Reaksiya tezliklari va tezlik qonunlari: konsentratsiya tezlikni qanday boshqaradi

Reaksiya qanchalik tez borishini o'lchash

Reaksiya tezligi — reagent yoki mahsulot konsentratsiyasining vaqt birligidagi o'zgarishi, odatda mol L⁻¹ s⁻¹ da. Reaksiya borishi bilan reagentlar konsentratsiyasi kamayadi, shuning uchun ularning o'zgarishi manfiy. Har bir tezlik musbat son sifatida yozilishi uchun reagent hadlari oldiga minus belgisi qo'yiladi.

O'rtacha tezlik — vaqt oralig'idagi konsentratsiya o'zgarishining shu oraliq uzunligiga nisbati. Oniy tezlik — konsentratsiya–vaqt egri chizig'iga bir paytdagi urinmaning qiyaligi. Boshlang'ich tezlik — mahsulotlar to'planishidan oldin, nol vaqtdagi oniy tezlik. Ko'pchilik reaksiyalarda tezlik vaqt o'tishi bilan kamayadi, chunki reagentlar sarflanib boradi.

Konsentratsiya tezlikni belgilaydigan bir nechta omillardan biri. Harorat, katalizatorlar, qattiq reagentning sirt yuzasi va reagentlarning kimyoviy tabiati ham ahamiyatli. Ushbu qo'llanmada harorat o'zgarmas saqlanadi va konsentratsiyaga e'tibor qaratiladi; harorat ta'siri aktivlanish energiyasi qo'llanmasining mavzusi.

Bitta reaksiya, bitta tezlik: koeffitsiyentlarga bo'lish

Bitta reaksiyadagi turli zarrachalar koeffitsiyentlariga proporsional ravishda turli tezlikda o'zgaradi. Butun reaksiya uchun yagona tezlikni berish uchun har bir zarrachaning o'zgarish tezligini uning koeffitsiyentiga bo'ling. aA + bB → cC + dD uchun reaksiya tezligi −(1/a)Δ[A]/Δt = −(1/b)Δ[B]/Δt = (1/c)Δ[C]/Δt = (1/d)Δ[D]/Δt.

1-yechilgan misol. 2 N₂O₅(g) → 4 NO₂(g) + O₂(g) parchalanishida azot dioksid bir paytda 6.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ tezlikda hosil bo'lmoqda. Reaksiya tezligi (1/4)(6.0 × 10⁻⁵) = 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. N₂O₅ reaksiya tezligidan ikki baravar tez, 3.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ da sarflanadi, O₂ esa reaksiya tezligida, 1.5 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹ da hosil bo'ladi. To'rttala bayonot bir xil hodisani tasvirlaydi.

Xuddi shu hisob o'rtacha tezliklar uchun ham ishlaydi. Misol uchun, birinchi 300 s davomida [N₂O₅] 0.0200 mol/L dan 0.0169 mol/L gacha kamaydi deylik. N₂O₅ sarflanishining o'rtacha tezligi (0.0200 − 0.0169)/300 s = 1.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹. Ayirish faqat ikkita muhim raqam qoldiradi, shuning uchun natijada ham ikkita. Xuddi shu oraliqda NO₂ yaxlitlanmagan o'rtacha tezlikdan ikki baravar tez hosil bo'ladi, 2 × 1.03 × 10⁻⁵ = 2.1 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

Tezlik qonunini yozish: tezlik doimiysi va reaksiya tartiblari

Tezlik qonuni tezlikni darajaga ko'tarilgan konsentratsiyalar ko'paytmasi sifatida ifodalaydi: tezlik = k[A]ᵐ[B]ⁿ. Tezlik doimiysi k bitta haroratdagi bitta reaksiyaga xos va konsentratsiyaga bog'liq emas. m va n daraja ko'rsatkichlari A va B bo'yicha reaksiya tartiblari, ularning yig'indisi esa umumiy tartib. Tartiblar odatda 0, 1 yoki 2, lekin kasr va manfiy tartiblar ham kuzatiladi.

