Ρυθμοί αντίδρασης &Πώς να προσδιορίσετε το νόμο του ποσοστού

Ορισμένες αντιδράσεις θα πάνε γρήγορα και κάποιες θα πάνε αργά – η ταχύτητα της αντίδρασης είναι ταχύτητα αντίδρασης , το οποίο υπαγορεύεται από έναν νόμο για τα ποσοστά . Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε για τους ρυθμούς αντίδρασης, τους νόμους του ρυθμού, τη σταθερά του ρυθμού και τη σειρά αντίδρασης.

Ο ρυθμός μιας χημικής αντίδρασης καθορίζεται - και μεταβάλλεται - από πολλούς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της φύσης (της αντιδραστικότητας) των αντιδρώντων, της επιφάνειας, της θερμοκρασίας, της συγκέντρωσης και των καταλυτών. Για κάθε μοναδική χημική αντίδραση, οι νόμοι του ρυθμού μπορούν να γραφτούν με μια εξίσωση νόμου ρυθμού να δείξει πώς οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων επηρεάζουν την ταχύτητα της αντίδρασης. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι μπορείτε να προσδιορίσετε το νόμο των ποσοστών μόνο πειραματικά !

Τι είναι ο νόμος για τα ποσοστά; Η Εξίσωση του Νόμου Ρυθμού

Ο ρυθμός αντίδρασης μπορεί να εξαρτηθεί από το πόσο συγκεντρωμένα είναι τα αντιδρώντα μας. Ο νόμος ταχύτητας μιας χημικής αντίδρασης είναι μια εξίσωση που περιγράφει τη σχέση μεταξύ των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων στην αντίδραση και του ρυθμού αντίδρασης. Στην τυπική μορφή, η εξίσωση του νόμου ποσοστού γράφεται ως:

R =k [A][B]

• R είναι ο ρυθμός αντίδρασης, εκφρασμένος σε συγκέντρωση/μονάδα χρόνου (συνήθως M/s =μοριακότητα/δευτερόλεπτο)
• k είναι η συγκεκριμένη σταθερά ρυθμού
• Το Α και το Β είναι μοριακές συγκεντρώσεις αντιδρώντων, εκφρασμένες σε M (moles διαλυμένης ουσίας/λίτρα διαλύματος)
• n και m είναι εντολές της αντίδρασης

Ας αναλύσουμε καθένα από αυτά τα στοιχεία.

Ρυθμός αντίδρασης

Ε =k [A][B]

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, ο ρυθμός μιας αντίδρασης επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο κάθε χημική αντίδραση έχει έναν μοναδικό νόμο ταχύτητας—κάθε αντίδραση έχει διαφορετικό σύνολο αντιδρώντων, καθώς και διαφορετικές πειραματικές συνθήκες που επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης.

Οι ρυθμοί αντίδρασης ορίζονται ως η συγκέντρωση του προϊόντος που σχηματίζεται καθώς η αντίδραση εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου, επομένως συνήθως εκφράζονται σε μοριακότητα/χρόνο σε δευτερόλεπτα (M/s).

Συγκεκριμένη σταθερά ρυθμού

R =k [A][B]

Κάθε αντίδραση έχει τη δική της σταθερά στην εξίσωση ρυθμού της. Η συγκεκριμένη σταθερά ρυθμού (k ) είναι μια σταθερά αναλογικότητας που είναι μοναδική για κάθε πειραματική αντίδραση. Αυτό σημαίνει ότι η τιμή του εξαρτάται από άλλους παράγοντες στο πείραμα που αλλάζουν τον ρυθμό αντίδρασης, όπως η θερμοκρασία. Ακόμη και με τις ίδιες ενώσεις που χρησιμοποιούνται σε μια αντίδραση, k μπορεί να αλλάξει όταν αλλάξουν άλλοι παράγοντες που αλλάζουν τον ρυθμό.

Επιπλέον, οι μονάδες της ειδικής σταθεράς ταχύτητας εξαρτώνται από τις τάξεις της αντίδρασης. Αυτό θα συζητηθεί λεπτομερέστερα αργότερα.

Μοριακές συγκεντρώσεις αντιδρώντων

R =k [B]

Ο νόμος του ρυθμού χρησιμοποιεί τις μοριακές συγκεντρώσεις των αντιδρώντων για τον προσδιορισμό του ρυθμού αντίδρασης. Συνήθως, οι αυξημένες συγκεντρώσεις των αντιδρώντων αυξάνουν την ταχύτητα της αντίδρασης, επειδή υπάρχουν περισσότερα μόρια που συγκρούονται και αντιδρούν μεταξύ τους.

