反応速度と速度法則の決定方法

速くなる反応もあれば、遅くなる反応もあります。反応の速さは反応率です。 、レート法によって決定されます .この記事では、反応速度、速度法則、速度定数、反応順序について学びます。

化学反応の速度は、反応物の性質 (反応性)、表面積、温度、濃度、触媒など、多くの要因によって決定され、変化します。固有の化学反応ごとに、速度法則式で速度法則を記述できます 反応物の濃度が反応速度にどのように影響するかを示します。 率の法則は実験的にしか決定できないことに注意してください。 !

レート法とは?利率の法則

反応率 反応物がどれだけ濃縮されているかによって異なります。化学反応の速度法則は、反応中の反応物の濃度と反応速度の関係を表す方程式です。標準形式では、レート法方程式 次のように書かれています:

R =k [A][B]

• R は反応速度で、濃度/時間単位で表されます (通常、M/s =モル濃度/秒)
• k は比速度定数です
• A と B は反応物のモル濃度で、M (溶質のモル数/溶液のリットル数) で表されます
• n そしてm 反応の順序です

これらの各コンポーネントを分解してみましょう。

反応率

R =k [A][B]

前述のように、反応速度は多くの要因の影響を受けます。これが、各化学反応に固有の速度法則がある理由です。各反応には、異なる反応物質のセットと、反応速度に影響を与える異なる実験条件があります。

反応速度は、反応が時間とともに進行するにつれて形成される生成物の濃度として定義されるため、通常、モル濃度/時間 (M/s) で表されます。

比速度定数

R =k [A][B]

すべての反応は、その速度式に独自の定数があります。特定の速度定数 (k ) は、各実験反応に固有の比例定数です。これは、その値が温度などの反応速度を変更する実験の他の要因に依存することを意味します。反応で使用される同じ化合物でも、k レートを変更する他の要因が変化すると、変化する可能性があります。

さらに、特定の速度定数の単位は、反応の順序に依存します。これについては後で詳しく説明します。

反応物のモル濃度

R =k [A] [B]

速度法則は、反応速度を決定するために反応物のモル濃度を使用します。通常、反応物質の濃度が高くなると、反応速度が速くなります。これは、互いに衝突して反応する分子が増えるためです。

「[A]」という表記は、「反応物 A のモル濃度」と読みます。

反応物の濃度には、モル濃度 (M) の単位、つまり溶質のモル数/溶液のリットル数があります。

反応物と反応の順序

R =k [A][B]

反応物の次数は、反応物の濃度が速度法則式で上げられるべき乗です。次数は、反応物の濃度が速度則にどのように影響するかを数学的に示しています。

率の法則の方程式の最も単純なバージョン、R =k から始めましょう。 [A]

次数が 1、つまり n =1 の場合、これは、反応物 A の濃度と反応速度の関係が正比例することを意味します。 A が増加すると、R は比例して増加します。 A が 2 倍になると、R も 2 倍になります。

次数が 2、つまり n =2 の場合、これは反応速度が 二乗 に正比例することを意味します。 A が増加すると、R は増加しますが、比例しません。たとえば、A が 2 倍になると、R は 4 倍になります ([2A] =4A.

次数が 0、つまり n =0 の場合、これは、反応速度が反応物の濃度の変化に影響されないことを意味します。これはしません 反応物が必要ないことを意味します。反応物は依然として反応に必要ですが、反応物の量は反応速度に影響しません.

