Закон за действие на масите и порядък на химичните реакции

Нека да вземем химичната реакция А + В, която ни дава някакви продукти. Коефициентите малко а и b са коефициентите на изравненото химично уравнение. Логично е, че ако увеличим концентрациите на А и В, те ще се срещат по-често и ще е по-вероятно да реагират, което ще увеличи скоростта на нашата реакция. Това е вярно за повечето химични реакции. Ако увеличиш концентрацията на изходните вещества, увеличаваш скоростта на химичната реакция. Можем да проверим това с няколко експеримента. Да кажем, че искаме да проверим ефектът на концентрацията на А върху скоростта на реакцията. Ще запазим концентрацията на В константа, значи концентрацията на В не се променя в нашия експеримент. Променяме концентрацията на А, за да видим как влияе на скоростта на реакцията. Ще използваме първоначалната скорост на реакцията. Това е така, защото когато реакцията напредва, концентрацията на продуктите ще се увеличава. И тъй като реакциите са обратими, ще имаме някакви продукти, нали, които могат да повлияят на скоростта на реакцията. А това не е нашата цел. Целта ни е да разберем как концентрацията на изходните вещества влияе на скоростта. И така използваме началната скорост, когато имаме само реагенти и нямаме продукти. Значи в нашия пръв експеримент, нека концентрацията на А да е 1 М (мол на литър) и първоначалната скорост на реакцията, да е 0,01 М в секунда. Във втория експеримент ще увеличим концентрацията на А на 2 М. Запазваме концентрацията на В непроменена, и наблюдаваме скоростта на реакцията, която се увеличава на 0,02 М за секунда. Увеличихме концентрацията на А с коефициент две. Какво се случи със скоростта? Тя се промени от 0,01 на 0,02. Скоростта също се увеличи два пъти. Сега да сравним първия експеримент с третия експеримент. Променяме концентрацията на А от едно на три. Увеличаваме концентрацията на А с коефициент три. Какво се случва със скоростта? Скоростта се променя от 0,01 на 0,03. Скоростта се променя с коефициент три. За да установим връзката, ако помислиш самостоятелно, две на коя степен е равно на две? Очевидно това е две на първа степен. Две на първа степен е две. Можем да го направим и за другите случаи. Три на коя степен Х е равно на три? Очевидно три на първа степен е равно на три. Значи скоростта на нашата реакция е пропорционална... това е, което означава този смешен символ тук, скоростта на реакцията е пропорционална на концентрацията на А на първа степен. Добре, да направим същото с концентрацията на В. Правим няколко експеримента, в които променяме концентрацията на В и виждаме ефекта върху първоначалната скорост. За всички експерименти запазваме скоростта на А постоянна, следователно това, което се случва с В, повлиява скоростта на реакцията. В първия експеримент концентрацията на В е 1М, и скоростта е 0,01 М за секунда. После променяме концентрацията на В на 2 М. Удвояваме концентрацията на В, докато концентрацията на А остава същата. И наблюдаваме първоначалната скорост на реакцията, която става 0,04 мола в секунда. Значи увеличаваме концентрацията само на В, не и на А, и нека да променя това (смях). Увеличаваме скоростта на В с коефициент две. Променяме я от 1 М на 2 М. Какво се случва със скоростта? Тя се променя от 0,01 на 0,04. Значи се увеличава с коефициент четири. Нека да сравним първия експеримент с третия. Променяме концентрацията на В от 1 М на 3 М. Значи увеличаваме концентрацията на В с коефициент три. Какво се случва със скоростта? Скоростта се увеличава от 0,01 на 0,09. Значи увеличаваме скоростта с коефициент от девет. Сега нека помислим, на каква степен трябва да бъде, ще го означа с Y, две на коя степен е равно на четири? Очевидно Y трябва да е равно на две. Две на втора степен е четири. А три на коя степен Y е равно на девет? Очевидно, три на втора степен е равно на девет. Установихме, че скоростта на реакцията е пропорционална на концентрацията на В на втора степен. Добре, сега можем да обобщим. Можем да обобщим тези наблюдения, за да получим т.