Ο συμβολισμός "[A]" διαβάζεται ως "η μοριακή συγκέντρωση του Αντιδρώντος Α."

Οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων έχουν μονάδες μοριακότητας (Μ) ή γραμμομόρια διαλυμένης ουσίας/λίτρα διαλύματος.

Παραγγελίες των αντιδρώντων και της αντίδρασης

R =k [A][B]

Η τάξη ενός αντιδρώντος είναι η ισχύς στην οποία αυξάνεται η συγκέντρωση του αντιδρώντος στην εξίσωση του νόμου ταχύτητας. Η σειρά δείχνει, μαθηματικά, πώς η συγκέντρωση ενός αντιδρώντος επηρεάζει το νόμο του ρυθμού.

Ας ξεκινήσουμε με την πιο απλή εκδοχή μιας εξίσωσης νόμου ποσοστού, R =k [A]

Όταν η σειρά είναι 1, ή n =1, αυτό σημαίνει ότι η σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης του Αντιδρώντος Α και του ρυθμού της αντίδρασης είναι ευθέως ανάλογη. Όταν το Α αυξάνεται, το R θα αυξάνεται αναλογικά. Εάν το A διπλασιαστεί, το R διπλασιάζεται επίσης.

Όταν η σειρά είναι 2, ή n =2, αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός της αντίδρασης είναι ευθέως ανάλογος με το τετράγωνο της συγκέντρωσης του Αντιδρώντος Α. Όταν το Α αυξηθεί, το R θα αυξηθεί, αλλά όχι αναλογικά. Για παράδειγμα, αν το A διπλασιαστεί, το R θα τετραπλασιαστεί (γιατί [2A] =4A.

Όταν η σειρά είναι 0, ή n =0, αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός της αντίδρασης δεν επηρεάζεται από οποιαδήποτε αλλαγή στη συγκέντρωση του αντιδρώντος. Αυτό δεν σημαίνει ότι το αντιδρών δεν χρειάζεται. το αντιδρόν εξακολουθεί να χρειάζεται στην αντίδραση, αλλά η ποσότητα του αντιδρώντος δεν επηρεάζει τον ρυθμό της αντίδρασης.

Η συνολική σειρά της αντίδρασης είναι το άθροισμα όλων των τάξεων των αντιδρώντων, n + m.

Πώς να προσδιορίσετε το νόμο του ποσοστού

Υπάρχουν 2 κύριες ερωτήσεις που θα δείτε όταν σας ζητηθούν να προσδιορίσετε τον νόμο των συντελεστών. Ο πρώτος τύπος σας ζητά να βρείτε τον νόμο του ποσοστού από στοιχειώδη βήματα. Ο δεύτερος τύπος σάς ζητά να βρείτε τον νόμο του ρυθμού από έναν πίνακα που παραθέτει διαφορετικά πειράματα με διαφορετικές συγκεντρώσεις αντιδρώντων και ρυθμούς αντίδρασης.

Μερικές φορές, θα πρέπει να βρείτε έναν νόμο ρυθμού για μια αντίδραση με ένα ενδιάμεσο. Για αυτό, θα πρέπει να βρείτε το βήμα καθορισμού του ποσοστού.

Από στοιχειώδη βήματα

Σε πολλές αντιδράσεις, η χημική εξίσωση υπεραπλουστεύει τη διαδικασία της αντίδρασης. Συνήθως, υπάρχουν πολλές ενδιάμεσες αντιδράσεις, ή στοιχειώδη βήματα, που συμβαίνουν για να φτάσουν από τα αντιδρώντα στα προϊόντα.

Για παράδειγμα, η εξίσωση ΟΧΙ₂ (ζ) + CO (g) → ΟΧΙ (g) + CO₂ (ζ) είναι μια σειρά από 2 βασικά βήματα:

1. ΟΧΙ₂ + ΟΧΙ₂ → ΟΧΙ₃ + ΟΧΙ [αργή]
2. ΟΧΙ₃ + CO → ΟΧΙ₂ + CO₂ [γρήγορα]

Όταν προσθέσετε τα βήματα μαζί, θα λάβετε:ΟΧΙ₂ + ΟΧΙ₂ + ΟΧΙ₃ + CO → ΟΧΙ₃ + ΟΧΙ + ΟΧΙ₂ + CO₂ .

Το ΟΧΙ₃ και ΟΧΙ₂ ακυρώστε και στις δύο πλευρές της εξίσωσης, ώστε να μείνετε με την αρχική εξίσωση.

Σε αυτά τα προβλήματα, συνήθως θα σας δίνονται τα στοιχειώδη βήματα και οι ρυθμοί καθενός από τα βήματα. Για παράδειγμα, στην εξίσωση που παρέχεται παραπάνω, το βήμα 1 είναι το αργό βήμα και το βήμα 2 είναι πιο γρήγορο. Το πιο αργό βήμα χρησιμοποιείται ως βήμα καθορισμού του ρυθμού —γιατί ο ρυθμός της αντίδρασης μπορεί να πάει τόσο γρήγορα όσο το πιο αργό βήμα. Θα χρησιμοποιούσατε το βήμα καθορισμού του ρυθμού για να γράψετε τον νόμο ρυθμού χρησιμοποιώντας τα αντιδρώντά του.

R =k [ΟΧΙ₂ ][NO₂ ] ή R =k [ΟΧΙ₂ ]

Ο νόμος του ρυθμού δεν περιλαμβάνει το CO (το δεύτερο αντιδραστήριο στην αρχική χημική εξίσωση). Αυτό συμβαίνει επειδή το CO δεν χρησιμοποιείται στο πιο αργό βήμα, που καθορίζει τον ρυθμό, επομένως δεν επηρεάζει τον ρυθμό αντίδρασης.

Από πίνακα

Για να προσδιορίσετε τον νόμο ταχύτητας από έναν πίνακα, πρέπει να υπολογίσετε μαθηματικά πώς οι διαφορές στις μοριακές συγκεντρώσεις των αντιδρώντων επηρεάζουν τον ρυθμό αντίδρασης για να υπολογίσετε τη σειρά κάθε αντιδρώντος. Στη συνέχεια, συνδέστε τις τιμές του ρυθμού αντίδρασης και τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων για να βρείτε τη σταθερά ειδικής ταχύτητας. Τέλος, ξαναγράψτε τον νόμο ρυθμού συνδέοντας τη συγκεκριμένη σταθερά ρυθμού και τις παραγγελίες για τα αντιδρώντα.

Ένας πίνακας που δίνεται θα αναφέρει τα διάφορα τεστ μιας αντίδρασης. Κάθε διαφορετική δοκιμή θα έχει διαφορετικές συγκεντρώσεις αντιδρώντων, και ως αποτέλεσμα, και οι ρυθμοί αντίδρασης για αυτήν τη δοκιμή θα είναι διαφορετικοί. Ακολουθεί ένα παράδειγμα πίνακα δεδομένων για το πείραμα:2HI (g) → H₂ (ζ) + I₂ (ζ)

Πείραμα	[HI] (Μ)	Τιμή (M/s)
1	0,015	1,1 * 10 M/s
2	0,030	4,4 * 10 M/s
3	0,045	9,9 * 10 M/s

Ανάγνωση του πίνακα

Στο πείραμα, το υδροιώδιο HI είναι το αντιδρόν και το H₂ και I₂ είναι τα προϊόντα. Από τον πίνακα, μπορείτε να πείτε ότι πραγματοποιήθηκαν 3 πειράματα της ίδιας αντίδρασης, με ποικίλες συγκεντρώσεις HI. Σε κάθε πείραμα, ο ρυθμός αντίδρασης ήταν διαφορετικός, ως αποτέλεσμα των διαφορετικών συγκεντρώσεων του HI.

Προσδιορίστε το νόμο του ποσοστού χρησιμοποιώντας τον πίνακα

Εύρεση της σειράς των αντιδρώντων

Πηγαίνοντας από το πείραμα 1 στο 2, μπορείτε να δείτε ότι η συγκέντρωση του HI διπλασιάστηκε (0,015 x 2 =0,030). Ως αποτέλεσμα (μεταξύ αυτών των ίδιων πειραμάτων), ο ρυθμός αντίδρασης τετραπλασιάστηκε (1,1 x 10 x 4 =4,4 x 10). Από αυτό, ξέρετε ότι η σειρά του [HI] πρέπει να είναι 2. Ο λόγος για αυτό είναι ότι [2HI] =4HI, άρα x =2. Με άλλα λόγια, 2 =4.

Μπορείτε να ελέγξετε αυτό το αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας επίσης τα πειράματα 1 και 3. Μεταξύ αυτών των δοκιμών, η συγκέντρωση του ΗΙ τριπλασιάστηκε (0,015 * 3 =0,045). Ως αποτέλεσμα, ο ρυθμός αντίδρασης πολλαπλασιάστηκε με έναν παράγοντα 9 (1,1 * 10 * 9 =9,9 * 10). Εφόσον 3 =9, γνωρίζετε ότι η σειρά του [HI] είναι 2.

Μαθηματικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ίδια διαδικασία για να βρείτε εντολές αντιδρώντων, συνδέοντας τιμές στην ακόλουθη εξίσωση:

Με αυτήν την εξίσωση, ουσιαστικά χρησιμοποιείτε αναλογίες της εξίσωσης του νόμου ποσοστού (R =k [A][B]) για να βρείτε τις παραγγελίες των αντιδρώντων. Συνδέοντας τιμές από τον παραπάνω πίνακα, λαμβάνετε:

(4,4 * 10 M/s)/(1,1 * 10 M/s) =k [0,030 M]/k [0,015 M]

Το οποίο απλοποιεί σε:4 =2, άρα n =2. Όπως αναμενόταν, αυτή είναι η ίδια με τη σειρά που υπολογίσατε νωρίτερα.

Εύρεση της συγκεκριμένης σταθεράς ρυθμού

Τώρα που γνωρίζετε τη σειρά του αντιδρώντος HI, μπορείτε να αρχίσετε να γράφετε το νόμο του ποσοστού. Πρώτα, συνδέστε τη σειρά στην εξίσωση του νόμου ποσοστού.

R =k [HI]

Τώρα πρέπει να βρείτε το k , η συγκεκριμένη σταθερά ρυθμού. Θυμηθείτε ότι k είναι μοναδικό σε αυτό το πείραμα και αυτή την αντίδραση. Συνδώντας τις τιμές οποιουδήποτε από τα πειράματα στην εξίσωση, μπορείτε να βρείτε k . Αν συνδέσουμε τις τιμές από το πείραμα 1, παίρνουμε:

1,1 * 10 M/s =k [0,015 M]

k =4,9 Ms

Έτσι, ο τελικός νόμος του ρυθμού για αυτό το πείραμα είναι:R =4,9 Ms[HI]

Μονάδες για τη συγκεκριμένη σταθερά ρυθμού

Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι μονάδες για τη σταθερά ειδικής ταχύτητας εξαρτώνται από τη σειρά της αντίδρασης. Λάβετε υπόψη:

• Η μονάδα του ρυθμού αντίδρασης είναι M/s
• Η σειρά του αντιδρώντος αλλάζει τις μονάδες στη δεξιά πλευρά της εξίσωσης

Για το παραπάνω παράδειγμα, 1,1 * 10 M/s =k [0,015 M] , επεκτείνοντας τη δεξιά πλευρά της εξίσωσης δίνει 1,1 * 10 M/s =k (0,000225 Μ). Για να απομονώσετε το k , μπορείτε να διαιρέσετε και τις δύο πλευρές της εξίσωσης με 0,000225 M για να πάρετε k =(1,1 * 10 M/s)/(0,000225 M). Οι μονάδες του k γίνετε κα

Ωστόσο, σε ένα άλλο (ξεχωριστό, άσχετο) παράδειγμα, εάν ο νόμος του ποσοστού ήταν 4,5 * 10 M/s =k [0,034 M] [0,048 M] , οι μονάδες για k θα ήταν διαφορετικό. Σε αυτή την περίπτωση, η επέκταση της δεξιάς πλευράς της εξίσωσης δίνει τις μονάδες του M στη δεξιά πλευρά. Απομόνωση k , οι μονάδες του k θα ήταν (M/s)/M , ή Ms.

Όπως μπορείτε να δείτε, η σειρά κάθε αντιδρώντος επηρεάζει τις μονάδες της συγκεκριμένης σταθεράς ταχύτητας.

Παράδειγμα ερωτήσεων για τον προσδιορισμό του νόμου ποσοστού

Από στοιχειώδη βήματα

Γράψτε το νόμο του ρυθμού για την ακόλουθη αντίδραση με βάση τα στοιχειώδη βήματα του μηχανισμού αντίδρασης:2NO₂ (ζ) + F₂ (ζ) → 2ΟΧΙ₂ F (g)

1. ΟΧΙ₂ + F₂ → ΟΧΙ₂ F + F (αργή)
2. F + ΟΧΙ₂ → ΟΧΙ₂ F (γρήγορο)

Εξήγηση:Εφόσον το βήμα 1 είναι το πιο αργό βήμα, είναι το βήμα καθορισμού του ρυθμού για αυτήν την αντίδραση. Γράψτε τον νόμο ρυθμού συνδέοντας τα αντιδρώντα στην εξίσωση του νόμου ρυθμού.

