Reaksiya sürətləri və sürət qanunları: qatılıq sürəti necə idarə edir

Reaksiyanın nə qədər sürətlə getdiyinin ölçülməsi

Reaksiya sürəti reagentin və ya məhsulun qatılığının vahid zamanda dəyişməsidir və adətən mol L⁻¹ s⁻¹ ilə ifadə olunur. Reaksiya getdikcə reagentlərin qatılıqları azalır, buna görə onların dəyişməsi mənfidir. Hər sürətin müsbət ədəd kimi göstərilməsi üçün reagent hədlərinin qarşısına mənfi işarəsi qoyulur.

Orta sürət qatılığın zaman intervalı ərzindəki dəyişməsinin həmin intervalın uzunluğuna nisbətidir. Ani sürət müəyyən anda qatılıq–zaman əyrisinə çəkilmiş toxunanın meylidir. Başlanğıc sürət sıfır anındakı, məhsullar toplanmazdan əvvəlki ani sürətdir. Əksər reaksiyalarda sürət zaman keçdikcə azalır, çünki reagentlər sərf olunur.

Qatılıq sürəti müəyyən edən bir neçə amildən biridir. Temperatur, katalizatorlar, bərk reagentin səth sahəsi və reagentlərin kimyəvi təbiəti də əhəmiyyətlidir. Bu bələdçi temperaturu sabit saxlayır və qatılığa diqqət yetirir; temperaturun təsiri aktivləşmə enerjisi bələdçisinin mövzusudur.

Bir reaksiya, bir sürət: əmsallara bölmə

Eyni reaksiyadakı müxtəlif növlər öz əmsallarına mütənasib olaraq müxtəlif sürətlərlə dəyişir. Bütün reaksiya üçün tək sürət vermək üçün hər növün dəyişmə sürətini onun əmsalına bölün. aA + bB → cC + dD üçün reaksiya sürəti −(1/a)Δ[A]/Δt = −(1/b)Δ[B]/Δt = (1/c)Δ[C]/Δt = (1/d)Δ[D]/Δt-dir.

Həll olunmuş nümunə 1. 2 N₂O₅(g) → 4 NO₂(g) + O₂(g) parçalanmasında müəyyən anda azot dioksid 6.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ sürətlə əmələ gəlir. Reaksiya sürəti (1/4)(6.0 × 10⁻⁵) = 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹-dir. N₂O₅ reaksiya sürətinin iki misli, 3.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ sürətlə sərf olunur, O₂ isə reaksiya sürəti ilə, 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ əmələ gəlir. Dörd ifadənin hamısı eyni hadisəni təsvir edir.

Eyni hesab qaydası orta sürətlər üçün də işləyir. İllüstrasiya kimi fərz edək ki, ilk 300 s ərzində [N₂O₅] 0.0200 mol/L-dən 0.0169 mol/L-ə qədər azalır. N₂O₅-in orta sərf olunma sürəti (0.0200 − 0.0169)/300 s = 1.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹-dir. Çıxma əməli yalnız iki əhəmiyyətli rəqəm saxlayır, buna görə nəticədə də iki rəqəm var. Həmin interval ərzində NO₂ yuvarlaqlaşdırılmamış orta sürətin iki misli ilə əmələ gəlir: 2 × 1.03 × 10⁻⁵ = 2.1 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

Sürət qanununun yazılması: sürət sabiti və reaksiya tərtibləri

Sürət qanunu sürəti qüvvətə yüksəldilmiş qatılıqların hasili kimi ifadə edir: sürət = k[A]ᵐ[B]ⁿ. Sürət sabiti k müəyyən temperaturda müəyyən reaksiyaya xasdır və qatılıqdan asılı deyil. m və n üstləri A və B-yə görə reaksiya tərtibləridir, onların cəmi isə ümumi tərtibdir. Tərtiblər adətən 0, 1 və ya 2 olur, lakin kəsr və mənfi tərtiblər də müşahidə olunur.

Hər tərtib sürətin bir qatılığın dəyişməsinə necə cavab verdiyini göstərir. Reaksiya A-ya görə sıfırıncı tərtibdirsə, [A]-nın dəyişməsi sürətə təsir etmir. Birinci tərtibdirsə, [A]-nı iki dəfə artırmaq sürəti iki dəfə artırır. İkinci tərtibdirsə, [A]-nı iki dəfə artırmaq sürəti 2² = 4 dəfə artırır. sürət = k[A]²[B] üçün [A]-nı iki dəfə artırıb [B]-ni iki dəfə azaltmaq sürəti 2² × ½ = 2 dəfə dəyişir.

Tərtiblər ölçülməlidir. OpenStax bölmə 12.3 nümunə kimi NO₂(g) + CO(g) → NO(g) + CO₂(g) reaksiyasını verir: onun sürət qanunu sürət = k[NO₂]²-dir, yəni hər reagentin əmsalı 1 olsa da, reaksiya NO₂-yə görə ikinci, CO-ya görə isə sıfırıncı tərtibdir.

Başlanğıc sürətlər üsulu, addım-addım

Başlanğıc sürətlər üsulunda eyni reaksiya eyni temperaturda bir neçə dəfə aparılır, hər dəfə yalnız bir başlanğıc qatılıq dəyişdirilir və hər təcrübənin lap əvvəlində sürət ölçülür.

Həll olunmuş nümunə 2. Buradakı məlumatlar illüstrativdir və məşq üçün qurulub. A + 2 B → məhsullar reaksiyası üçün üç təcrübə belə nəticə verir: təcrübə 1, [A] = 0.0100 mol/L və [B] = 0.0100 mol/L, başlanğıc sürət 2.40 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; təcrübə 2, [A] = 0.0150 mol/L və [B] = 0.0100 mol/L, sürət 5.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; təcrübə 3, [A] = 0.0100 mol/L və [B] = 0.0300 mol/L, sürət 7.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹.