нар. Закон за действие на масите. ОК, знаем, че скоростта на нашата реакция е пропорционална на концентрацията на А на първа степен, и знаем, че скоростта е пропорционална на концентрацията на В на втора степен. И след това добавяме т.нар. скоростна константа К. И това е Законът за действие на масите. Нека да разгледаме членовете един по един. Значи R е скоростта на реакцията, нали? Това е скоростта на реакцията. К е така наречената скоростна константа. Това е скоростната константа. Има разлика между скорост на химична реакция и скоростна константа. Ако променим концентрациите на изходните вещества, се променя скоростта на реакцията. Но ако променим концентрацията на изходните вещества, не променяме скоростната константа, нали? Това е константа. Тя зависи от температурата, но ще говорим за това в следващи видеа. Тук имаме, че скоростта на реакцията е равна на концентрацията на А на първа степен. Значи казваме, че реакцията е от първи порядък по отношение на А. Казваме, че реакцията е от първи порядък по отношение на А. И установихме, че реакцията е от втори порядък по отношение на В. Тук имаме две, нали? Това е втори порядък, втори порядък по отношение на В. И можем да говорим за общ порядък на нашата реакция. Ако тя е от първи порядък по отношение на А, и от втори порядък по отношение на В, цялостният порядък на реакцията е 1 плюс 2, което е равно на 3. Общият порядък на реакцията е три. Хайде да се върнем горе при общата реакция, с която започнахме, ето тук горе. Имаме това. И сега ще запиша общия вид на закона за действие на масите. Така че ако това е твоята реакция, общият закон за действие на масите ще бъде R е равно на скоростната константа по концентрацията на А на някаква степен, ще я означа с Х, по концентрацията на В, на степен, която ще означа с Y. Показвам ти това, защото искам да видиш, че не можеш просто така да вземеш коефициентите и да ги поставиш тук. Защото не работи по този начин. Трябва да познаваш механизма на реакцията. Тези степени се определят експериментално. Затова трябва да погледнем експерименталните данни тук. А степените оказват влияние на скоростната константа. Нека се върнем долу. Нека да видим каква мерна единица за скоростната констанат имаме в този пример. Скоростта на реакцията е мол за литър за секунда, нали? Това е М за секунда. Търсим единиците за К. Единиците за концентрация са М (мол за литър). Добре, значи това М, което е на първа степен. А това е М на втора степен. Значи имаме М на втора степен. И за да намерим К, можем просто да съкратим тези М тук. И получаваме 1 върху секунда отляво. Значи 1 върху секунда, делено на М на квадрат. Значи 1/s по М^2. Можем да го запишем като 1/(M^2 по s). Това е мерната единица за К в тази реакция. Реакция от общ трети порядък. Но това може да се промени. Нали? Може да се промени според порядъка. Нека да видим тази реакция. Имаме само изходно вещество А, което се превръща в някакви продукти. Ако погледнем тези два експеримента, в първия концентрацията на А е 1 М (мол на литър), а първоначалната скорост на реакцията е 0,01 М за секунда. Ако удвоим концентрацията на А на 2М, скоростта остава същата. Тя все още е 0,01 М в секунда. Въпреки че концентрацията на А става от 1 М на 2 М, т.е. удвояваме концентрацията, или я увеличаваме с коефициент от две, скоростта остава същата. Значи скоростта се увеличава с коефициент едно. Защото това е същата скорост. Две на коя степен Х е равно на едно? Очевидно е, че Х трябва да е равно на нула. Две на нулева степен е равно на едно. Защото всяко число на нулева степен е равно на едно. Така че тази реакция е от нулев порядък по отношение на А. Ако искаме да запишем закона за действие на масите, тогава скоростта на реакцията е равна на скоростната константа К по концентрацията на А. Имаме само едно изходно вещество. И понеже е от нулев порядък спрямо А, можем просто да запишем, че скоростта на реакцията е равна на скоростната константа К. И ако искаме да видим какви са мерните единици за К, знаем, че скоростта е М за секунда. И това ще бъде и единицата за скоростната константа К. К е М (мол за литър) за секунда. Това е пример как се променят мерните единици за К, в зависимост от общия порядък на реакцията.