Die Reaktionsrate (Rate der Reaktion) oder Geschwindigkeit der Reaktion für einen Reaktionspartner oder Produkt in einer besonderen Reaktion wird als intuitiv definiert, wie sich schnell oder verlangsamen, findet eine Reaktion statt. Zum Beispiel ist die Oxydation von Eisen unter der Atmosphäre eine langsame Reaktion, die viele Jahre nehmen kann, aber das Verbrennen von Butan in einem Feuer ist eine Reaktion, die in Bruchteilen einer Sekunde stattfindet.

Chemische Kinetik ist der Teil der physischen Chemie, die Reaktionsraten studiert. Die Konzepte der chemischen Kinetik werden in vielen Disziplinen, wie chemische Technik, enzymology und Umwelttechnik angewandt.

Formelle Definition der Reaktionsrate

Denken Sie eine typische chemische Reaktion:

:aA + bB  Seiten + qQ </groß>

Die Kleinbuchstaben (a, b, p, und q) vertreten stochiometrische Koeffizienten, während die Großbuchstaben die Reaktionspartner (A und B) und die Produkte (P und Q) vertreten.

Gemäß der Goldbuchdefinition von IUPAC

die Reaktionsrate r für eine chemische Reaktion, die in einem geschlossenen System unter unveränderlich-bändigen Bedingungen ohne eine Zunahme von Reaktionszwischengliedern vorkommt, wird als definiert:

:

wo [X] die Konzentration (Molarity, mol/L) von der Substanz X. anzeigt (ZEICHEN: Die Rate einer Reaktion ist immer positiv. '-' Zeichen ist im Reaktionspartner da, der Begriffe einschließt, weil die Reaktionspartner-Konzentration abnimmt.) Empfiehlt der IUPAC, dass die Einheit der Zeit immer zweit sein sollte. In solch einem Fall unterscheidet sich die Rate der Reaktion von der Rate der Zunahme der Konzentration eines Produktes P durch einen unveränderlichen Faktor (das Gegenstück seiner stochiometrischen Zahl) und für einen Reaktionspartner durch minus das Gegenstück der stochiometrischen Zahl. Reaktionsrate hat gewöhnlich die Einheiten von mol L s.

Es ist wichtig zu denken, dass die vorherige Definition nur für eine einzelne Reaktion in einem geschlossenen System des unveränderlichen Volumens gültig ist. Diese am meisten gewöhnlich implizite Annahme muss ausführlich festgesetzt werden, sonst ist die Definition falsch: Wenn Wasser zu einem Topf hinzugefügt wird, der salziges Wasser, die Konzentration von Salz-Abnahmen enthält, obwohl es keine chemische Reaktion gibt.

Für jedes System im Allgemeinen muss das volle Massengleichgewicht in Betracht gezogen werden: IN - + GENERATION - VERBRAUCH = ANHÄUFUNG

:

Wenn angewandt, auf den strengen Fall hat vorher festgestellt, dass diese Gleichung abnimmt zu:

Für eine einzelne Reaktion in einem geschlossenen System des unterschiedlichen Volumens kann die so genannte Rate der Konvertierung verwendet werden, um zu vermeiden, Konzentrationen zu behandeln. Es wird als die Ableitung des Ausmaßes der Reaktion in Bezug auf die Zeit definiert.

ist der stochiometrische Koeffizient für die Substanz, ist das Volumen der Reaktion und ist die Konzentration der Substanz.

Wenn Seitenprodukte oder Reaktionszwischenglieder gebildet werden, empfiehlt der IUPAC den Gebrauch der Begriffe Rate des Äußeren und Rate des Verschwindens für Produkte und Reaktionspartner richtig.

Reaktionsraten können auch auf einer Basis definiert werden, die nicht das Volumen des Reaktors ist. Wenn ein Katalysator verwendet wird, kann die Reaktionsrate auf einem Katalysator-Gewicht (mol g s) oder Fläche (mol M s) Basis festgesetzt werden. Wenn die Basis eine spezifische Katalysator-Seite ist, die durch eine angegebene Methode streng aufgezählt werden kann, wird die Rate in Einheiten von s gegeben und wird eine Umsatz-Frequenz genannt.

