Jak obliczyć szybkość reakcji chemicznej?
Szybkość reakcji chemicznej oblicza się jako zmianę stężenia reagenta podzieloną przez czas, w którym ta zmiana zachodzi. Dla substratu stosuje się znak minus, ponieważ jego stężenie maleje:
v = Δc / Δt – dla produktu
v = −Δc / Δt – dla substratu
Wzór na średnią szybkość reakcji
Szybkość średnia opisuje zmianę stężenia w określonym przedziale czasu. Symbol Δ oznacza zmianę, którą zawsze obliczamy jako wartość końcową minus wartość początkową:
Δc = ckońcowe − cpoczątkowe
Analogicznie:
Δt = tkońcowe − tpoczątkowe
Stężenie molowe najczęściej podaje się w mol/dm³, a czas w sekundach. Wtedy jednostką szybkości reakcji jest mol/(dm³·s).
| Badana substancja | Zmiana stężenia | Wzór na szybkość |
|---|---|---|
| Substrat | Stężenie maleje | v = −Δc/Δt |
| Produkt | Stężenie rośnie | v = Δc/Δt |
Znak minus przy substracie nie oznacza, że szybkość reakcji jest ujemna. Wynika z tego, że dla zużywanego substratu wartość końcowa jest mniejsza od początkowej, więc Δc ma znak ujemny. Zastosowanie minusa przed ubytkiem stężenia daje dodatnią wartość szybkości.
Jak obliczyć średnią szybkość reakcji?
W zadaniu z danymi początkowymi i końcowymi wykonaj obliczenia w następującej kolejności:
- Wypisz stężenia początkowe i końcowe oraz odpowiadające im czasy.
- Oblicz zmianę stężenia jako wartość końcową minus początkowa.
- Oblicz zmianę czasu w taki sam sposób.
- Podstaw dane do wzoru z odpowiednim znakiem.
Przykład: stężenie substratu zmalało z 0,5 mol/dm³ do 0,3 mol/dm³ w czasie 10 s.
Najpierw obliczamy zmianę stężenia:
Δc = 0,3 − 0,5 = −0,2 mol/dm³
Dla substratu używamy znaku minus:
v = −(−0,2 mol/dm³) / 10 s
v = 0,020 mol/(dm³·s)
Średnia szybkość ubytku substratu wynosi więc 0,020 mol/(dm³·s). Wartość średnia dotyczy całego analizowanego przedziału. Nie musi być równa szybkości w każdej chwili reakcji, ponieważ stężenie substratów zwykle zmienia się w czasie, a wraz z nim zmienia się szybkość procesu.
Równanie kinetyczne i szybkość w danej chwili
Do opisu szybkości w określonej chwili stosuje się równanie kinetyczne. Dla reakcji, której szybkość zależy od stężeń substratów A i B, może ono przyjąć postać:
v = k · [A]m · [B]n
Symbol k oznacza stałą szybkości reakcji, a m i n są rzędami reakcji względem poszczególnych substratów. Wykładniki te wyznacza się doświadczalnie, porównując szybkości reakcji przy różnych stężeniach. Nie należy automatycznie przepisywać ich ze współczynników stechiometrycznych równania reakcji.
Rząd całkowity reakcji jest sumą wykładników. Jednostka stałej k zależy od tego rzędu:
| Rząd reakcji | Postać równania | Jednostka stałej k |
|---|---|---|
| 0 | v = k | mol·dm⁻³·s⁻¹ |
| 1 | v = k·[A] | s⁻¹ |
| 2 | v = k·[A]² lub k·[A]·[B] | dm³·mol⁻¹·s⁻¹ |
| 3 | v = k·[A]²·[B] | dm⁶·mol⁻²·s⁻¹ |
Równanie kinetyczne różni się od wzoru na szybkość średnią. Wzór z deltą wykorzystuje zmierzoną zmianę stężenia i czasu, natomiast równanie kinetyczne pozwala obliczyć szybkość na podstawie aktualnych stężeń oraz wartości stałej k. Stała szybkości zależy między innymi od temperatury.
Co wpływa na szybkość reakcji chemicznej?
Na szybkość reakcji wpływają przede wszystkim:
- Stężenie substratów – większe stężenie często zwiększa częstość zderzeń reagujących cząsteczek.
- Temperatura – jej wzrost zwykle zwiększa szybkość reakcji.
- Katalizator – przyspiesza reakcję przez obniżenie energii aktywacji.
- Stopień rozdrobnienia – większa powierzchnia ciała stałego ułatwia jego kontakt z drugim reagentem.
- Ciśnienie gazów – w warunkach, w których zwiększa stężenie substratów gazowych, może zwiększyć szybkość reakcji.
W typowej reakcji szybkość z czasem maleje, ponieważ substraty są zużywane. Wyjątkiem mogą być procesy, których szybkość nie zależy od stężenia substratów, na przykład reakcje zerowego rzędu w określonych warunkach.
Najważniejsza zasada przy obliczeniach brzmi: najpierw policz zmianę jako „koniec minus początek”, a dopiero potem zastosuj znak minus wymagany dla substratu. Dzięki temu jednostki i znak wyniku pozostają poprawne.
