Erreakzio-abiadurak eta abiadura-legeak: nola kontrolatzen duen kontzentrazioak abiadura

Erreakzio bat zein azkar doan neurtzea

Erreakzio-abiadura erreaktibo baten edo produktu baten kontzentrazio-aldaketa da denbora-unitateko, normalean mol L⁻¹ s⁻¹-tan. Erreaktiboen kontzentrazioak jaitsi egiten dira erreakzioak aurrera egin ahala, beraz haien aldaketa negatiboa da. Erreaktiboen gaien aurrean minus zeinu bat jartzen da, abiadura guztiak zenbaki positibo gisa adierazteko.

Batez besteko abiadura denbora-tarte bateko kontzentrazio-aldaketa da, tarte horren luzeraz zatituta. Berehalako abiadura kontzentrazio–denbora kurbaren ukitzailearen malda da une jakin batean. Hasierako abiadura zero denborako berehalako abiadura da, produktuak metatu aurretik. Erreakzio gehienetan abiadura jaitsi egiten da denborak aurrera egin ahala, erreaktiboak kontsumitzen ari direlako.

Kontzentrazioa abiadura finkatzen duten hainbat faktoreetako bat da. Tenperaturak, katalizatzaileek, erreaktibo solido baten azalera espezifikoak eta erreaktiboen izaera kimikoak ere eragina dute. Gida honek tenperatura konstante mantentzen du eta kontzentrazioan zentratzen da; tenperaturaren eragina aktibazio-energiari buruzko gidaren gaia da.

Erreakzio bat, abiadura bat: koefizienteez zatitzea

Erreakzio bereko espezie desberdinak abiadura desberdinetan aldatzen dira, beren koefizienteen proportzioan. Erreakzio osoarentzat abiadura bakar bat emateko, zatitu espezie bakoitzaren aldaketa-abiadura bere koefizienteaz. aA + bB → cC + dD erreakziorako, erreakzio-abiadura −(1/a)Δ[A]/Δt = −(1/b)Δ[B]/Δt = (1/c)Δ[C]/Δt = (1/d)Δ[D]/Δt da.

1. adibide landua. 2 N₂O₅(g) → 4 NO₂(g) + O₂(g) deskonposizioan, nitrogeno dioxidoa 6.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹-ko abiaduran eratzen ari da une jakin batean. Erreakzio-abiadura (1/4)(6.0 × 10⁻⁵) = 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ da. N₂O₅ erreakzio-abiaduraren bikoitzean kontsumitzen da, 3.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹, eta O₂ erreakzio-abiaduran eratzen da, 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. Lau baieztapenek gertaera bera deskribatzen dute.

Kontabilitate berak balio du batez besteko abiaduretarako. Demagun, adibide gisa, [N₂O₅] 0.0200 mol/L-tik 0.0169 mol/L-ra jaisten dela lehen 300 s-etan. N₂O₅-aren kontsumoaren batez besteko abiadura (0.0200 − 0.0169)/300 s = 1.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ da. Kenketak bi zifra esanguratsu bakarrik uzten ditu, beraz emaitzak bi ditu. Tarte berean NO₂ biribildu gabeko batez besteko abiaduraren bikoitzean eratzen da, 2 × 1.03 × 10⁻⁵ = 2.1 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

Abiadura-lege bat idaztea: abiadura-konstantea eta erreakzio-ordenak

Abiadura-lege batek abiadura berretura batzuetara jasotako kontzentrazioen biderkadura gisa adierazten du: abiadura = k[A]ᵐ[B]ⁿ. k abiadura-konstantea erreakzio bati eta tenperatura bati dagokie, eta ez dago kontzentrazioaren mende. m eta n berretzaileak A eta B-rekiko erreakzio-ordenak dira, eta haien batura ordena globala da. Ordenak normalean 0, 1 edo 2 dira, baina ordena frakzionarioak eta negatiboak ere behatzen dira.

Ordena bakoitzak esaten dizu nola erantzuten dion abiadurak kontzentrazio baten aldaketari. Erreakzio bat A-rekiko zero ordenakoa bada, [A] aldatzeak ez du eraginik abiaduran. Lehen ordenakoa bada, [A] bikoizteak abiadura bikoizten du. Bigarren ordenakoa bada, [A] bikoizteak abiadura 2² = 4z biderkatzen du. Abiadura = k[A]²[B] denean, [A] bikoizteak eta [B] erdira jaisteak abiadura 2² × ½ = 2 faktoreaz aldatzen du.

Ordenak neurtu egin behar dira. OpenStaxen 12.3 atalak NO₂(g) + CO(g) → NO(g) + CO₂(g) erreakzioa ematen du adibide gisa: bere abiadura-legea abiadura = k[NO₂]² da, bigarren ordenakoa NO₂-rekiko eta zero ordenakoa CO-rekiko, nahiz eta erreaktibo bakoitzak 1eko koefizientea izan.

Hasierako abiaduren metodoa, urratsez urrats

Hasierako abiaduren metodoak erreakzio bera hainbat aldiz egiten du tenperatura berean, hasierako kontzentrazio bat aldi bakoitzean aldatuz, eta saiakera bakoitzaren hasiera-hasierako abiadura neurtzen du.

2. adibide landua. Hemengo datuak adibide gisa eraikiak dira, praktikarako. A + 2 B → produktuak erreakziorako, hiru saiakerek hau ematen dute: 1. saiakera, [A] = 0.0100 mol/L eta [B] = 0.0100 mol/L, hasierako abiadura 2.40 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; 2. saiakera, [A] = 0.0150 mol/L eta [B] = 0.0100 mol/L, abiadura 5.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; 3. saiakera, [A] = 0.0100 mol/L eta [B] = 0.0300 mol/L, abiadura 7.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹.

