Reaksietempo's en tempowette: hoe konsentrasie spoed beheer

Meet hoe vinnig 'n reaksie verloop

'n Reaksietempo is die verandering in konsentrasie van 'n reaktant of produk per tydeenheid, gewoonlik in mol L⁻¹ s⁻¹. Reaktantkonsentrasies daal soos 'n reaksie verloop, dus is hul verandering negatief. 'n Minusteken word voor reaktantterme geplaas sodat elke tempo as 'n positiewe getal gerapporteer word.

'n Gemiddelde tempo is die verandering in konsentrasie oor 'n tydinterval gedeel deur die lengte van daardie interval. 'n Oombliklike tempo is die helling van die raaklyn aan die konsentrasie–tyd-kurwe op een oomblik. Die aanvangstempo is die oombliklike tempo by tyd nul, voordat produkte opbou. Vir die meeste reaksies daal die tempo soos die tyd verbygaan, omdat die reaktante opgebruik word.

Konsentrasie is een van verskeie faktore wat die tempo bepaal. Temperatuur, katalisators, die oppervlakte van 'n vaste reaktant en die chemiese aard van die reaktante maak ook saak. Hierdie gids hou temperatuur konstant en fokus op konsentrasie; die effek van temperatuur is die onderwerp van die gids oor aktiveringsenergie.

Een reaksie, een tempo: deel deur die koëffisiënte

Verskillende spesies in dieselfde reaksie verander teen verskillende spoed, eweredig aan hul koëffisiënte. Om 'n enkele tempo vir die hele reaksie te gee, deel elke spesie se tempo van verandering deur sy koëffisiënt. Vir aA + bB → cC + dD is die reaksietempo −(1/a)Δ[A]/Δt = −(1/b)Δ[B]/Δt = (1/c)Δ[C]/Δt = (1/d)Δ[D]/Δt.

Uitgewerkte voorbeeld 1. In die ontbinding 2 N₂O₅(g) → 4 NO₂(g) + O₂(g) vorm stikstofdioksied op een oomblik teen 6.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. Die reaksietempo is (1/4)(6.0 × 10⁻⁵) = 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. N₂O₅ word teen twee keer die reaksietempo opgebruik, 3.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹, en O₂ vorm teen die reaksietempo, 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. Al vier stellings beskryf dieselfde gebeurtenis.

Dieselfde boekhouding werk vir gemiddelde tempo's. Veronderstel, as illustrasie, dat [N₂O₅] gedurende die eerste 300 s van 0.0200 mol/L tot 0.0169 mol/L daal. Die gemiddelde tempo van N₂O₅-verbruik is (0.0200 − 0.0169)/300 s = 1.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. Die aftrekking laat slegs twee beduidende syfers oor, dus het die resultaat twee. Oor dieselfde interval vorm NO₂ teen twee keer die onafgeronde gemiddelde tempo, 2 × 1.03 × 10⁻⁵ = 2.1 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

'n Tempowet skryf: tempokonstante en reaksie-ordes

'n Tempowet druk die tempo uit as 'n produk van konsentrasies tot magte verhef: tempo = k[A]ᵐ[B]ⁿ. Die tempokonstante k is spesifiek vir een reaksie by een temperatuur en hang nie van konsentrasie af nie. Die eksponente m en n is die reaksie-ordes ten opsigte van A en B, en hul som is die totale orde. Ordes is gewoonlik 0, 1 of 2, maar breuk- en negatiewe ordes word ook waargeneem.

Elke orde vertel jou hoe die tempo op 'n verandering in een konsentrasie reageer. As 'n reaksie nulde orde in A is, het die verandering van [A] geen effek op die tempo nie. As dit eerste orde is, verdubbel die verdubbeling van [A] die tempo. As dit tweede orde is, vermenigvuldig die verdubbeling van [A] die tempo met 2² = 4. Vir tempo = k[A]²[B] verander die verdubbeling van [A] terwyl [B] gehalveer word, die tempo met 'n faktor van 2² × ½ = 2.

Ordes moet gemeet word. OpenStax afdeling 12.3 gee die reaksie NO₂(g) + CO(g) → NO(g) + CO₂(g) as voorbeeld: sy tempowet is tempo = k[NO₂]², tweede orde in NO₂ en nulde orde in CO, al het elke reaktant 'n koëffisiënt van 1.

Die metode van aanvangstempo's, stap vir stap

Die metode van aanvangstempo's voer dieselfde reaksie verskeie kere by een temperatuur uit, verander een beginkonsentrasie op 'n slag, en meet die tempo heel aan die begin van elke lopie.

Uitgewerkte voorbeeld 2. Die data hier is illustratief, opgestel vir oefening. Vir A + 2 B → produkte gee drie lopies: proef 1, [A] = 0.0100 mol/L en [B] = 0.0100 mol/L, aanvangstempo 2.40 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; proef 2, [A] = 0.0150 mol/L en [B] = 0.0100 mol/L, tempo 5.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; proef 3, [A] = 0.0100 mol/L en [B] = 0.0300 mol/L, tempo 7.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹.