1-ci və 2-ci təcrübələr arasında yalnız [A] 1.50 dəfə dəyişir, sürət isə 2.208 dəfə artır. 2.208 = 1.50ᵐ tənliyini loqarifmlərlə həll edin: m = ln 2.208 / ln 1.50 = 1.95. Ölçülmüş sürətlərdə təcrübi xəta olur, buna görə tam ədədə bu qədər yaxın qiymət yuvarlaqlaşdırılır: m = 2. 1-ci və 3-cü təcrübələr arasında yalnız [B] 3.00 dəfə dəyişir, sürət isə 3.04 dəfə artır, buna görə n = ln 3.04 / ln 3.00 = 1.01, bu da 1-ə yuvarlaqlaşdırılır. Sürət qanunu sürət = k[A]²[B]-dir, ümumi tərtib üçdür. Diqqət edin ki, tənlikdə B-nin əmsalı 2-dir, lakin reaksiya ona görə birinci tərtibdir.

İndi hər təcrübədən k-nı tapın: k = sürət / ([A]²[B]). Üç qiymət 2.40, 2.36 və 2.43 L² mol⁻² s⁻¹-dir, ortası 2.40-dır, buna görə k = 2.4 L² mol⁻² s⁻¹ göstərin. Ondan [A] = 0.0200 mol/L və [B] = 0.0250 mol/L olduqda sürəti proqnozlaşdırmaq üçün istifadə edin: sürət = 2.4 × (0.0200)² × 0.0250 = 2.4 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

• Yalnız bir qatılığın dəyişdiyi iki təcrübə seçin.
• Böyük sürəti kiçiyə, uyğun qatılıqları da eyni qaydada bölün. Sonra həll edin: sürətlər nisbəti = (qatılıqlar nisbəti) tərtibə bərabər qüvvətdə.
• Hər tərtibi ağlabatan qiymətə (tam ədədə, bəzən isə ½-yə) yuvarlaqlaşdırın və digər reagentlər üçün təkrarlayın.
• Tək təcrübəyə etibar etmək əvəzinə k-nı hər təcrübədən hesablayın və nəticələrin ortasını tapın.

k-nın vahidləri ümumi tərtibi göstərir

Sürətin vahidi həmişə qatılıq bölünsün zamandır, buna görə k-nın vahidləri sürət qanununu tarazlaşdırmalıdır. Qatılıqlar mol/L, zaman isə saniyə ilə olduqda k-nın vahidi (mol/L)¹⁻ⁿ s⁻¹-dir, burada n ümumi tərtibdir. Verilmiş sürət sabitinin vahidlərini oxumaq reaksiyanın ümumi tərtibini müəyyən etməyin sürətli yoludur.

• Sıfırıncı tərtib: mol L⁻¹ s⁻¹.
• Birinci tərtib: s⁻¹, qatılıq vahidi ümumiyyətlə yoxdur.
• İkinci tərtib: L mol⁻¹ s⁻¹.
• Üçüncü tərtib: L² mol⁻² s⁻¹, həll olunmuş nümunə 2-də olduğu kimi.

Tarazlaşdırılmış tənlik niyə tərtibləri verə bilmir

Reaksiyaların çoxu elementar mərhələlər adlanan daha sadə hadisələr ardıcıllığı ilə baş verir və bu mərhələlər birlikdə mexanizmi təşkil edir. Yalnız tək elementar mərhələ üçün sürət qanununu mərhələnin əmsallarından yazmaq olar: iki NO₂ molekulunun toqquşduğu mərhələ NO₂-yə görə ikinci tərtibdir. Mərhələdə toqquşan hissəciklərin sayı onun molekulyarlığıdır.

Mexanizmdə ən yavaş mərhələ ümumi sürəti məhdudlaşdırır və sürəti müəyyən edən mərhələ adlanır. OpenStax bölmə 12.6 NO₂ + CO sürət qanununu belə izah edir. Yavaş birinci mərhələdən, NO₂ + NO₂ → NO₃ + NO, sonra sürətli mərhələ gəlir: NO₃ + CO → NO₂ + CO₂. İki mərhələnin cəmi ümumi tənliyi verir. CO yalnız yavaş mərhələdən sonra iştirak edir, buna görə onun qatılığı sürət qanununda görünmür. Tarazlaşdırılmış ümumi tənlik reaksiyanın necə getdiyini deyil, nəyin sərf olunduğunu və əmələ gəldiyini təsvir edir və tərtiblərin ölçülməli olmasının səbəbi budur.

Sürət qanunu səhvləri və onları necə tutmaq olar

Kinetika məsələlərindəki səhvlərin çoxu tarazlaşdırılmış tənliyi sürət qanunu kimi oxumaqdan və ya hər növün sürətinə eyni ədəd kimi baxmaqdan yaranır.

• Reaksiya tərtiblərini ümumi tənliyin əmsallarından götürmək. Tərtiblər məlumatlardan və ya məlum mexanizmdən alınır.
• Bir növün sürətini digərinin sürətinə çevirərkən əmsallara bölməyi unutmaq.
• Reagentin sürətinin qarşısında mənfi işarəsini buraxmaq və mənfi reaksiya sürəti göstərmək.
• Eyni anda birdən çox qatılığın dəyişdiyi iki təcrübəni müqayisə etmək.
• k-nı vahidsiz hesablamaq. Onun vahidləri ümumi tərtibin düzgün olub-olmadığını təsdiqləyir.
• Ölçülmüş 1.95 tərtibini 2 əvəzinə 1.9-a yuvarlaqlaşdırmaq. Təcrübi məlumatlar nadir hallarda dəqiq tam ədədlər verir.