反応の順序の合計 は、反応物のすべての次数の合計 n + m です。

レート法を決定する方法

レート法を決定するように求められたときに表示される主な質問が 2 つあります。最初のタイプは、初等ステップから率則を見つけるように求めます。 2 番目のタイプでは、さまざまな反応物濃度と反応速度を使用したさまざまな実験をリストした表から速度法則を見つけるよう求められます。

場合によっては、中間体との反応の速度法則を見つけなければならないことがあります。そのためには、レート決定ステップを見つける必要があります。

基本ステップから

多くの反応では、化学式が反応プロセスを単純化しすぎています。通常、反応物から生成物に至るまでに発生する多くの中間反応または基本ステップがあります。

たとえば、式 NO₂ (g) + CO (g) → NO (g) + CO₂ (g) 一連の 2 つの基本ステップ:

ステップを一緒に追加すると、次のようになります:NO₂ + NO₂ + NO₃ + CO → NO₃ + いいえ + いいえ₂ + CO₂ .

NO₃ とNO₂ 方程式の両辺を相殺するので、元の方程式が残ります。

これらの問題では、通常、基本ステップと各ステップの速度が与えられます。たとえば、上記の式では、ステップ 1 が低速ステップで、ステップ 2 が高速です。より遅いステップがレート決定ステップとして使用されます —反応速度は、最も遅いステップと同じ速さでしか進まないためです。速度決定ステップを使用して、その反応物を使用して速度法則を記述します。

R =k [NO₂ ][NO₂ ] または R =k [NO₂ ]

速度法則には、CO (元の化学式の 2 番目の反応物) は含まれません。これは、CO がより遅い律速段階で使用されないためであり、反応速度には影響しません。

テーブルから

表から速度則を決定するには、反応物のモル濃度の違いが反応速度にどのように影響するかを数学的に計算して、各反応物の順序を把握する必要があります。次に、反応速度と反応物濃度の値をプラグインして、特定の速度定数を見つけます。最後に、特定の速度定数と反応物の次数を差し込んで速度法則を書き直します。

与えられた表には、反応のさまざまなテストがリストされています。それぞれの異なるテストは異なる濃度の反応物を持ち、その結果、そのテストの反応速度は異なります。実験のデータ テーブルの例を次に示します:2HI (g) → H₂ (g) + I₂ (g)

表を読む

実験では、ヨウ化水素 HI が反応物で、H₂ そして私₂ 製品です。表から、HI の濃度を変えて、同じ反応の 3 つの実験が実行されたことがわかります。各実験では、HI の濃度が異なるため、反応速度が異なりました。

表を使用して利率法則を決定する

反応物の順序を見つける

実験 1 から 2 に進むと、HI の濃度が 2 倍になっていることがわかります (0.015 x 2 =0.030)。その結果、(同じ実験間で) 反応速度が 4 倍になりました (1.1 x 10 x 4 =4.4 x 10)。このことから、[HI] の次数は 2 であることがわかります。この理由は、[2HI] =4HI、つまり x =2 です。つまり、2 =4 です。

この結果は、実験 1 と 3 でも確認できます。これらのテストの間に、HI の濃度は 3 倍になりました (0.015 * 3 =0.045)。その結果、反応速度は 9 倍になりました (1.1 * 10 * 9 =9.9 * 10)。 3 =9 なので、[HI] の次数は 2 であることがわかります。

数学的には、値を次の式に代入することで、同じプロセスを使用して反応物の次数を見つけることができます:

この式では、基本的に率の法則の式 (R =k) の比率を使用しています。 [A][B]) 反応物の次数を見つけます。上の表の値を差し込むと、次のようになります。

(4.4 * 10 M/s)/(1.1 * 10 M/s) =k [0.030 M]/k [0.015 M]

単純化すると、4 =2 なので、n =2 になります。予想どおり、これは前に計算した順序と同じです。

比速度定数を求める

反応物の HI の次数がわかったので、速度法則の記述を開始できます。まず、オーダーをレートの法則の式に組み込みます。

R =k [こんにちは]

k を見つける必要があります 、特定の速度定数。 k 覚えておいてください この実験とこの反応に固有のものです。いずれかの実験の値を方程式に代入することで、k を見つけることができます .実験 1 の値を代入すると、次のようになります。