Faktoren, die Rate der Reaktion beeinflussen

• Die Natur der Reaktion: Einige Reaktionen sind natürlich schneller als andere. Die Zahl der reagierenden Arten, ihr physischer Staat (die Partikeln, die Festkörper-Bewegung viel langsamer bilden als diejenigen von Benzin oder denjenigen in der Lösung), die Kompliziertheit der Reaktion und anderen Faktoren kann außerordentlich die Rate einer Reaktion beeinflussen.
• Konzentration: Reaktionsrate-Zunahmen mit der Konzentration, wie beschrieben, durch das Rate-Gesetz und haben durch die Kollisionstheorie erklärt. Weil Reaktionspartner-Konzentration, die Frequenz von Kollisionszunahmen zunimmt.
• Druck: Die Rate von gasartigen Reaktionen nimmt mit dem Druck zu, der tatsächlich zu einer Zunahme in der Konzentration des Benzins, gleichwertig ist. Die Reaktionsrate nimmt in der Richtung zu, wo es weniger Maulwürfe von Benzin und Abnahmen in der Rückwartsrichtung gibt. Für kondensierte phasige Reaktionen ist die Druck-Abhängigkeit schwach.
• Ordnung: Die Ordnung der Reaktion kontrolliert, wie die Reaktionspartner-Konzentration (oder Druck) Reaktionsrate betrifft.
• Temperatur: Gewöhnlich liefert das Leiten einer Reaktion bei einer höheren Temperatur mehr Energie ins System und vergrößert die Reaktionsrate durch das Verursachen von mehr Kollisionen zwischen Partikeln, wie erklärt, durch die Kollisionstheorie. Jedoch besteht der Hauptgrund, dass Temperatur die Rate der Reaktion vergrößert, darin, dass mehr von den kollidierenden Partikeln die notwendige Aktivierungsenergie haben werden, die auf erfolgreichere Kollisionen hinausläuft (wenn Obligationen zwischen Reaktionspartnern gebildet werden). Der Einfluss der Temperatur wird durch die Gleichung von Arrhenius beschrieben. Als Faustregel verdoppeln sich Reaktionsquoten für viele Reaktionen für jede 10-Grad Celsius-Zunahme in der Temperatur, obwohl die Wirkung der Temperatur sehr viel größer oder kleiner sein kann als das.

Zum Beispiel brennt Kohle in einem Kamin in Gegenwart von Sauerstoff, aber es tut nicht, wenn es bei der Raumtemperatur versorgt wird. Die Reaktion ist bei niedrigen und hohen Temperaturen unwillkürlich, aber bei der Raumtemperatur ist seine Rate so langsam, dass es unwesentlich ist. Die Zunahme in der Temperatur, wie geschaffen, durch ein Match, erlaubt der Reaktion anzufangen, und dann heizt es sich, weil es exothermic ist. Das ist für viele andere Brennstoffe, wie Methan, Butan und Wasserstoff gültig.

Reaktionsraten können der Temperatur (non-Arrhenius) unabhängig sein oder mit der Erhöhung der Temperatur (anti-Arrhenius) abnehmen. Reaktionen ohne eine Aktivierungsbarriere (z.B, einige radikale Reaktionen), neigen dazu, anti Temperaturabhängigkeit von Arrhenius zu haben: die Rate unveränderliche Abnahmen mit der Erhöhung der Temperatur.

• Lösungsmittel: Viele Reaktionen finden in der Lösung statt, und die Eigenschaften des Lösungsmittels betreffen die Reaktionsrate. Die Ionenstarke hat auch eine Wirkung auf die Reaktionsrate.
• Elektromagnetische Radiation und Intensität des Lichtes: Elektromagnetische Radiation ist eine Form der Energie. Als solcher kann es die Rate beschleunigen oder sogar eine Reaktion unwillkürlich machen, weil es die Partikeln der Reaktionspartner mit mehr Energie versorgt. Diese Energie wird so oder so in den reagierenden Partikeln versorgt (sie kann Obligationen brechen, Moleküle elektronisch oder Schwing-aufgeregte Staaten... fördern), Zwischenarten schaffend, die leicht reagieren. Als die Intensität von leichten Zunahmen absorbieren die Partikeln mehr Energie und folglich die Rate von Reaktionszunahmen.

