กฎอัตราการเกิดปฏิกิริยา

กฎอัตราแสดงให้เห็นว่าความเร็วของปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารตั้งต้นอย่างไร และรูปแบบอินทิเกรตของกฎนี้สามารถทำนายได้ว่าความเข้มข้นเหล่านั้นเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาอย่างไร

Definition

กฎอัตราการเกิดปฏิกิริยาคือสมการเชิงประจักษ์ที่เชื่อมโยงอัตราการเกิดปฏิกิริยา ณ ขณะใดขณะหนึ่งกับความเข้มข้นของสารตั้งต้น โดยแต่ละความเข้มข้นจะถูกยกกำลังด้วยค่าที่กำหนดอันดับของปฏิกิริยา และมีค่าคงที่อัตราที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการกำหนดกฎอัตราเชิงประจักษ์: คำจำกัดความของอัตราการเกิดปฏิกิริยา, แนวคิดของอันดับและโมเลกุลาริตี, ค่าคงที่อัตรา, และวิธีการต่างๆ เช่น อัตราเริ่มต้นและการแยกส่วนเพื่อหาอันดับ นอกจากนี้ยังพัฒนาสมการอัตราอินทิเกรตสำหรับปฏิกิริยาอันดับศูนย์ อันดับหนึ่ง และอันดับสอง รวมถึงครึ่งชีวิตที่เกี่ยวข้อง และการวิเคราะห์ปฏิกิริยาผันกลับได้ ปฏิกิริยาคู่ขนาน และปฏิกิริยาต่อเนื่อง การสร้างกลไกจากกฎอัตราและที่มาทางทฤษฎีของค่าคงที่อัตราจะกล่าวถึงในหัวข้อแยกต่างหาก

Core questions

• อันดับของปฏิกิริยาถูกกำหนดจากการทดลองจากข้อมูลความเข้มข้น-เวลาได้อย่างไร?
• สมการอัตราอินทิเกรตและครึ่งชีวิตสำหรับอันดับปฏิกิริยาทั่วไปคืออะไร?
• โมเลกุลาริตีและอันดับแตกต่างกันอย่างไร และเหตุใดจึงไม่จำเป็นต้องตรงกัน?
• ปฏิกิริยาคู่ขนานและปฏิกิริยาต่อเนื่องถูกวิเคราะห์ทางจลนพลศาสตร์อย่างไร?

Key concepts

• อัตราการเกิดปฏิกิริยาและค่าคงที่อัตรา
• อันดับและโมเลกุลาริตี
• สมการอัตราอินทิเกรต
• ครึ่งชีวิตและเวลาลักษณะเฉพาะ
• วิธีอัตราเริ่มต้นและการแยกส่วน

Key theories

กฎอัตราอินทิเกรต

การอินทิเกรตกฎอัตราเชิงอนุพันธ์สำหรับอันดับที่กำหนดจะให้ความสัมพันธ์ความเข้มข้น-เวลาที่ชัดเจน กราฟเชิงเส้นที่ระบุอันดับ และครึ่งชีวิตลักษณะเฉพาะที่คงที่สำหรับปฏิกิริยาอันดับหนึ่ง แต่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นสำหรับอันดับอื่น

การกำหนดอันดับโดยการแยกส่วนและอัตราเริ่มต้น

โดยการรักษาสารตั้งต้นทั้งหมดให้มีปริมาณมากเกินพอ ยกเว้นสารตั้งต้นหนึ่งชนิด หรือโดยการวัดอัตราในช่วงเริ่มต้นก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะสะสม การพึ่งพาของแต่ละสารตั้งต้นสามารถแยกออกมาได้ และกฎอัตราโดยรวมสามารถประกอบขึ้นได้

Clinical relevance

กฎอัตรากำหนดสมการการออกแบบสำหรับเครื่องปฏิกรณ์เคมี ทำนายการสลายตัวและอายุการเก็บรักษาของยาและสารเคมี ควบคุมระยะเวลาการให้ยาและการกำจัดยาในเภสัชจลนศาสตร์ และวัดปริมาณการคงอยู่ของสารมลพิษในระบบสิ่งแวดล้อม

History

การศึกษาการกลับน้ำตาลซูโครสของ Wilhelmy ในปี 1850 ได้ให้กฎอัตราเชิงปริมาณเป็นครั้งแรก กฎการกระทำของมวล (law of mass action) ของ Guldberg และ Waage ในทศวรรษ 1860 ได้เชื่อมโยงอัตรากับความเข้มข้น และ van't Hoff ได้จัดระบบอันดับและโมเลกุลาริตีในการศึกษาพลวัตทางเคมีของเขาในปี 1884

Key figures

• Ludwig Wilhelmy
• Cato Maximilian Guldberg
• Peter Waage

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

ปฏิกิริยาสามารถมีอันดับเป็นเศษส่วนหรือแม้แต่เป็นศูนย์ได้หรือไม่?

ได้ อันดับที่เป็นเศษส่วนมักเกิดจากกลไกหลายขั้นตอนที่ซับซ้อน และอันดับศูนย์เกิดขึ้นเมื่ออัตราถูกจำกัดด้วยปัจจัยอื่นที่ไม่ใช่ความเข้มข้นของสารตั้งต้น เช่น พื้นผิวตัวเร่งปฏิกิริยาที่อิ่มตัว ดังนั้นอัตราจึงคงที่จนกว่าสารตั้งต้นจะหมดไปเกือบทั้งหมด

เหตุใดครึ่งชีวิตของปฏิกิริยาอันดับหนึ่งจึงไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มข้น?

สำหรับจลนพลศาสตร์อันดับหนึ่ง อัตราเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มข้น ดังนั้นการลดลงเป็นสัดส่วนต่อหน่วยเวลาจึงคงที่ เวลาที่ใช้ในการลดลงเหลือครึ่งหนึ่งจึงเท่ากันโดยไม่คำนึงถึงปริมาณเริ่มต้น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการสลายตัวของสารกัมมันตรังสีจึงมีครึ่งชีวิตที่คงที่