Hằng Số Tốc độ Trong Hóa Học: Định Nghĩa Và Phương Trình

Hằng số tốc độ là một hệ số tỷ lệ trong định luật tốc độ của động học hóa học liên quan giữa nồng độ mol của chất phản ứng với tốc độ phản ứng. Nó còn được gọi là hằng số tốc độ phản ứng hoặc hệ số tốc độ phản ứng và được biểu thị trong một phương trình bằng chữ k .

Những điểm rút ra chính: Tỷ lệ không đổi

• Hằng số tốc độ, k, là hằng số tỷ lệ cho biết mối quan hệ giữa nồng độ mol của chất phản ứng và tốc độ của một phản ứng hóa học.
• Hằng số tốc độ có thể được tìm thấy bằng thực nghiệm, sử dụng nồng độ mol của các chất phản ứng và thứ tự phản ứng. Ngoài ra, nó có thể được tính bằng phương trình Arrhenius.
• Các đơn vị của hằng số tốc độ phụ thuộc vào bậc của phản ứng.
• Hằng số tốc độ không phải là một hằng số thực, vì giá trị của nó phụ thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố khác.

Tỷ lệ phương trình không đổi

Có một số cách khác nhau để viết phương trình hằng số tốc độ. Có một dạng cho một phản ứng tổng quát, một phản ứng bậc nhất và một phản ứng bậc hai. Ngoài ra, bạn có thể tìm hằng số tốc độ bằng phương trình Arrhenius.

Đối với một phản ứng hóa học chung:

aA + bB → cC + dD

tốc độ của phản ứng hóa học có thể được tính như sau:

Tỷ lệ = k [A] a [B] b

Sắp xếp lại các điều khoản, hằng số tỷ lệ là:

hằng số tốc độ (k) = Tỉ lệ / ([A] a [B] a )

Ở đây, k là hằng số tốc độ và [A] và [B] là nồng độ mol của các chất phản ứng A và B.

Các chữ cái a và b thể hiện thứ tự của phản ứng đối với A và thứ tự của phản ứng đối với b. Giá trị của chúng được xác định bằng thực nghiệm. Cùng nhau, họ đưa ra thứ tự của phản ứng, n:

a + b = n

Ví dụ, nếu tăng nồng độ A lên gấp đôi tốc độ phản ứng hoặc tăng nồng độ A tăng gấp bốn lần tốc độ phản ứng, thì phản ứng là bậc nhất đối với A. Hằng số tốc độ là:

k = Tỷ lệ / [A]

Nếu tăng gấp đôi nồng độ của A và tốc độ phản ứng tăng lên bốn lần thì tốc độ của phản ứng tỉ lệ với bình phương nồng độ của A. Phản ứng là bậc hai so với A.

k = Tỷ lệ / [A] 2

Tỷ lệ không đổi từ phương trình Arrhenius

Hằng số tốc độ cũng có thể được biểu thị bằng phương trình Arrhenius :

k = Ae -Ea / RT

Ở đây, A là hằng số cho tần số va chạm của các hạt, Ea là năng lượng hoạt hóa của phản ứng, R là hằng số khí phổ, và T là nhiệt độ tuyệt đối . Từ phương trình Arrhenius, rõ ràng là nhiệt độ là yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ của một phản ứng hóa học . Lý tưởng nhất là hằng số tốc độ tính đến tất cả các biến ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

Tỷ lệ đơn vị cố định

Các đơn vị của hằng số tốc độ phụ thuộc vào bậc của phản ứng. Nói chung, đối với phản ứng có bậc a + b, đơn vị của hằng số tốc độ là mol 1− ( m + n ) · L ( m + n ) −1 · s −1

• Đối với phản ứng bậc 0, hằng số tốc độ có đơn vị là mol trên giây (M / s) hoặc mol trên lít trên giây (mol·L −1 · s −1 )
• Đối với phản ứng bậc nhất, hằng số tốc độ có đơn vị là s -1
• Đối với phản ứng bậc hai, hằng số tốc độ có đơn vị là lít trên mol trên giây (L · mol −1 · s −1 ) hoặc (M −1 · s −1 )
• Đối với phản ứng bậc ba, hằng số tốc độ có đơn vị là lít bình phương trên mol bình phương trên giây (L 2 · mol −2 · s −1 ) hoặc (M −2 · s −1 )

Các tính toán và mô phỏng khác

Đối với các phản ứng bậc cao hoặc các phản ứng hóa học động, các nhà hóa học áp dụng nhiều mô phỏng động học phân tử bằng phần mềm máy tính. Các phương pháp này bao gồm Lý thuyết yên xe phân chia, thủ tục Bennett Chandler và Milestoning.

Không phải là một hằng số đích thực

Mặc dù tên của nó, hằng số tốc độ thực sự không phải là một hằng số. Nó chỉ đúng ở nhiệt độ không đổi . Nó bị ảnh hưởng bởi việc thêm hoặc thay đổi chất xúc tác, thay đổi áp suất hoặc thậm chí bằng cách khuấy hóa chất. Nó không áp dụng nếu bất cứ điều gì thay đổi trong một phản ứng ngoài nồng độ của các chất phản ứng. Ngoài ra, nó không hoạt động tốt nếu một phản ứng chứa các phân tử lớn ở nồng độ cao vì phương trình Arrhenius giả định các chất phản ứng là những quả cầu hoàn hảo thực hiện va chạm lý tưởng.

Nguồn

• Connors, Kenneth (1990). Động học hóa học: Nghiên cứu tỷ lệ phản ứng trong dung dịch . John Wiley và các con trai. ISBN 978-0-471-72020-1.
• Daru, János; Stirling, András (2014). "Lý thuyết yên xe phân chia: Ý tưởng mới cho tính toán không đổi tỷ giá". J. Chèm. Máy tính lý thuyết . 10 (3): 1121–1127. doi: 10.1021 / ct400970y
• Isaacs, Neil S. (1995). "Mục 2.8.3". Hóa hữu cơ vật lý  (xuất bản lần thứ 2). Harlow: Addison Wesley Longman. ISBN 9780582218635.
• IUPAC (1997). ( Tổng hợp thuật ngữ hóa học xuất bản lần thứ 2) ("Sách vàng").
• Laidler, KJ, Meiser, JH (1982). Hóa lý . Benjamin / Cummings. ISBN 0-8053-5682-7.