1.1 * 10 M/s =k [0.015 M]

k =4.9 ミリ秒

したがって、この実験の最終レートの法則は次のとおりです。 R =4.9 Ms[HI]

特定速度定数の単位

前述のように、特定の速度定数の単位は、反応の順序によって異なります。注意:

• 反応速度の単位はM/sです
• 反応物の順序によって、式の右辺の単位が変わります

上記の例では、1.1 * 10 M/s =k [0.015 M] 、式の右辺を展開すると、1.1 * 10 M/s =k が得られます (0.000225 M)。 k を分離するには 、式の両辺を 0.000225 M で割って k を得ることができます =(1.1 * 10 M/秒)/(0.000225 M)。 k の単位 さんになる

ただし、別の (別の、無関係な) 例では、速度法則が 4.5 * 10 M/s =k の場合 [0.034 M] [0.048 M] 、k の単位 違うでしょう。この場合、式の右辺を展開すると、右辺の M の単位が得られます。 k の分離 、k の単位 (M/s)/M 、または Ms になります。

ご覧のとおり、各反応物の順序が特定の速度定数の単位に影響します。

レート法を決定するための質問例

基本ステップから

反応機構の基本ステップが与えられた場合、次の反応の速度法則を書きます:2NO₂ (g) + F₂ (g) → 2NO₂ ふ(ぐ)

説明:ステップ 1 はより遅いステップであるため、この反応の律速ステップです。反応物を速度法則方程式に代入して、速度法則を書きます。

答え:R =k [NO₂ ][F₂ ]

テーブルから

説明:

まず、次の式の速度法則を書きます:R =k [A][B]

反応物の順序を見つける

反応物 A の次数を見つけることから始めましょう。表でわかるように、実験 1 と 2 の間で B の濃度は変化しましたが、A の濃度は変化しませんでした。これは A の次数を見つけるのには役に立ちません。ただし、実験 1 と 3 の間で、A の濃度は変化しましたが、B は変化しませんでした。変化したのは A だけであり、反応速度に影響を与えた可能性のある唯一の変数であるため、これは A の次数を見つけるのに最適です。 .

表の値を差し込むと、次のようになります。

(7.2 * 10 M/秒)/(8.0 * 10 M/秒) =(k [3.6 M] [2.4 M])/(k [1.2 M] [2.4 M])

ご覧のとおり、方程式の右側にある k [B] の値が相殺され、[A] が分離されます。式を単純化すると、次のようになります。

9 =3 なので n =2. [A] の次数は 2 .

では、反応物 B の順序を見つけてみましょう。前述のように、実験 1 と 2 の間で、[B] の変数は、変更されている唯一の変数であるため、分離されています。

(4.0 * 10 M/s)/(8.0 * 10 M/s) =(k [1.2 M][1.2 M])/(k [1.2 M][2.4 M])

繰り返しますが、k と [A] の値は相殺されます。式を単純化すると、次のようになります。

1/2 =(1/2) なので m =1. [B] の次数は 1.

*補足として、方程式を使用せずに、表の値を比較することによってこれを行うこともできます。実験1と実験2の間で、[B]が半分になったので、反応速度も半分になりました。したがって、B の濃度が反応速度に正比例の影響を及ぼし、B の次数が 1 であることがわかります。

比速度定数を求める

両方の反応物の順序がわかったので、それらを方程式に挿入します。 R =k [A][B]

最後に、k の値を見つけます 実験の値を差し込むことによって。実験 1 を使用することを選択した場合、次の結果が得られます。

8.0 * 10 M/s =k [1.2 M][2.4 M] =k (3.456 M)

k =2.3 * 10 ミリ秒

利率法則式の決定

したがって、この実験の最終的なレートの法則は次のとおりです。R =(2.3 * 10 Ms)[A][B]

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反応速度と速度法則 – 参考文献

• 活性化エネルギー
• 平衡定数
• 化学反応の種類
• 定常状態の近似