Zum Beispiel, wenn Methan mit dem Chlor in der Dunkelheit reagiert, ist die Reaktionsrate sehr langsam. Es kann beschleunigt werden, wenn die Mischung unter dem ausgegossenen Licht gestellt wird. Im hellen Sonnenlicht ist die Reaktion explosiv.

• Ein Katalysator: Die Anwesenheit eines Katalysators vergrößert die Reaktionsrate (in beiden der nachschicken und die Rückreaktionen) durch das Versorgen eines alternativen Pfads mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie.

Zum Beispiel katalysiert Platin das Verbrennen von Wasserstoff mit Sauerstoff bei der Raumtemperatur.

• Isotope: Die kinetische Isotop-Wirkung besteht in einer verschiedenen Reaktionsquote für dasselbe Molekül, wenn es verschiedene Isotope, gewöhnlich Wasserstoffisotope, wegen des Massenunterschieds zwischen Wasserstoff und schwerem Wasserstoff hat.
• Fläche: In Reaktionen auf Oberflächen, die zum Beispiel während der heterogenen Katalyse, der Rate von Reaktionszunahmen stattfinden, weil tut die Fläche. Das ist, weil mehr Partikeln des Festkörpers ausgestellt werden und durch Reaktionspartner-Moleküle geschlagen werden können.
• Das Rühren: Das Rühren kann eine starke Wirkung auf die Rate der Reaktion für heterogene Reaktionen haben.

Alle Faktoren, die eine Reaktionsrate abgesehen von der Konzentrations- und Reaktionsordnung betreffen, werden in der Rate-Gleichung der Reaktion in Betracht gezogen.

Rate-Gleichung

Für eine chemische Reaktion n + ist M B  C + D, die Rate-Gleichung oder das Rate-Gesetz ein mathematischer in der chemischen Kinetik verwendeter Ausdruck, um die Rate einer Reaktion zur Konzentration jedes Reaktionspartners zu verbinden. Es ist der Art:

:

In dieser Gleichung k ist (T) der Reaktionsrate-Koeffizient oder die unveränderliche Rate, obwohl es nicht wirklich eine Konstante ist, weil es alle Rahmen einschließt, die Reaktionsrate abgesehen von der Konzentration betreffen, die ausführlich in Betracht gezogen wird. Aller Rahmen, die vorher beschrieben sind, ist Temperatur normalerweise die wichtigste.

Die Hochzahlen n und M werden Reaktionsordnungen genannt und hängen vom Reaktionsmechanismus ab.

Stöchiometrie, molecularity (die wirkliche Zahl des Molekül-Kollidierens), und Reaktionsordnung fällt notwendigerweise nur in elementaren Reaktionen, d. h. jenen Reaktionen zusammen, die in gerade einem Schritt stattfinden. Die Reaktionsgleichung für elementare Reaktionen fällt mit dem Prozess zusammen, der am Atomniveau stattfindet, d. h. n Moleküle des Typs A, der mit der M Moleküle des Typs B (n plus die M kollidiert, ist der molecularity).

Für Benzin kann das Rate-Gesetz auch im Druck-Einheitsverwenden, z.B, dem idealen Gasgesetz ausgedrückt werden.

Durch das Kombinieren des Rate-Gesetzes mit einem Massengleichgewicht für das System, in dem die Reaktion vorkommt, kann ein Ausdruck für die Rate der Änderung in der Konzentration abgeleitet werden. Für ein geschlossenes System mit dem unveränderlichen Volumen kann solch ein Ausdruck wie aussehen

:

Temperaturabhängigkeit

Jeder Reaktionsrate-Koeffizient k hat eine Temperaturabhängigkeit, die gewöhnlich durch die Gleichung von Arrhenius gegeben wird:

:

E ist die Aktivierungsenergie, und R ist die Gaskonstante. Seitdem bei der Temperatur T die Moleküle ließen Energien durch einen Vertrieb von Boltzmann geben, man kann die Zahl von Kollisionen mit der Energie erwarten, die größer ist als E, dazu proportional zu sein. A ist der Vorexponentialfaktor oder Frequenzfaktor.

Die Werte für A und E sind von der Reaktion abhängig. Es gibt auch kompliziertere mögliche Gleichungen, die Temperaturabhängigkeit anderer Rate-Konstanten beschreiben, die diesem Muster nicht folgen.

