Σταθερός ρυθμός αντίδρασης: Ορισμός και εξίσωση

ο σταθερά ρυθμού είναι ένας παράγοντας αναλογικότητας στο νόμο περί τιμών χημική κινητική που συνδέει τη μοριακή συγκέντρωση των αντιδραστηρίων με τον ρυθμό αντίδρασης. Είναι επίσης γνωστό ως το σταθερή ταχύτητα αντίδρασης ή συντελεστής ρυθμού αντίδρασης και υποδεικνύεται σε εξίσωση με το γράμμα κ.

Βασικές επιλογές: Ρυθμός σταθερού

Για μια γενική χημική αντίδραση:

aA + bB → cC + dD

ο ρυθμός της χημικής αντίδρασης μπορεί να υπολογιστεί ως:

Βαθμός = k [A]^ένα[ΣΙ]^σι

Αναδιατάσσοντας τους όρους, η σταθερά ρυθμού είναι:

σταθερά ρυθμού (k) = Rate / ([A]^ένα[ΣΙ]^ένα)

Εδώ, k είναι η σταθερά ρυθμού και [Α] και [Β] είναι οι μοριακές συγκεντρώσεις των αντιδρώντων Α και Β.

Τα γράμματα a και b αντιπροσωπεύουν το σειρά της αντίδρασης σε σχέση με το Α και τη σειρά της αντίδρασης σε σχέση με το β. Οι τιμές τους καθορίζονται πειραματικά. Μαζί, δίνουν τη σειρά της αντίδρασης, n:

a + b = n

Για παράδειγμα, εάν ο διπλασιασμός της συγκέντρωσης του Α διπλασιάζει τον ρυθμό αντίδρασης ή ο τετραπλασιασμός της συγκέντρωσης του Α τετραπλασιάζει τον ρυθμό αντίδρασης, τότε η αντίδραση είναι της πρώτης τάξης σε σχέση με το Α. Η σταθερά ρυθμού είναι:

k = Ρυθμός / [A]

Εάν διπλασιάσετε τη συγκέντρωση του Α και ο ρυθμός αντίδρασης αυξάνεται τέσσερις φορές, ο ρυθμός της αντίδρασης είναι ανάλογος με το τετράγωνο της συγκέντρωσης του Α. Η αντίδραση είναι δεύτερης τάξης σε σχέση με τον Α.

k = Ρυθμός / [A]²

Η σταθερά ρυθμού μπορεί επίσης να εκφράζεται χρησιμοποιώντας το Εξίσωση Arrhenius:

k = Αϊ^{-Εα / RT}

Εδώ, το Α είναι μια σταθερά για τη συχνότητα των συγκρούσεων σωματιδίων, το Ea είναι το ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης, το R είναι η καθολική σταθερά αερίου και το Τ είναι το απόλυτη θερμοκρασία. Από την εξίσωση Arrhenius, είναι προφανές ότι θερμοκρασία είναι το κύριο παράγοντας που επηρεάζει το ρυθμό μιας χημικής αντίδρασης. Στην ιδανική περίπτωση, η σταθερά ρυθμού αντιπροσωπεύει όλες τις μεταβλητές που επηρεάζουν το ρυθμό αντίδρασης.

Οι μονάδες της σταθεράς ρυθμού εξαρτώνται από τη σειρά της αντίδρασης. Γενικά, για μια αντίδραση με τάξη a + b, οι μονάδες της σταθεράς ρυθμού είναι mol^1−(Μ+ν)·ΜΕΓΑΛΟ^(Μ+ν)−1·μικρό⁻¹

• Για αντίδραση μηδενικής τάξης, η σταθερά ρυθμού έχει μονάδες γραμμομοριακό ανά δευτερόλεπτο (M / s) ή mole ανά λίτρο ανά δευτερόλεπτο (mol·L⁻¹·μικρό⁻¹)
• Για αντίδραση πρώτης τάξης, η σταθερά ρυθμού έχει μονάδες ανά δευτερόλεπτο s^-1
• Για αντίδραση δεύτερης τάξης, η σταθερά ρυθμού έχει μονάδες λίτρων ανά γραμμομόριο ανά δευτερόλεπτο (L · mol⁻¹·μικρό⁻¹) ή (Μ⁻¹·μικρό⁻¹)
• Για αντίδραση τρίτης τάξης, η σταθερά ρυθμού έχει μονάδες τετραγωνικού λίτρου ανά γραμμομόριο τετραγωνικά ανά δευτερόλεπτο (L²· Mol⁻²·μικρό⁻¹) ή (Μ⁻²·μικρό⁻¹)

Για αντιδράσεις υψηλότερης τάξης ή για δυναμικές χημικές αντιδράσεις, οι χημικοί εφαρμόζουν μια ποικιλία προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής χρησιμοποιώντας λογισμικό υπολογιστή. Αυτές οι μέθοδοι περιλαμβάνουν τη Θεωρία της Διαιρεμένης Σέλας, τη διαδικασία του Bennett Chandler και το Milestoning.

Παρά το όνομά του, η σταθερά ρυθμού δεν είναι στην πραγματικότητα σταθερά. Το ισχύει μόνο σε σταθερή θερμοκρασία. Επηρεάζεται με την προσθήκη ή αλλαγή καταλύτη, την αλλαγή της πίεσης ή ακόμα και με ανάδευση των χημικών. Δεν ισχύει εάν αλλάξει κάτι σε μια αντίδραση εκτός από τη συγκέντρωση των αντιδρώντων. Επίσης, δεν λειτουργεί πολύ καλά εάν μια αντίδραση περιέχει μεγάλα μόρια σε υψηλή συγκέντρωση επειδή η εξίσωση Arrhenius προϋποθέτει ότι τα αντιδραστήρια είναι τέλειες σφαίρες που εκτελούν ιδανικές συγκρούσεις.

• Connors, Kenneth (1990). Chemical Kinetics: Η μελέτη των ποσοστών αντίδρασης σε διάλυμα. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-72020-1.
• Daru, János; Stirling, András (2014). "Θεωρία διαιρεμένης σέλας: Μια νέα ιδέα για τον σταθερό υπολογισμό του ρυθμού". Ι. Chem. Θεωρία Comput. 10 (3): 1121–1127. doi:10.1021 / ct400970y
• Isaacs, Neil S. (1995). "Ενότητα 2.8.3". Φυσική Οργανική Χημεία (2η έκδοση). Harlow: Addison Wesley Longman. ISBN 9780582218635.
• IUPAC (1997) Περίληψη Χημικής Ορολογίας, 2η έκδοση. (το "Χρυσό Βιβλίο").
• Laidler, Κ. J., Meiser, J.H. (1982). Φυσική χημεία. Μπέντζαμιν / Κούμινγκς. ISBN 0-8053-5682-7.