Jaka jest stała szybkość w chemii?

Definicja i równanie

Stała szybkości jest używana do reakcji, które sprzyjają tworzeniu produktów z reagentów. Westend61 / Getty Images

The stała szybkość jest współczynnikiem proporcjonalności w równaniu kinetycznym Kinetyka chemiczna co wiąże stężenie molowe reagentów z szybkością reakcji. Jest również znany jako stała szybkości reakcji lub współczynnik szybkości reakcji i jest oznaczony w równaniu literą k .

Kluczowe dania na wynos: Stała stawka

• Stała szybkości, k, jest stałą proporcjonalności, która wskazuje związek między stężeniem molowym reagentów a szybkością reakcji chemicznej.
• Stałą szybkości można wyznaczyć doświadczalnie, używając stężeń molowych reagentów i kolejności reakcji. Alternatywnie można go obliczyć za pomocą równania Arrheniusa.
• Jednostki stałej szybkości zależą od kolejności reakcji.
• Stała szybkości nie jest prawdziwą stałą, ponieważ jej wartość zależy od temperatury i innych czynników.

Stałe równanie szybkości

Istnieje kilka różnych sposobów zapisania równania stałej szybkości. Istnieje forma reakcji ogólnej, reakcji pierwszego rzędu i reakcji drugiego rzędu. Możesz także znaleźć stałą szybkości za pomocą równania Arrheniusa.

Dla ogólnej reakcji chemicznej:

aA + bB → cC + dD

ten szybkość reakcji chemicznej można obliczyć jako:

Stawka = k[A]^a[B]^b

Zmieniając terminy, stała szybkości wynosi:

stała szybkości (k) = szybkość / ([A]^a[B]^a)

Tutaj k jest stałą szybkości, a [A] i [B] są stężeniami molowymi reagentów A i B.

Litery a i b reprezentują kolejność reakcji względem A i kolejność reakcji względem b. Ich wartości są wyznaczane eksperymentalnie. Razem podają kolejność reakcji, n:

a + b = n

Na przykład, jeśli podwojenie stężenia A podwaja szybkość reakcji lub czterokrotne zwiększenie stężenia A czterokrotnie zwiększa szybkość reakcji, to reakcja jest pierwszego rzędu względem A. Stała szybkości wynosi:

k = Stawka / [A]

Jeśli podwoisz stężenie A, a szybkość reakcji wzrośnie czterokrotnie, szybkość reakcji jest proporcjonalna do kwadratu stężenia A. Reakcja jest drugiego rzędu względem A.

k = Stawka / [A]^dwa

Stała szybkości z równania Arrheniusa

Stałą szybkości można również wyrazić za pomocą Równanie Arrheniusa :

k = Tak^-Ea/RT

Tutaj A jest stałą dla częstotliwości zderzeń cząstek, Ea jest energia aktywacji reakcji, R jest uniwersalną stałą gazową, a T jest temperatura absolutna . Z równania Arrheniusa wynika, że temperatura to jest główne czynnik, który wpływa na szybkość reakcji chemicznej . Idealnie, stała szybkości uwzględnia wszystkie zmienne mające wpływ na szybkość reakcji.

Stałe stawki jednostek

Jednostki stałej szybkości zależą od kolejności reakcji. Ogólnie dla reakcji o rzędzie a + b jednostkami stałej szybkości są mol^{1-( m + n )}·L^{( m + n )−1}·s^-1

• W przypadku reakcji zerowego rzędu stała szybkości ma jednostki molowe na sekundę (M/s) lub mole na litr na sekundę (mol·L^-1·s^-1)
• W przypadku reakcji pierwszego rzędu stała szybkości ma jednostki na sekundę s^-1
• W przypadku reakcji drugiego rzędu, stała szybkości ma jednostki w litrach na mol na sekundę (L·mol^-1·s^-1) lub (M^-1·s^-1)
• W przypadku reakcji trzeciego rzędu, stała szybkości ma jednostki litr do kwadratu na mol kwadratów na sekundę (L^dwa·mola^-2·s^-1) lub (M^-2·s^-1)

Inne obliczenia i symulacje

W przypadku reakcji wyższego rzędu lub dynamicznych reakcji chemicznych chemicy stosują różne symulacje dynamiki molekularnej za pomocą oprogramowania komputerowego. Metody te obejmują teorię dzielonego siodła, procedurę Bennetta Chandlera i Milestoning.

Nie jest to prawdziwa stała

Pomimo swojej nazwy, stała szybkości nie jest w rzeczywistości stałą. To sprawdza się tylko w stałej temperaturze . Wpływa na to dodanie lub zmiana katalizatora, zmiana ciśnienia, a nawet mieszanie chemikaliów. Nie ma to zastosowania, jeśli w reakcji coś się zmienia poza stężeniem reagentów. Ponadto nie działa zbyt dobrze, jeśli reakcja zawiera duże cząsteczki w wysokim stężeniu, ponieważ równanie Arrheniusa zakłada, że ​​reagenty są idealnymi kulami, które wykonują idealne zderzenia.

Źródła

• Connors, Kenneth (1990). Kinetyka chemiczna: badanie szybkości reakcji w roztworze . John Wiley & Synowie. ISBN 978-0-471-72020-1.
• Daru, Janos; Stirling, Andras (2014). „Teoria podzielonego siodła: nowy pomysł na obliczanie stałej stopy procentowej”. J.Chem. Obliczenia teoretyczne . 10 (3): 1121–1127. doi: 10.1021/ct400970y
• Isaacs, Neil S. (1995). „Sekcja 2.8.3”. Fizyczna chemia organiczna (wyd. 2). Harlow: Addison Wesley Longman. ISBN 9780582218635.
• IUPAC (1997). ( Kompendium Terminologii Chemicznej 2. wyd.) („Złota Księga”).
• Laidler, KJ, Meiser, JH (1982). Chemia fizyczna . Benjamin/Cummings. ISBN 0-8053-5682-7.