Har bir tartib tezlik bitta konsentratsiyaning o'zgarishiga qanday javob berishini aytadi. Agar reaksiya A bo'yicha nolinchi tartibli bo'lsa, [A] ni o'zgartirish tezlikka ta'sir qilmaydi. Agar birinchi tartibli bo'lsa, [A] ni ikki baravar oshirish tezlikni ikki baravar oshiradi. Agar ikkinchi tartibli bo'lsa, [A] ni ikki baravar oshirish tezlikni 2² = 4 ga ko'paytiradi. Tezlik = k[A]²[B] uchun [A] ni ikki baravar oshirib, [B] ni ikki baravar kamaytirish tezlikni 2² × ½ = 2 marta o'zgartiradi.

Tartiblar o'lchanishi kerak. OpenStax ning 12.3 bo'limi misol sifatida NO₂(g) + CO(g) → NO(g) + CO₂(g) reaksiyasini keltiradi: uning tezlik qonuni tezlik = k[NO₂]², NO₂ bo'yicha ikkinchi va CO bo'yicha nolinchi tartibli, garchi har bir reagentning koeffitsiyenti 1 bo'lsa ham.

Boshlang'ich tezliklar usuli, bosqichma-bosqich

Boshlang'ich tezliklar usulida bir xil reaksiya bitta haroratda bir necha marta o'tkaziladi, har safar faqat bitta boshlang'ich konsentratsiya o'zgartiriladi va har bir tajribaning eng boshidagi tezlik o'lchanadi.

2-yechilgan misol. Bu yerdagi ma'lumotlar mashq uchun tuzilgan namunaviy ma'lumotlar. A + 2 B → mahsulotlar uchun uchta tajriba quyidagilarni beradi: 1-tajriba, [A] = 0.0100 mol/L va [B] = 0.0100 mol/L, boshlang'ich tezlik 2.40 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; 2-tajriba, [A] = 0.0150 mol/L va [B] = 0.0100 mol/L, tezlik 5.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹; 3-tajriba, [A] = 0.0100 mol/L va [B] = 0.0300 mol/L, tezlik 7.30 × 10⁻⁶ mol L⁻¹ s⁻¹.

1 va 2-tajribalar orasida faqat [A] 1.50 marta o'zgaradi va tezlik 2.208 marta ortadi. 2.208 = 1.50ᵐ ni logarifmlar yordamida yeching: m = ln 2.208 / ln 1.50 = 1.95. O'lchangan tezliklarda tajriba xatosi bor, shuning uchun butun songa bunchalik yaqin qiymat yaxlitlanadi: m = 2. 1 va 3-tajribalar orasida faqat [B] 3.00 marta o'zgaradi va tezlik 3.04 marta ortadi, shuning uchun n = ln 3.04 / ln 3.00 = 1.01, bu 1 gacha yaxlitlanadi. Tezlik qonuni tezlik = k[A]²[B], umumiy uchinchi tartibli. E'tibor bering, tenglamada B ning koeffitsiyenti 2, lekin u birinchi tartibli.

Endi har bir tajribadan k ni toping: k = tezlik / ([A]²[B]). Uchta qiymat 2.40, 2.36 va 2.43 L² mol⁻² s⁻¹, o'rtachasi 2.40, shuning uchun k = 2.4 L² mol⁻² s⁻¹ deb yozing. Undan [A] = 0.0200 mol/L va [B] = 0.0250 mol/L bo'lgandagi tezlikni oldindan aytish uchun foydalaning: tezlik = 2.4 × (0.0200)² × 0.0250 = 2.4 × 10⁻⁵ mol L⁻¹ s⁻¹.

