Wpływ stężenia reagentów na szybkość reakcji chemicznej
Ze stechiometrii reakcji chemicznej:
(gdzie: A, B i C, D to odpowiednio substraty i produkty, natomiast a, b, c, d to współczynniki stechiometryczne reagentów)
Szybkość reakcji chemicznej r, można zdefiniować jako zmiany stężenia substratów \( [A], [B] \) lub produktów \( [C], [D] \) w czasie (t).
Ogólne wyrażenie na szybkość reakcji chemicznej r, można zdefiniować jako:
gdzie:
r- szybkość reakcji chemicznej \( [mol\cdot dm ^{-3} s^{-1}] \)
znak \( „- ” \) dla substratów znak \( „+ ” \) dla produktów
\( [X] \)- stężenie reagenta X \( [mol\cdot dm^{-3}] \)
\( ν_X \) - stechiometryczny współczynnik reagenta X
t - czas \( [s] \)
Im stężenie reagujących substancji jest większe tym większa jest szybkość reakcji, gdyż większe jest prawdopodobieństwo zderzenia cząstek, a więc i zderzeń efektywnych.
W przypadku reakcji 1 rzędu szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężenia jednego z reagujących substratów.
Dla reakcji A→P (gdzie A - substrat, P - produkt) równanie kinetyczne ma postać:
Zmianę stężenia w czasie dla reakcji można oznaczyć jako \( A_t \), natomiast początkowe stężenie substratu (stężenie w czasie 0) jako \( A_0 \). Całkowanie w granicach od stężenia początkowego \( A_0 \) do stężenia po danym czasie \( A_t \) daje wyrażenie:
lub
Równanie ( 3 ) można zapisać w postaci równania prostej y = ax + b, czyli:
gdzie:
punkt przecięcia osi \( y = ln [A_0] \)
współczynnik kierunkowy prostej \( a = -k \)
\( x = t \)
Dla reakcji pierwszorzędowej wykres zależności \( ln[A_t] \) od czasu jest linią prostą ( Rys. 1b). Stałą szybkości reakcji chemicznej można wyznaczyć z nachylenia prostej.
W przypadku reakcji 2-rzędu szybkość reakcji jest proporcjonalna do iloczynu stężeń dwóch reagujących substancji lub do kwadratu stężenia jednego substratu:
Dla reakcji A + A → P równanie kinetyczne ma postać:
Zmianę stężenia w czasie dla reakcji można oznaczyć jako \( A_t \), natomiast początkowe stężenie substratu (stężenie w czasie 0) jako \( A_0 \). Scałkowana forma równania ma postać:
Równanie można zapisać w postaci równania prostej y = ax + b, czyli:
gdzie:
punkt przecięcia osi \( y = \frac{1}{[A_0]} \)
współczynnik kierunkowy prostej \( a = k \)
\( x = t \)
Dla reakcji drugorzędowej wykres zależności \( \frac{1}{[A_0]} \) od czasu jest linią prostą ( Rys. 2 ). Stałą szybkości reakcji chemicznej można wyznaczyć z nachylenia prostej.