úvod
Že reakcie sú pri vyššej koncentrácii rýchlejšie, poznáme z lekcie Rýchlosť chemických reakcií. Teraz zistíme presne o koľko.
teória
Rýchlosť reakcie
Rýchlosť reakcie vyjadruje, o koľko sa zmení koncentrácia látky za jednotku času. Pri reakcii A → B:
v = −Δ[A] : Δt = Δ[B] : Δt
Udáva sa v mol/(l · s). Mínus pri reaktante je preto, že jeho koncentrácia klesá, a rýchlosť chceme mať kladnú. Keď reakcia postupuje, reaktantov ubúda a reakcia sa spomaľuje. Preto sa často meria počiatočná rýchlosť, hneď po zmiešaní.
teória
Rýchlostná rovnica
Závislosť rýchlosti od koncentrácií opisuje rýchlostná rovnica:
v = k · [A]^m · [B]^n
- k je rýchlostná konštanta. Pri danej teplote je stála, s teplotou rastie.
- Exponenty m a n sú poriadky reakcie vzhľadom na látky A a B, najčastejšie 0, 1 alebo 2.
| Poriadok | Keď koncentráciu zdvojnásobíme, rýchlosť |
|---|---|
| 0 | sa nezmení |
| 1 | sa zdvojnásobí |
| 2 | sa zoštvornásobí |
teória
Metóda počiatočných rýchlostí
Poriadky sa nedajú vyčítať z rovnice, zisťujú sa pokusom. Urobíme niekoľko pokusov, v ktorých meníme vždy len jednu koncentráciu, a porovnáme počiatočné rýchlosti. Keď sa po zdvojnásobení [A] rýchlosť zoštvornásobí, reakcia je vzhľadom na A druhého poriadku. Keď poznáme poriadky, z ľubovoľného pokusu vypočítame k.
vyskúšaj si
Počiatočné rýchlosti
Rýchlostná rovnica má tvar v = k · [NO]m · [O₂]n. Urob pokusy s rôznymi začiatočnými koncentráciami, zisti poriadky m a n a rýchlostnú konštantu k.
0 / 0| pokus | [NO] | [O₂] | v v mol/(l · s) |
|---|---|---|---|
| Zatiaľ žiadny pokus. | |||
Čo vyjadruje rýchlosť reakcie?
0 / 0Zapamätaj si: rýchlosť reakcie je zmena koncentrácie za čas. Ako závisí od koncentrácie, hovorí rýchlostná rovnica. Exponent pri koncentrácii je poriadok reakcie. Pri prvom poriadku dvojnásobná koncentrácia znamená dvojnásobnú rýchlosť, pri druhom štvornásobnú. Poriadok sa zisťuje pokusom.
Celkový poriadok a jednotka k
Celkový poriadok je súčet exponentov m + n. Od neho závisí jednotka rýchlostnej konštanty, lebo rýchlosť musí vždy vyjsť v mol/(l · s):
| Celkový poriadok | Jednotka k |
|---|---|
| 0 | mol/(l · s) |
| 1 | s⁻¹ |
| 2 | l/(mol · s) |
| 3 | l²/(mol² · s) |
Prečo poriadok nesedí s koeficientmi
Rovnica 2 NO + O₂ → 2 NO₂ má rýchlostnú rovnicu v = k · [NO]² · [O₂] a tu poriadky náhodou koeficientom zodpovedajú. Pri reakcii CO + NO₂ → CO₂ + NO pod 225 °C je však v = k · [NO₂]², rýchlosť od CO vôbec nezávisí.
Väčšina reakcií totiž prebieha v niekoľkých elementárnych krokoch. Celú reakciu brzdí najpomalší krok, ako najužšie miesto na diaľnici. Pri reakcii CO s NO₂ je najpomalším krokom zrážka dvoch molekúl NO₂:
- 2 NO₂ → NO₃ + NO (pomalý krok)
- NO₃ + CO → NO₂ + CO₂ (rýchly krok)
CO vstupuje až do rýchleho kroku, preto rýchlosť od neho nezávisí. Súbor krokov sa volá mechanizmus reakcie a rýchlostná rovnica je jeho dôležitou stopou.
rozšírenie Ako sa meria rýchlosť
Rýchlosť sa meria tak, že sa sleduje vlastnosť, ktorá sa mení s koncentráciou: farba roztoku spektrofotometrom, objem vznikajúceho plynu, hmotnosť na váhach, vodivosť alebo pH. Veľmi rýchle reakcie sa skúmajú bleskovou fotolýzou: zmes sa ožiari krátkym laserovým zábleskom a sleduje sa, čo sa deje počas nasledujúcich femtosekúnd. Za takéto merania dostal Ahmed Zewail v roku 1999 Nobelovu cenu.
teória
Časté chyby
- „Poriadok sa rovná koeficientu v rovnici.“ Poriadok sa zisťuje pokusom a s koeficientom sedieť nemusí.
- „Rýchlostná konštanta sa mení s koncentráciou.“ Pri danej teplote je stála, mení sa rýchlosť.
- „Nultý poriadok znamená, že látka nereaguje.“ Reaguje, len rýchlosť od jej koncentrácie nezávisí.
- „Rýchlosť reakcie je počas reakcie stála.“ S úbytkom reaktantov reakcia väčšinou spomaľuje.
Ako sa koncentrácia mení v čase a čo je polčas, ukáže lekcia Priebeh reakcie v čase a polčas.