Πώς να υπολογίσετε τον ρυθμό αντίδρασης
Μια αντίδραση συμβαίνει όταν τα σωματίδια συγκρούονται. Σε αυτή τη σύγκρουση τα σωματίδια μεταφέρουν αρκετή ενέργεια για να σπάσουν παλιούς δεσμούς και να δημιουργήσουν νέους. Αλλά πώς μπορείτε να ορίσετε τον ρυθμό με τον οποίο συμβαίνει μια αντίδραση;
Το Rate of Reaction
Ρίξτε μια ματιά σε μια απλή αντίδραση όπως η παρακάτω:
Σε αυτή την αντίδραση κάποιο αντιδρών Α μετατρέπεται σε κάποιο προϊόν Β. Ο ρυθμός της αντίδρασης μπορεί να αντιπροσωπεύεται από μια μείωση της συγκέντρωσης του Α με την πάροδο του χρόνου ή ως την αύξηση του Β με την πάροδο του χρόνου. Αυτό γράφεται:
Εφόσον το Α μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, υπάρχει ένα αρνητικό πρόσημο μπροστά από αυτό το ποσοστό. Οι τιμές που εκφράζονται εδώ είναι μέσες τα ποσοστά επειδή υπολογίζονται κατά μέσο όρο για κάποιο χρονικό διάστημα.
Πώς προσδιορίζετε τον ρυθμό αντίδρασης;
Ο ρυθμός αντίδρασης ή η ταχύτητα με την οποία συμβαίνει η αντίδραση γράφεται ως η αλλαγή στη συγκέντρωση ενός αντιδρώντος ή ενός προϊόντος ανά μεταβολή στο χρόνο όπως φαίνεται παραπάνω.
Για να υπολογίσετε αυτό πειραματικά, πρέπει να παρακολουθήσετε είτε τη συγκέντρωση του αντιδρώντος είτε του προϊόντος ως συνάρτηση του χρόνου. Αφού έχετε μετρήσεις σε διαφορετικούς χρόνους, μπορείτε στη συνέχεια να σχεδιάσετε αυτές τις τιμές και να βρείτε τον στιγμιαίο ρυθμό της αντίδρασης ή την κλίση της γραμμής.
Προσποιηθείτε ότι κοιτάτε την αντίδραση μεταξύ Α και Β, η οποία σχηματίζει το Γ και το Δ. Προφανώς, ο σχηματισμός του προϊόντος εξαρτάται τόσο από το Α όσο και από το Β. Αλλά, προσθέτοντας μια περίσσεια του ενός, ας πούμε Β, μπορείτε να διασφαλίσετε ότι το συγκέντρωση του Β παραμένει ουσιαστικά σταθερό. Με αυτόν τον τρόπο η αλλαγή στην ποσότητα του Β δεν θα επηρεάσει τον μετρούμενο ρυθμό αντίδρασης.
Στη συνέχεια, μπορείτε να σχεδιάσετε τον ρυθμό σε διαφορετικές συγκεντρώσεις του Α. Αυτό θα σας επιτρέψει να δείτε εάν ο ρυθμός είναι ανάλογος με τη συγκέντρωση των αντιδρώντων.
Πείτε αυτό όταν σχεδιάζετε ποσοστό έναντι συγκέντρωσης του Α βγάζει ευθεία γραμμή. Αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός είναι ευθέως ανάλογος με τη συγκέντρωση του Α. Ως αποτέλεσμα, όσο υψηλότερη είναι η συγκέντρωση του Α, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός.
Αυτό μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:
Η μεταβλητή k είναι γνωστή ως σταθερά ρυθμού . Είναι μια σταθερά αναλογικότητας μεταξύ του ρυθμού της αντίδρασης και των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων. Η μεταβλητή k είναι όχι επηρεάζεται από τη συγκέντρωση των αντιδρώντων. Είναι μια αναλογία της ταχύτητας και της συγκέντρωσης των αντιδρώντων. Αυτή η τιμή k επηρεάζεται μόνο από τη θερμοκρασία.
Εφόσον η συγκέντρωση μετριέται σε μοριακότητα, η μεταβολή της συγκέντρωσης μετριέται σε M ενώ ο χρόνος μετράται σε δευτερόλεπτα. Αυτό σημαίνει ότι οι μονάδες για το k είναι συνήθως 1/s ή s.
Στοιχειομετρία και Ρυθμοί Αντίδρασης
Για τη στοιχειομετρία, απλές αντιδράσεις όπως η αναλογία mol προς mol μεταξύ των συστατικών είναι ίσες. Για παράδειγμα, όταν το A μετατρέπεται στο B, χάνεται ένα mol του A για κάθε mol του B που παράγεται.
Δεν είναι όλες οι αντιδράσεις τόσο απλές.
Εξετάστε την ακόλουθη αντίδραση:
Κάθε φορά που κατασκευάζεται το Β, χρησιμοποιούνται 3 moles του Α. Αυτό μπορεί να εκφραστεί ως εξής:
Γενικά, για την αντίδραση:
Το ποσοστό δίνεται ως εξής:
Τι είναι ο νόμος για τα ποσοστά;
Ο νόμος για τα ποσοστά εκφράζει τη σχέση του ρυθμού μιας αντίδρασης με τη σταθερά του ρυθμού και τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων σε κάποια ισχύ.
Για μια γενική αντίδραση:
Ο νόμος του ποσοστού γράφεται ως:
Α και Β είναι οι αντιδράσεις. k είναι η σταθερά του ρυθμού. Οι x και y είναι αριθμοί που πρέπει να προσδιοριστούν πειραματικά . Μόλις τα x και y είναι γνωστά, η είσοδος οποιασδήποτε συγκέντρωσης αντιδραστηρίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βρεθεί ο ρυθμός της αντίδρασης.