Slegs [A] verander tussen proewe 1 en 2, met 'n faktor van 1.50, en die tempo styg met 'n faktor van 2.208. Los 2.208 = 1.50ᵐ met logaritmes op: m = ln 2.208 / ln 1.50 = 1.95. Gemete tempo's dra eksperimentele fout, dus word 'n waarde so naby aan 'n heelgetal afgerond: m = 2. Slegs [B] verander tussen proewe 1 en 3, met 'n faktor van 3.00, en die tempo styg met 3.04, dus n = ln 3.04 / ln 3.00 = 1.01, wat tot 1 afrond. Die tempowet is tempo = k[A]²[B], derde orde in totaal. Let op dat B 'n koëffisiënt van 2 in die vergelyking het, maar eerste orde is.

Vind nou k uit elke proef: k = tempo / ([A]²[B]). Die drie waardes is 2.40, 2.36 en 2.43 L² mol⁻² s⁻¹, met 'n gemiddelde van 2.40, dus rapporteer k = 2.4 L² mol⁻² s⁻¹. Gebruik dit om die tempo te voorspel wanneer [A] = 0.0200 mol/L en [B] = 0.0250 mol/L: tempo = 2.4 × (0.0200)² × 0.0250 = 2.4 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

• Kies twee proewe waarin slegs een konsentrasie verander.
• Deel die groter tempo deur die kleiner een en die ooreenstemmende konsentrasies op dieselfde manier. Los dan op: tempoverhouding = (konsentrasieverhouding) tot die mag van die orde.
• Rond elke orde af tot 'n sinvolle waarde ('n heelgetal, of soms ½) en herhaal vir die ander reaktante.
• Bereken k uit elke proef en neem die gemiddelde van die resultate, eerder as om op 'n enkele lopie te vertrou.

Die eenhede van k onthul die totale orde

Die tempo het altyd eenhede van konsentrasie per tyd, dus moet die eenhede van k die tempowet laat klop. Met konsentrasies in mol/L en tyd in sekondes het k eenhede van (mol/L)¹⁻ⁿ s⁻¹, waar n die totale orde is. Om die eenhede van 'n gegewe tempokonstante te lees, is 'n vinnige manier om die totale orde van 'n reaksie te bepaal.

• Nulde orde: mol L⁻¹ s⁻¹.
• Eerste orde: s⁻¹, met geen konsentrasie-eenheid nie.
• Tweede orde: L mol⁻¹ s⁻¹.
• Derde orde: L² mol⁻² s⁻¹, soos in uitgewerkte voorbeeld 2.

Hoekom die gebalanseerde vergelyking nie die ordes kan gee nie

Die meeste reaksies verloop deur 'n reeks eenvoudiger gebeurtenisse, elementêre stappe genoem, wat saam die meganisme vorm. Vir 'n enkele elementêre stap, en slegs vir een, kan die tempowet uit die stap se koëffisiënte geskryf word: 'n stap waarin twee NO₂-molekule bots, is tweede orde in NO₂. Die aantal deeltjies wat in 'n stap bots, is sy molekulariteit.

Die stadigste stap in 'n meganisme beperk die totale tempo en word die tempobepalende stap genoem. OpenStax afdeling 12.6 verduidelik die NO₂ + CO-tempowet op hierdie manier. 'n Stadige eerste stap, NO₂ + NO₂ → NO₃ + NO, word gevolg deur 'n vinnige stap, NO₃ + CO → NO₂ + CO₂. Die twee stappe tel op tot die algehele vergelyking. CO kom eers ná die stadige stap in, dus verskyn sy konsentrasie nie in die tempowet nie. 'n Gebalanseerde algehele vergelyking beskryf wat verbruik en geproduseer word, nie hoe die reaksie plaasvind nie, en daarom moet ordes gemeet word.

Glipse met tempowette en hoe om hulle te vang

Die meeste foute in kinetikaprobleme kom daarvan om die gebalanseerde vergelyking te lees asof dit 'n tempowet is, of om elke spesie se tempo as dieselfde getal te behandel.

• Reaksie-ordes uit die koëffisiënte van 'n algehele vergelyking neem. Ordes kom uit data of uit 'n bekende meganisme.
• Vergeet om deur koëffisiënte te deel wanneer die tempo van een spesie na die tempo van 'n ander omgeskakel word.
• 'n Minusteken by 'n reaktanttempo weglaat en 'n negatiewe reaksietempo rapporteer.
• Twee proewe vergelyk waarin meer as een konsentrasie gelyktydig verander het.
• k sonder eenhede bereken. Sy eenhede bevestig of die totale orde reg is.
• 'n Gemete orde van 1.95 tot 1.9 in plaas van 2 afrond. Data uit eksperimente gee selde presiese heelgetalle.