уравнения, поэтому вы остаетесь с исходным уравнением.

В этих задачах вам обычно будут даны элементарные шаги и скорости каждого из шагов. Например, в приведенном выше уравнении шаг 1 является медленным шагом, а шаг 2 быстрее. Более медленный шаг используется в качестве шага, определяющего скорость, потому что скорость реакции может быть такой же быстрой, как и самый медленный шаг. Вы бы использовали этап определения скорости, чтобы написать закон скорости, используя его реагенты.

R = k [№ 2] [№ 2] или R = k [№ 2] 2

Закон скорости не включает CO (второй реагент в исходном химическом уравнении). Это связано с тем, что CO не используется на более медленном этапе определения скорости, поэтому он не влияет на скорость реакции.

Из таблицы
Чтобы определить закон скорости из таблицы, вы должны математически рассчитать, как различия в молярных концентрациях реагентов влияют на скорость реакции, чтобы определить порядок каждого реагента. Затем введите значения скорости реакции и концентрации реагента, чтобы найти конкретную константу скорости. Наконец, перепишите закон скорости, введя конкретную константу скорости и порядок реагентов.

В приведенной таблице перечислены различные тесты реакции. В каждом отдельном тесте будут разные концентрации реагентов, и, как следствие, скорости реакции для этого теста будут разными.

Вот пример таблицы данных для эксперимента: 2HI (g) > H2 (g) + I2 (g)

Эксперимент [ПР] (М) Скорость (м / с)
1 0.015 1,1 * 10-3 м / с
2 0.030 4,4 * 10-3 м / с
3 0.045 9,9 * 10-3 м / с

Чтение таблицы

В эксперименте йодистый водород HI является реагентом, а H2 и I2 являются продуктами. Из таблицы видно, что было проведено 3 эксперимента по одной и той же реакции с различными концентрациями HI. В каждом эксперименте скорость реакции была разной из-за разных концентраций HI.

Определите закон скорости, используя таблицу

Нахождение порядка реагентов

Переходя от эксперимента 1 ко 2, вы можете видеть, что концентрация HI была удвоена (0,015 х 2 = 0,030). В результате (между теми же экспериментами) скорость реакции увеличилась в четыре раза (1,1 x 10-3 x 4 = 4,4 x 10-3). Из этого вы знаете, что порядок [HI] должен быть 2. Причина этого в том, что [2HI] x = 4HI 2, поэтому x = 2. Другими словами, 2 2 = 4.

Вы также можете проверить этот результат, используя эксперименты 1 и 3. Между этими тестами концентрация HI была утроена (0,015 * 3 = 0,045). В результате скорость реакции была умножена на коэффициент 9 (1.1 * 10-3 * 9 = 9.9 * 10-3). Поскольку 3 2 = 9, вы знаете, что порядок [HI] равен 2.

С помощью этого уравнения вы, по сути, используете соотношения уравнения закона скорости (R = k [A] n [B] m), чтобы найти порядки реагентов.

Подключая значения из приведенной выше таблицы, вы получаете:

(4,4 * 10-3 м / с) / (1,1 * 10-3 м / с) = k [0,030 М] н / k [0,015 м] н

Что упрощает: 4 = 2 n, поэтому n = 2. Как и ожидалось, это тот же порядок, который вы рассчитали ранее.

Нахождение конкретной константы скорости

Теперь, когда вы знаете порядок реагентов HI, вы можете начать писать закон скорости. Сначала вставьте порядок в уравнение закона скорости.

R = k [HI] 2

Теперь вы должны найти k, конкретную константу скорости. Помните, что k уникально для этого эксперимента и этой реакции. Введя значения любого из экспериментов в уравнение, вы можете найти k.

Если мы подключим значения из эксперимента 1, мы получим:

1,1 * 10-3 М / с = k [0,015 М] 2

k = 4,9 М-1 с-1

Итак, окончательный закон скорости для этого эксперимента: R = 4,9 М-1 с-1 [HI] 2

Единицы для конкретной константы скорости

Как упоминалось ранее, единицы измерения для конкретной константы скорости зависят от порядка реакции.

Имейте в виду:

Единицей измерения скорости реакции является М / с
Порядок реагента изменяет единицы в правой части уравнения
Для приведенного выше примера 1,1 * 10-3 М / с = k [0,015 М] 2, расширение правой части уравнения дает 1,1 * 10-3 М / с = k (0,000225 М2). Чтобы выделить k, вы можете разделить обе части уравнения на 0,000225 М2, чтобы получить k = (1,1 * 10-3 М / с) / (0,000225 М2). Единицы измерения k становятся M-1 s-1.

Однако в другом (отдельном, не связанном) примере, если бы закон скорости составлял 4,5 * 10-3 М / с = k [0,034 М] 2 [0,048 М] 3, единицы измерения для k были бы другими. В этом случае расширение правой части уравнения дает единицы M5 в правой части. Если выделить k, единицами измерения k будут (М / с) / M 5 или M-4 с-1.

Как вы можете видеть, порядок каждого реагента влияет на единицы конкретной константы скорости.

Примеры вопросов для определения закона скорости

Из элементарных шагов

Напишите закон скорости для следующей реакции, учитывая элементарные этапы механизма реакции: 2NO 2 (g) + F2 (g) > 2NO 2 F (g)

НЕТ 2 + F2 > НЕТ 2 F + F (медленно)
F + NO 2 > NO 2 F (быстро)
Объяснение: Поскольку шаг 1 является более медленным шагом, он определяет скорость этой реакции. Напишите закон скорости, введя реагенты в уравнение закона скорости.

Ответ: R = k [NO 2] [F 2]

Из таблицы
Эксперимент [A] (M) [B] (M) Скорость (м / с)
1 1.2 2.4 8.0  * 10-8
2 1.2 1.2 4.0 * 10-8
3 3.6 2.4 7.2 * 10-7

Объяснение:

Для начала напишите закон скорости для уравнения: R = k [A] n [B] m

Нахождение порядков реагентов

Давайте начнем с определения порядка реагента A. Как вы можете видеть в таблице, между экспериментами 1 и 2 концентрация B изменилась, но концентрация A не изменилась — это было бы бесполезно для определения порядка A. Однако между экспериментами 1 и 3 концентрация A изменилась, а B нет - этоидеально подходит для определения порядка A, потому что A - это единственное, что изменилось, и, следовательно, является единственной переменной, которая могла повлиять на скорость реакции.

Подключая значения из таблицы, вы получаете:

(7,2 * 10-7 м / с)/ (8,0 * 10-8 м / с) = (k [3,6 М] n [2,4 м] м)/(k [1,2 м] n [2,4 м] м)

Как вы можете видеть, в правой части уравнения значения k и [B] уравновешиваются, выделяя [A] . Упрощая уравнение, мы получаем:

9 = 3 n, поэтому n = 2. Порядок [A] равен 2.

Теперь давайте найдем порядок реагентов B. Как упоминалось ранее, между экспериментами 1 и 2 переменная [B] изолирована, потому что это единственная изменяемая переменная.

(4,0 * 10-8 м / с)/(8,0 * 10-8 м / с) = (k [1,2 м] n [1,2 м] м)/(k [1,2 м] n [2,4 м] м)

Опять же, значения k и [A] уравновешиваются. Упрощая уравнение, мы получаем:

1/2 = (1/2) m , поэтому m = 1. порядок [B] равен 1.

* В качестве примечания, вы также можете сделать это, сравнив значения в таблице, не используя уравнение. Между экспериментами 1 и 2, поскольку [B] было уменьшено вдвое, скорость реакции также уменьшилась вдвое. Таким образом, вы знаете, что концентрация B прямо пропорционально влияет на скорость реакции, а порядок B равен 1.

Нахождение конкретной константы скорости
Теперь, когда вы знаете порядок обоих реагентов, включите их в уравнение. R = k [A] 2 [B]

Наконец, найдите значение k, подключив значения из любого из экспериментов. Если мы решим использовать эксперимент 1, мы получим:

8,0 * 10-8 м / с = k [1,2 М] 2 [2,4 м] = k (3,456 м3)

k = 2,3 * 10-8 М-2 с-1

Определите уравнение закона скорости
Итак, окончательный закон скорости для этого эксперимента: R = (2,3 * 10-8 М-2 с-1) [A] 2 [B]