Τα x και y είναι σημαντικά επειδή δίνουν μια σχέση μεταξύ των συγκεντρώσεων των αντιδρώντων Α και Β και του ρυθμού αντίδρασης. Δίνουν επίσης την εντολή αντίδρασης όταν προστίθενται μαζί. Η σειρά αντίδρασης είναι το άθροισμα της ισχύος στην οποία αυξάνονται οι συγκεντρώσεις των αντιδρώντων στο νόμο ταχύτητας.
Ποια είναι η Σειρά Αντίδρασης;
Όπως συζητήθηκε παραπάνω, ο νόμος του ρυθμού είναι μια μαθηματική σχέση που σας δείχνει πώς η αλλαγή της συγκέντρωσης των αντιδρώντων επηρεάζει τον ρυθμό της αντίδρασης. Λοιπόν, πώς μπορείτε να βρείτε τον νόμο των ποσοστών;
Ρίξτε μια ματιά στην ακόλουθη αντίδραση υδρογόνου και νιτρικού οξέος:
Για να βρείτε τη σειρά, πρέπει να γνωρίζετε τους εκθέτες του νόμου του ποσοστού που θα γραφόταν:
Αυτό απαιτεί τη χρήση δεδομένων που υποδεικνύουν τη συγκέντρωση των αντιδρώντων και την αρχική ταχύτητα.
Λάβετε υπόψη τα ακόλουθα δεδομένα:
| Πείραμα | [H2 ] | [ΟΧΙ] | Αρχικός ρυθμός (M/s) |
|---|---|---|---|
| 1 | 3,0x10 | 1,0x10 | 2,0x10 |
| 2 | 3,0x10 | 2,0x10 | 8,0x10 |
| 3 | 6,0x10 | 2,0x10 | 16,0x10 |
Για να βρείτε τη σειρά σε σχέση με κάθε αντιδρών, ξεκινήστε βρίσκοντας τα πειράματα στα οποία το άλλο αντιδραστήριο διατηρείται σταθερό. Για παράδειγμα, η διερεύνηση της σειράς σε σχέση με το ΝΟ, η εξέταση των Πειραμάτων 1 και 2 θα είναι χρήσιμη καθώς η συγκέντρωση του ΝΟ διπλασιάζεται αλλά η συγκέντρωση του H2 διατηρείται σταθερή.
Το πείραμα 1 και 2 δείχνουν ότι με τον διπλασιασμό της συγκέντρωσης του ΝΟ, ο ρυθμός τετραπλασιάζεται. Γράψτε τον νόμο ρυθμού και για τα δύο αυτά πειράματα ως εξής:
και
Η αναλογία μεταξύ των δύο δεξιών πλευρών της εξίσωσης είναι 4, οπότε αφού διαιρέσετε την πρώτη εξίσωση με τη δεύτερη, παίρνετε:
Άρα y =2.
Στη συνέχεια, μπορείτε να βρείτε την παραγγελία σε σχέση με το H2 . Τα πειράματα 2 και 3 δείχνουν ότι ο διπλασιασμός του H2 η συγκέντρωση διπλασιάζει τον ρυθμό. Αυτό σημαίνει ότι η αντίδραση είναι πρώτης τάξης σε H2 .
Επομένως, ο νόμος του ποσοστού είναι:
Η πρόσθεση των εκθετών 1 και 2 δίνει το 3 που σημαίνει ότι η αντίδραση είναι τρίτης τάξης.
Μερικά σημαντικά σημεία σχετικά με τον νόμο των συντελεστών:
- Δεν μπορούν να βρεθούν οι πρωτογενείς νόμοι από τη χημική εξίσωση. Πρέπει πάντα να βρεθεί πειραματικά. Από τις συγκεντρώσεις των αντιδρώντων και τον αρχικό ρυθμό αντίδρασης, μπορείτε να βρείτε τη σειρά αντίδρασης όπως φαίνεται παραπάνω και επίσης να βρείτε τη σταθερά ταχύτητας.
- Για νόμο του ρυθμού μηδενικής τάξης ο ρυθμός είναι ίσος με τη σταθερά του ρυθμού.
- Η σειρά αντίδρασης καθορίζεται πάντα από τη συγκέντρωση του αντιδρώντος.
- Η σειρά ενός αντιδρώντος δεν σχετίζεται με τον στοιχειομετρικό συντελεστή στην ισορροπημένη χημική εξίσωση.
Τι σημαίνει η σειρά μιας αντίδρασης;
Η σειρά μιας αντίδρασης σάς λέει πώς αλλάζει ο ρυθμός με τη συγκέντρωση του αντιδρώντος.
Οι αντιδράσεις πρώτης τάξης είναι αντιδράσεις των οποίων ο ρυθμός εξαρτάται από τη συγκέντρωση του αντιδρώντος που αυξάνεται στην πρώτη ισχύ. Αυτό σημαίνει ότι όταν η συγκέντρωση ενός αντιδρώντος διπλασιάζεται, διπλασιάζεται και ο ρυθμός.
Πολλές αντιδράσεις αποσύνθεσης είναι πρώτης τάξης. Ένα παράδειγμα είναι η αποσύνθεση του N2 O5 :
Οι αντιδράσεις δεύτερης τάξης είναι αντιδράσεις των οποίων ο ρυθμός εξαρτάται από τη συγκέντρωση ενός αντιδρώντος στη δεύτερη ισχύ ή από τις συγκεντρώσεις δύο αντιδραστηρίων το καθένα στην πρώτη ισχύ.
Ένα παράδειγμα αντίδρασης δεύτερης τάξης είναι ο συνδυασμός ιωδίου για να σχηματιστεί μοριακό ιώδιο στην αέρια φάση:
