Sådan bestemmes rækkefølgen af en kemisk reaktion

I kemisk kinetik beskriver reaktionshastigheden, hvor hurtigt reaktanter omdannes til produkter. takstloven udtrykker dette forhold matematisk ved at inkorporere en hastighedskonstant og eksponenter, der repræsenterer reaktionsrækkefølgen med hensyn til hver reaktant. At bestemme disse eksponenter eksperimentelt er afgørende for at forstå reaktionsmekanismer og optimere industrielle processer.

TL;DR

Mål den indledende hastighed for produktdannelse, mens de indledende koncentrationer eller tryk af hver reaktant varieres. Plot dataene for at identificere, hvordan hastigheden skalerer med hver komponent, afslører reaktionsrækkefølgen og muliggør beregning af hastighedskonstanten.

Forstå reaktionsordren

Rækkefølgen af en reaktion refererer til den effekt, som koncentrationen af hver reaktant er hævet til i hastighedsloven. Det er ikke det samme som den støkiometriske koefficient i den balancerede ligning; snarere afspejler det hastighedens følsomhed over for ændringer i koncentrationen.

• Nulorden :Hastigheden er uafhængig af reaktantkoncentration(er). Eksempel:r =k.
• Første ordre :Hastigheden er direkte proportional med koncentrationen af en reaktant. Eksempel:r =k[A].
• Anden orden :Hastigheden afhænger af kvadratet af en reaktantkoncentration eller produktet af to reaktantkoncentrationer. Eksempel:r =k[A][B] eller r =k[A]².

Nulordreaktioner

I en ægte nulteordensreaktion forbliver reaktionshastigheden konstant over tid, forudsat at reaktanterne er til stede. Grafisk falder koncentrationen af ​​en reaktant lineært med tiden, mens produktkoncentrationen stiger lineært. Hældningen af disse linjer er lig med hastighedskonstanten k, men k er ikke en funktion af reaktantkoncentrationen.

I praksis forekommer mange reaktioner af nulte orden under specifikke forhold - såsom enzymkatalyserede reaktioner ved mættende substratniveauer eller overflademedierede processer, hvor den aktive overflade bliver en begrænsende faktor. Disse omtales ofte som pseudo-nulorden fordi antagelsen kun gælder indtil en reaktant er opbrugt.

Bestemmelse af reaktionsrækkefølge og ratekonstant

Nøjagtig kinetisk analyse er afhængig af initial-rate-metoden . Følg disse trin:

1. Opsæt en række identiske reaktioner, hver med en forskellig startkoncentration (eller tryk) af én reaktant, mens andre holdes konstante.
2. Mål hastigheden af produktdannelse helt i starten af hver reaktion – før der sker et betydeligt forbrug af reaktanter.
3. Plot starthastighederne (r) mod startkoncentrationerne ([A], [B], osv.).
   • Hvis plottet er en ret linje gennem origo, giver hældningen hastighedskonstanten og rækkefølgen (hældning =1 for første orden).
   • Et logaritmisk plot (logr vs. log[A]) giver rækkefølgen som linjens hældning.
   • Krumte plots indikerer mere komplekse mekanismer eller højere ordens afhængighed.
4. Bekræft den afledte hastighedslov ved at sammenligne forudsagte koncentrationer over tid med eksperimentelle data ved hjælp af integration eller numeriske metoder.

Typiske faldgruber omfatter:

• Brug af gennemsnitlige koncentrationer i stedet for startværdier, som kan maskere ægte kinetisk adfærd.
• Hvis man ignorerer ændringer i temperatur, tryk eller katalysatoroverfladeareal, der ændrer den effektive hastighedskonstanten.
• Forudsat en enkelttrinsmekanisme, når reaktionen forløber gennem mellemprodukter.

For visuelle elever demonstrerer en kortfattet YouTube-selvstudie af Dr. Kim ved MIT den indledende satsmetode med rigtige datasæt:https://www.youtube.com/watch?v=example .

Billedkredit:SARINYAPINNGAM/iStock/GettyImages