Bij een chemische reactie botsen deeltjes en brengen voldoende energie over om bestaande bindingen te verbreken en nieuwe te vormen. Begrijpen hoe snel dit proces plaatsvindt, is van cruciaal belang voor zowel scheikundigen, ingenieurs als onderzoekers.

De reactiesnelheid

Overweeg een eenvoudige conversie:A → B . De snelheid kan worden beschreven door hoe de concentratie van A afneemt of hoe B in de loop van de tijd toeneemt:

tarief =-\dfrac{\Delta[A]}{\Delta t} =\dfrac{\Delta[B]}{\Delta t}

Het negatieve teken weerspiegelt het verbruik van A, terwijl de vergelijkingen worden gemiddeld over een gekozen tijdsinterval.

De reactiesnelheid bepalen

Om de snelheid experimenteel te meten, controleert u de concentratie van een reactant of product als functie van de tijd. Door gegevens op meerdere tijdstippen vast te leggen, kunt u de concentratie uitzetten tegen de tijd en de helling berekenen om de momentane snelheid te verkrijgen.

Bij het bestuderen van een reactie zoals A + B → C + D is het gebruikelijk om één reactant (bijvoorbeeld B) in grote overmaat te houden, zodat de concentratie ervan in wezen constant blijft. Dit isoleert het effect van de andere reactant (A) op de snelheid.

Door de snelheid uit te zetten tegen variërende concentraties van A zal blijken of de snelheid evenredig is met [A]. Een lineair verband duidt op een eerste orde afhankelijkheid van A.

In dat geval wordt de snelheidsconstante (k) gedefinieerd als:

k =\dfrac{rate}{[A]}

k is een echte constante voor een gegeven reactie bij een vaste temperatuur; het is onafhankelijk van de concentraties van de reactanten. De eenheden zijn doorgaans s ^-1 .

Stoichiometrie en reactiesnelheden

Stoichiometrie relateert de molverhoudingen van reactanten en producten. Voor een evenwichtige vergelijking zoals 3A → B , verbruikt één mol B drie mol A. De snelheidsuitdrukking wordt:

tarief =-\dfrac{1}{3}\dfrac{\Delta[A]}{\Delta t} =\dfrac{\Delta[B]}{\Delta t}

Meer in het algemeen, voor aA + bB → cC + dD , het tarief is:

tarief =-\dfrac{1}{a}\dfrac{\Delta[A]}{\Delta t} =-\dfrac{1}{b}\dfrac{\Delta[B]}{\Delta t} =\dfrac{1}{c}\dfrac{\Delta[C]}{\Delta t} =\dfrac{1}{d}\dfrac{\Delta[D]}{\Delta t}

De tarievenwet

De tariefwet koppelt de snelheid aan de concentraties van reactanten die tot specifieke bevoegdheden zijn verhoogd:

tarief =k[A]^x[B]^y

Hier is k de snelheidsconstante, terwijl x en y de reactievolgorde zijn met betrekking tot respectievelijk A en B. Deze exponenten zijn niet afgeleid van de chemische vergelijking; ze moeten experimenteel worden bepaald.

Reactievolgorde bepalen:een uitgewerkt voorbeeld

Beschouw de reactie van waterstof met salpeterzuur:

2H₂ + 2NO → N₂ + 2H₂ O

De tariefwet heeft de vorm:

snelheid =k[H₂ ]^x[NEE]^y

Met behulp van initiële tariefgegevens:

Door experimenten te vergelijken waarbij één reactant constant wordt gehouden, kunnen de exponenten worden afgeleid:

• Verdubbeling [NEE] (experimenten 1→2) verviervoudigt de snelheid, wat y =2 oplevert.
• Verdubbeling van [H₂ ] (experimenten 2 → 3) verdubbelt het tarief, wat x =1 oplevert.

De tariefwet is dus:

snelheid =k[H₂ ][NEE] ²

Het optellen van de orders levert een algehele reactie van de derde orde op.

Belangrijkste inzichten over reactieorders

• Tariefwetten moeten experimenteel worden afgeleid; de stoichiometrische coëfficiënten geven geen informatie over de reactievolgorde.
• Een reactie van de nulde orde heeft een snelheid gelijk aan k, onafhankelijk van de concentratie van de reactanten.
• De reactievolgorde geeft aan hoe gevoelig de snelheid reageert op veranderingen in de concentratie.
• Eerste orde reacties:een verdubbeling van de concentratie verdubbelt de snelheid.
• Tweede orde reacties:snelheid hangt af van één reactant in het kwadraat of twee reactanten elk tot de eerste macht.

Het begrijpen en toepassen van deze principes maakt nauwkeurige kinetische modellering, reactorontwerp en optimalisatie in industriële en laboratoriumomgevingen mogelijk.

• 

• Wetenschap & Ontdekkingen © https://nl.scienceaq.com

•