Απάντηση:R =k [ΟΧΙ₂ ][F₂ ]

Από πίνακα

Πείραμα	[A] (Μ)	[B] (M)	Τιμή (M/s)
1	1.2	2.4	8,0 * 10
2	1.2	1.2	4,0 * 10
3	3.6	2.4	7.2 * 10

Εξήγηση:

Για να ξεκινήσετε, γράψτε τον νόμο του ρυθμού για την εξίσωση:R =k [A][B]

Εύρεση των παραγγελιών των αντιδρώντων

Ας ξεκινήσουμε βρίσκοντας τη σειρά του Αντιδρώντος Α. Όπως μπορείτε να δείτε στον πίνακα, μεταξύ των πειραμάτων 1 και 2, η συγκέντρωση του Β άλλαξε, αλλά η συγκέντρωση του Α όχι—αυτό δεν θα ήταν χρήσιμο για την εύρεση της τάξης του Α. Ωστόσο, μεταξύ των πειραμάτων 1 και 3, η συγκέντρωση του Α άλλαξε, ενώ το Β όχι - αυτό είναι τέλειο για την εύρεση της τάξης του Α επειδή το Α είναι το μόνο πράγμα που άλλαξε και επομένως είναι η μόνη μεταβλητή που θα μπορούσε να επηρεάσει τον ρυθμό αντίδρασης .

Συνδώντας τις τιμές από τον πίνακα, λαμβάνετε:

(7,2 * 10 M/s)/(8,0 * 10 M/s) =(k [3,6 M] [2,4 M])/(k [1,2 M] [2,4 M])

Όπως μπορείτε να δείτε, στη δεξιά πλευρά της εξίσωσης, k και οι τιμές [B] ακυρώνονται, απομονώνοντας το [A]. Απλοποιώντας την εξίσωση, παίρνουμε:

9 =3 , άρα n =2. Η τάξη του [A] είναι 2 .

Τώρα, ας βρούμε τη σειρά του Reactant B. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, μεταξύ των πειραμάτων 1 και 2, η μεταβλητή [B] απομονώνεται επειδή είναι η μόνη μεταβλητή που αλλάζει.

(4,0 * 10 M/s)/(8,0 * 10 M/s) =(k [1,2 M][1,2 M])/(k [1,2 M][2,4 M])

Και πάλι, το k και οι τιμές [A] ακυρώνονται. Απλοποιώντας την εξίσωση, παίρνουμε:

1/2 =(1/2) , άρα m =1. η τάξη του [B] είναι 1.

*Σαν δευτερεύουσα σημείωση, θα μπορούσατε επίσης να το κάνετε συγκρίνοντας τιμές στον πίνακα, χωρίς να χρησιμοποιήσετε την εξίσωση. Μεταξύ των πειραμάτων 1 και 2, καθώς το [Β] μειώθηκε στο μισό, ο ρυθμός αντίδρασης μειώθηκε επίσης στο μισό. Έτσι, γνωρίζετε ότι η συγκέντρωση του Β είχε ευθέως ανάλογη επίδραση στον ρυθμό αντίδρασης και η τάξη του Β ήταν 1.

Εύρεση της συγκεκριμένης σταθεράς ρυθμού

Τώρα που γνωρίζετε τη σειρά και των δύο αντιδρώντων, συνδέστε τα στην εξίσωση. R =k [A][B]

Τέλος, βρείτε την τιμή του k συνδέοντας τις τιμές από οποιοδήποτε από τα πειράματα. Εάν επιλέξουμε να χρησιμοποιήσουμε το πείραμα 1, παίρνουμε:

8,0 * 10 M/s =k [1,2 M][2,4 M] =k (3.456 M)

k =2,3 * 10 Ms

Προσδιορίστε την εξίσωση του νόμου ποσοστού

Έτσι, ο τελικός νόμος του ρυθμού για αυτό το πείραμα είναι:R =(2,3 * 10 Ms)[A][B]

Το τελευταίο μας εκπληκτικό βίντεο χημείας

Ρυθμοί αντίδρασης και νόμος ρυθμού – Περαιτέρω ανάγνωση

• Ενέργεια ενεργοποίησης
• Σταθερά ισορροπίας
• Τύποι χημικών αντιδράσεων
• Προσέγγιση σταθερής κατάστασης