1. eta 2. saiakeren artean [A] bakarrik aldatzen da, 1.50 faktoreaz, eta abiadura 2.208 faktoreaz handitzen da. Ebatzi 2.208 = 1.50ᵐ logaritmoekin: m = ln 2.208 / ln 1.50 = 1.95. Neurtutako abiadurek errore esperimentala dute, beraz zenbaki oso batetik hain gertu dagoen balio bat biribildu egiten da: m = 2. 1. eta 3. saiakeren artean [B] bakarrik aldatzen da, 3.00 faktoreaz, eta abiadura 3.04 aldiz handitzen da, beraz n = ln 3.04 / ln 3.00 = 1.01, 1era biribiltzen dena. Abiadura-legea abiadura = k[A]²[B] da, hirugarren ordenakoa globalki. Kontuan hartu B-k 2ko koefizientea duela ekuazioan baina lehen ordenakoa dela.

Orain aurkitu k saiakera bakoitzetik: k = abiadura / ([A]²[B]). Hiru balioak 2.40, 2.36 eta 2.43 L² mol⁻² s⁻¹ dira, 2.40ko batez bestekoarekin, beraz eman k = 2.4 L² mol⁻² s⁻¹. Erabili [A] = 0.0200 mol/L eta [B] = 0.0250 mol/L direnean abiadura iragartzeko: abiadura = 2.4 × (0.0200)² × 0.0250 = 2.4 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

• Aukeratu kontzentrazio bakar bat aldatzen den bi saiakera.
• Zatitu abiadura handiena txikienaz, eta dagozkien kontzentrazioak modu berean. Gero ebatzi: abiaduren erlazioa = (kontzentrazioen erlazioa) ordenaren berretzailera jasota.
• Biribildu ordena bakoitza balio zentzudun batera (zenbaki oso bat, edo noizean behin ½) eta errepikatu gainerako erreaktiboekin.
• Kalkulatu k saiakera guztietatik eta egin emaitzen batez bestekoa, saiakera bakar batean fidatu beharrean.

k-ren unitateek ordena globala erakusten dute

Abiadurak beti ditu kontzentrazio zati denbora unitateak, beraz k-ren unitateek abiadura-legea orekatu behar dute. Kontzentrazioak mol/L-tan eta denbora segundotan izanik, k-ren unitateak (mol/L)¹⁻ⁿ s⁻¹ dira, non n ordena globala den. Abiadura-konstante jakin baten unitateak irakurtzea erreakzio baten ordena globala jakiteko modu azkarra da.

• Zero ordena: mol L⁻¹ s⁻¹.
• Lehen ordena: s⁻¹, kontzentrazio-unitaterik batere gabe.
• Bigarren ordena: L mol⁻¹ s⁻¹.
• Hirugarren ordena: L² mol⁻² s⁻¹, 2. adibide landuan bezala.

Zergatik ezin dituen ekuazio doituak ordenak eman

Erreakzio gehienak urrats elemental izeneko gertaera sinpleagoen sekuentzia baten bidez gertatzen dira, eta urrats horiek guztiek batera mekanismoa osatzen dute. Urrats elemental bakar baterako, eta horretarako bakarrik, abiadura-legea urratsaren koefizienteetatik idatz daiteke: bi NO₂ molekula talka egiten duten urrats bat bigarren ordenakoa da NO₂-rekiko. Urrats batean talka egiten duten partikula-kopurua bere molekulartasuna da.

Mekanismo bateko urratsik motelenak abiadura globala mugatzen du, eta abiadura-urrats mugatzailea deitzen zaio. OpenStaxen 12.6 atalak horrela azaltzen du NO₂ + CO erreakzioaren abiadura-legea. Lehen urrats motel baten ondoren, NO₂ + NO₂ → NO₃ + NO, urrats azkar bat dator, NO₃ + CO → NO₂ + CO₂. Bi urratsak batuz ekuazio globala lortzen da. CO urrats motelaren ondoren bakarrik sartzen da, beraz bere kontzentrazioa ez da abiadura-legean agertzen. Ekuazio global doitu batek zer kontsumitzen eta ekoizten den deskribatzen du, ez erreakzioa nola gertatzen den, eta horregatik neurtu behar dira ordenak.

Abiadura-legeetako akatsak eta nola harrapatu

Zinetika-problemetako akats gehienak ekuazio doitua abiadura-lege bat balitz bezala irakurtzetik datoz, edo espezie guztien abiadura zenbaki bera balitz bezala tratatzetik.

• Erreakzio-ordenak ekuazio global baten koefizienteetatik hartzea. Ordenak datuetatik edo mekanismo ezagun batetik datoz.
• Koefizienteez zatitzea ahaztea espezie baten abiadura beste batenera bihurtzean.
• Erreaktibo baten abiadurari minus zeinua kentzea eta erreakzio-abiadura negatibo bat ematea.
• Kontzentrazio bat baino gehiago aldi berean aldatu den bi saiakera alderatzea.
• k unitaterik gabe kalkulatzea. Bere unitateek baieztatzen dute ordena globala zuzena den.
• 1.95eko ordena neurtu bat 1.9ra biribiltzea 2ra beharrean. Esperimentuetako datuek oso gutxitan ematen dituzte zenbaki oso zehatzak.