Định luật tốc độ phản ứng

Định luật tốc độ biểu thị cách tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của các chất phản ứng, và dạng tích phân của nó dự đoán cách các nồng độ đó biến đổi theo thời gian.

Definition

Định luật tốc độ phản ứng là một phương trình thực nghiệm liên hệ tốc độ tức thời của một phản ứng với nồng độ của các chất phản ứng, mỗi chất được nâng lên một lũy thừa xác định bậc của nó, với một hằng số tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Scope

Chủ đề này bao gồm việc xác định thực nghiệm các định luật tốc độ: định nghĩa tốc độ phản ứng, các khái niệm về bậc và phân tử số, hằng số tốc độ, và các phương pháp như tốc độ ban đầu và cô lập để tìm bậc. Nó phát triển các phương trình tốc độ tích phân cho các phản ứng bậc không, bậc một và bậc hai, thời gian bán hủy tương ứng, và phân tích các phản ứng thuận nghịch, song song và liên tiếp. Việc tái tạo cơ chế từ các định luật tốc độ và nguồn gốc lý thuyết của các hằng số tốc độ được xử lý trong các chủ đề riêng biệt.

Core questions

• Bậc phản ứng được xác định bằng thực nghiệm từ dữ liệu nồng độ-thời gian như thế nào?
• Các phương trình tốc độ tích phân và thời gian bán hủy cho các bậc phản ứng phổ biến là gì?
• Phân tử số và bậc khác nhau như thế nào, và tại sao chúng không nhất thiết phải trùng khớp?
• Các phản ứng song song và liên tiếp được phân tích động học như thế nào?

Key concepts

• Tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ
• Bậc và phân tử số
• Các phương trình tốc độ tích phân
• Thời gian bán hủy và thời gian đặc trưng
• Phương pháp tốc độ ban đầu và cô lập

Key theories

Các định luật tốc độ tích phân

Tích phân định luật tốc độ vi phân cho một bậc nhất định mang lại các mối quan hệ nồng độ-thời gian rõ ràng, các đồ thị tuyến tính xác định bậc, và các thời gian bán hủy đặc trưng không đổi đối với các phản ứng bậc một nhưng phụ thuộc vào nồng độ trong các trường hợp khác.

Xác định bậc bằng phương pháp cô lập và tốc độ ban đầu

Bằng cách giữ tất cả trừ một chất phản ứng ở lượng dư lớn, hoặc bằng cách đo tốc độ ngay từ đầu trước khi sản phẩm tích tụ, sự phụ thuộc vào từng chất phản ứng có thể được cô lập và định luật tốc độ tổng thể được thiết lập.

Clinical relevance

Các định luật tốc độ thiết lập các phương trình thiết kế cho các lò phản ứng hóa học, dự đoán sự phân hủy và thời hạn sử dụng của thuốc và thuốc thử, điều chỉnh thời gian định liều và thanh thải trong dược động học, và định lượng sự tồn tại của các chất ô nhiễm trong các hệ thống môi trường.

History

Nghiên cứu của Wilhelmy năm 1850 về sự nghịch đảo đường sucrose đã đưa ra định luật tốc độ định lượng đầu tiên; định luật tác dụng khối lượng của Guldberg và Waage vào những năm 1860 đã liên hệ tốc độ với nồng độ, và van't Hoff đã hệ thống hóa bậc và phân tử số trong các nghiên cứu của ông năm 1884 về động học hóa học.

Key figures

• Ludwig Wilhelmy
• Cato Maximilian Guldberg
• Peter Waage

Seminal works

• atkins2018
• laidler1987

Frequently asked questions

Một phản ứng có thể có bậc phân số hoặc thậm chí bậc không không?

Có. Bậc phân số thường phát sinh từ các cơ chế đa bước phức tạp, và bậc không xảy ra khi tốc độ bị giới hạn bởi một yếu tố khác ngoài nồng độ chất phản ứng, chẳng hạn như bề mặt xúc tác bão hòa, do đó tốc độ duy trì không đổi cho đến khi một chất phản ứng gần như cạn kiệt.

Tại sao thời gian bán hủy của phản ứng bậc một không phụ thuộc vào nồng độ?

Đối với động học bậc một, tốc độ tỷ lệ thuận với nồng độ, do đó sự giảm phân số trên một đơn vị thời gian là không đổi; thời gian để giảm xuống một nửa do đó là như nhau bất kể lượng ban đầu, đó là lý do tại sao sự phân rã phóng xạ có thời gian bán hủy cố định.