Reaktionsgeschwindigkeitsgesetze

Ein Geschwindigkeitsgesetz beschreibt, wie die Geschwindigkeit einer Reaktion von den Konzentrationen ihrer Reaktanten abhängt, und seine integrierte Form sagt voraus, wie sich diese Konzentrationen im Laufe der Zeit entwickeln.

Definition

Ein Reaktionsgeschwindigkeitsgesetz ist eine empirische Gleichung, die die momentane Geschwindigkeit einer Reaktion mit den Konzentrationen der Reaktanten in Beziehung setzt, wobei jede Konzentration mit einer Potenz versehen ist, die ihre Ordnung definiert, und mit einer temperaturabhängigen Geschwindigkeitskonstante.

Scope

Dieses Thema behandelt die empirische Bestimmung von Geschwindigkeitsgesetzen: die Definition der Reaktionsgeschwindigkeit, die Konzepte von Ordnung und Molekularität, die Geschwindigkeitskonstante und Methoden wie Anfangsgeschwindigkeiten und Isolation zur Bestimmung von Ordnungen. Es entwickelt die integrierten Geschwindigkeitsgleichungen für Reaktionen nullter, erster und zweiter Ordnung, die entsprechenden Halbwertszeiten und die Analyse reversibler, paralleler und konsekutiver Reaktionen. Die Rekonstruktion von Mechanismen aus Geschwindigkeitsgesetzen und der theoretische Ursprung von Geschwindigkeitskonstanten werden in separaten Themen behandelt.

Core questions

• Wie wird die Reaktionsordnung experimentell aus Konzentrations-Zeit-Daten bestimmt?
• Was sind die integrierten Geschwindigkeitsgleichungen und Halbwertszeiten für die gängigen Reaktionsordnungen?
• Wie unterscheiden sich Molekularität und Ordnung, und warum müssen sie nicht übereinstimmen?
• Wie werden parallele und konsekutive Reaktionen kinetisch analysiert?

Key concepts

• Reaktionsgeschwindigkeit und Geschwindigkeitskonstante
• Ordnung und Molekularität
• Integrierte Geschwindigkeitsgleichungen
• Halbwertszeit und charakteristische Zeit
• Methode der Anfangsgeschwindigkeiten und Isolation

Key theories

Integrierte Geschwindigkeitsgesetze

Die Integration des differentiellen Geschwindigkeitsgesetzes für eine gegebene Ordnung liefert explizite Konzentrations-Zeit-Beziehungen, lineare Diagramme, die die Ordnung identifizieren, und charakteristische Halbwertszeiten, die für Reaktionen erster Ordnung konstant sind, aber ansonsten konzentrationsabhängig.

Bestimmung der Ordnung durch Isolation und Anfangsgeschwindigkeiten

Indem alle bis auf einen Reaktanten in großem Überschuss gehalten werden oder indem die Geschwindigkeiten ganz am Anfang gemessen werden, bevor sich Produkte ansammeln, kann die Abhängigkeit von jedem Reaktanten isoliert und das gesamte Geschwindigkeitsgesetz zusammengestellt werden.

Clinical relevance

Geschwindigkeitsgesetze legen die Entwurfsgleichungen für chemische Reaktoren fest, sagen die Zersetzung und Haltbarkeit von Medikamenten und Reagenzien voraus, steuern den Zeitpunkt der Dosierung und Clearance in der Pharmakokinetik und quantifizieren die Persistenz von Schadstoffen in Umweltsystemen.

History

Wilhelmys Studie zur Saccharose-Inversion von 1850 lieferte das erste quantitative Geschwindigkeitsgesetz; Guldberg und Waages Massenwirkungsgesetz in den 1860er Jahren verband Geschwindigkeiten mit Konzentrationen, und van't Hoff systematisierte Ordnung und Molekularität in seinen Studien zur chemischen Dynamik von 1884.

Key figures

• Ludwig Wilhelmy
• Cato Maximilian Guldberg
• Peter Waage

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

Kann eine Reaktion eine gebrochene oder sogar nullte Ordnung haben?

Ja. Gebrochene Ordnungen ergeben sich oft aus komplexen mehrstufigen Mechanismen, und eine nullte Ordnung tritt auf, wenn die Geschwindigkeit durch etwas anderes als die Reaktantenkonzentration begrenzt wird, wie z. B. eine gesättigte Katalysatoroberfläche, so dass die Geschwindigkeit konstant bleibt, bis ein Reaktant nahezu verbraucht ist.

Warum ist die Halbwertszeit einer Reaktion erster Ordnung unabhängig von der Konzentration?

Bei Kinetiken erster Ordnung ist die Geschwindigkeit direkt proportional zur Konzentration, so dass die fraktionelle Abnahme pro Zeiteinheit konstant ist; die Zeit, um auf die Hälfte abzufallen, ist daher unabhängig von der Ausgangsmenge, weshalb radioaktiver Zerfall eine feste Halbwertszeit hat.