• Faqat bitta konsentratsiya o'zgaradigan ikkita tajribani tanlang.
• Kattaroq tezlikni kichigiga bo'ling va mos konsentratsiyalarni ham xuddi shunday bo'ling. So'ng yeching: tezliklar nisbati = (konsentratsiyalar nisbati) tartib darajasida.
• Har bir tartibni mantiqiy qiymatgacha (butun son yoki ba'zan ½) yaxlitlang va boshqa reagentlar uchun takrorlang.
• Bitta tajribaga ishonish o'rniga k ni har bir tajribadan hisoblang va natijalarni o'rtachalang.

k ning birliklari umumiy tartibni ochib beradi

Tezlik har doim vaqt birligidagi konsentratsiya birliklariga ega, shuning uchun k ning birliklari tezlik qonunini muvozanatlashi kerak. Konsentratsiyalar mol/L da va vaqt soniyalarda bo'lganda k ning birliklari (mol/L)¹⁻ⁿ s⁻¹ bo'ladi, bunda n — umumiy tartib. Berilgan tezlik doimiysining birliklarini o'qish reaksiyaning umumiy tartibini aniqlashning tezkor usuli.

• Nolinchi tartib: mol L⁻¹ s⁻¹.
• Birinchi tartib: s⁻¹, konsentratsiya birligisiz.
• Ikkinchi tartib: L mol⁻¹ s⁻¹.
• Uchinchi tartib: L² mol⁻² s⁻¹, 2-yechilgan misoldagi kabi.

Nima uchun tenglashtirilgan tenglama tartiblarni bera olmaydi

Ko'pchilik reaksiyalar elementar bosqichlar deb ataladigan oddiyroq hodisalar ketma-ketligi orqali sodir bo'ladi, ular birgalikda mexanizmni tashkil etadi. Faqat bitta elementar bosqich uchungina tezlik qonunini bosqich koeffitsiyentlaridan yozish mumkin: ikkita NO₂ molekulasi to'qnashadigan bosqich NO₂ bo'yicha ikkinchi tartibli. Bosqichda to'qnashadigan zarrachalar soni uning molekulyarligi deyiladi.

Mexanizmdagi eng sekin bosqich umumiy tezlikni cheklaydi va tezlikni belgilovchi bosqich deyiladi. OpenStax ning 12.6 bo'limi NO₂ + CO tezlik qonunini shunday tushuntiradi. Sekin birinchi bosqich NO₂ + NO₂ → NO₃ + NO dan keyin tez bosqich NO₃ + CO → NO₂ + CO₂ keladi. Ikki bosqich qo'shilib umumiy tenglamani beradi. CO faqat sekin bosqichdan keyin ishtirok etadi, shuning uchun uning konsentratsiyasi tezlik qonunida ko'rinmaydi. Tenglashtirilgan umumiy tenglama reaksiya qanday sodir bo'lishini emas, nima sarflanishi va hosil bo'lishini tasvirlaydi, shuning uchun tartiblar o'lchanishi kerak.

Tezlik qonunidagi xatolar va ularni qanday aniqlash

Kinetika masalalaridagi ko'pchilik xatolar tenglashtirilgan tenglamani tezlik qonunidek o'qishdan yoki har bir zarracha tezligini bir xil son deb hisoblashdan kelib chiqadi.

• Reaksiya tartiblarini umumiy tenglama koeffitsiyentlaridan olish. Tartiblar ma'lumotlardan yoki ma'lum mexanizmdan olinadi.
• Bir zarracha tezligini boshqasinikiga o'tkazishda koeffitsiyentlarga bo'lishni unutish.
• Reagent tezligi oldidagi minus belgisini tushirib qoldirish va manfiy reaksiya tezligini yozish.
• Bir vaqtda bittadan ko'p konsentratsiya o'zgargan ikki tajribani taqqoslash.
• k ni birliklarsiz hisoblash. Uning birliklari umumiy tartib to'g'riligini tasdiqlaydi.
• O'lchangan 1.95 tartibni 2 o'rniga 1.9 gacha yaxlitlash. Tajriba ma'lumotlari kamdan-kam hollarda aniq butun sonlarni beradi.