Eine chemische Reaktion findet nur statt, wenn die reagierenden Moleküle kollidieren. Jedoch sind alle Kollisionen im Verursachen der Reaktion nicht wirksam. Produkte werden nur gebildet, wenn die kollidierenden Moleküle eine bestimmte minimale Energie genannt Schwellenenergie besitzen.

Grundsätzlich, die Zahl von aktivierten Molekülen verdoppeln sich fast für TemperaturT+10 kelvin.. Das Verhältnis einer Reaktion bei einer gegebenen Temperatur zu seiner Rate, die bei einer Temperatur 10 Grad tiefer unveränderlich ist, wird Temperaturkoeffizienten genannt.

Druck-Abhängigkeit

Die Druck-Abhängigkeit der Rate, die für kondensierte phasige Reaktionen unveränderlich ist (d. h., wenn Reaktionspartner und Produkte Festkörper oder Flüssigkeit sind), ist gewöhnlich im Rahmen des in der Industrie normalerweise gestoßenen Drucks genug schwach, dass es in der Praxis vernachlässigt wird.

Die Druck-Abhängigkeit der unveränderlichen Rate wird mit dem Aktivierungsvolumen vereinigt. Für die Reaktion, die durch einen mit der Aktivierung staatlichen Komplex weitergeht:

:

das Aktivierungsvolumen ist:

:

wo die teilweisen Mahlzahn-Volumina der Reaktionspartner und Produkte anzeigen und den mit der Aktivierung staatlichen Komplex anzeigt.

Für die obengenannte Reaktion kann man annehmen, dass die Änderung der Reaktionsrate unveränderlich (gestützt entweder auf dem Maulwurf-Bruchteil oder auf der Mahlzahn-Konzentration) mit dem Druck bei der unveränderlichen Temperatur ist:

:

In der Praxis kann die Sache kompliziert werden, weil die teilweisen Mahlzahn-Volumina und das Aktivierungsvolumen selbst eine Funktion des Drucks sein können.

Reaktionen können vergrößern oder ihre Raten mit dem Druck, abhängig vom Wert dessen vermindern. Als ein Beispiel des möglichen Umfangs der Druck-Wirkung, wie man zeigte, haben einige organische Reaktionen die Reaktionsrate verdoppelt, als der Druck vom atmosphärischen (0.1 MPa) zu 50 MPa vergrößert wurde (der =-0.025 L/mol gibt).

Beispiele

Für die Reaktion

:

Die Rate-Gleichung (oder Rate-Ausdruck) ist:

:

Die Rate-Gleichung widerspiegelt die Reaktionspartner stochiometrische Koeffizienten in der gesamten Reaktion nicht einfach: Es ist die erste Ordnung in H, obwohl der stochiometrische Koeffizient 2 ist und es die zweite Ordnung in NEIN ist.

In der chemischen Kinetik wird die gesamte Reaktion gewöhnlich vorgeschlagen, um durch mehrere elementare Schritte vorzukommen. Nicht alle diese Schritte betreffen die Rate der Reaktion; normalerweise ist es nur der langsamste elementare Schritt, die die Reaktionsrate betreffen. Zum Beispiel, in:

1. (schnelles Gleichgewicht)

1. (langsamer)
2. (schneller)

Reaktionen 1 und 3 sind im Vergleich zum zweiten sehr schnell, so ist es die langsamste Reaktion, die in der Rate-Gleichung widerspiegelt wird. Der langsame Schritt wird als der Rate-Bestimmungsschritt betrachtet. Die Ordnungen der Rate-Gleichung sind diejenigen vom Rate-Bestimmungsschritt.

Siehe auch

• Reaktionsrate unveränderlicher
• Rate-Gleichung
• Verdünnung (Gleichung)
• Verbreitungskontrollierte Reaktion
• Unveränderliche Zustandannäherung
• Kollisionstheorie und Übergang-Staat sind chemische Theorien, die versuchen, Reaktionsraten vorauszusagen und zu erklären.

Referenzen

Außenverbindungen

• Chemische Kinetik, Reaktionsrate und Ordnung (lassen Bedürfnisse Spieler aufblitzen)
• Reaktionskinetik, Beispiele von wichtigen Rate-Gesetzen (lesen mit dem Audio).

• Raten der Reaktion
• Übersicht von Bimolecular Reaktionen (Reaktionen, die mit zwei Reaktionspartnern verbunden sind)