قانون سرعت و اجزای آن

قانون سرعت، سرعت را به صورت تابعی از غلظت واکنش دهنده ها، غلظت محصولات و دما ارائه می دهد.هر فرضیه ای را که در سطح مولکولی در ارتباط با چگونگی انجام واکنش طرح می کنیم باید با قانون سرعت مطابقت داشته باشد، زیرا قانون سرعت مبنای تجربی دارد.

در این مبحث عموما واکنش هایی را در نظر می گیریم که محصولات در قانون سرعت ظاهر نشوند. سرعت واکنش در جنین مواردی به غلظت واکنش دهنده ها و دما بستگی دارد. ابتدا اثر غلظت را بر سرعت واکنش هایی بررسی می کنیم که در دمای ثابتی انجام می شوند. برای واکنش عمومی

aA+bB→cC+dD

قانون سرعت به شکل زیر است.R=k[A]^m.[B]ⁿ           

^{در این معادله K ثابت سرعت است و m و n  مرتبه واکنش دهنده های A و B است .}

نکته ی مهمی که باید به خاطر بسپارید این است که اجزای قانون سرعت، مرتبه های سرعت و ثابت سرعت باید به طور تجربی تعیین شوند. آن ها را نمی توان از استوکیومتری واکنش استنتاج کرد. شیمیدانان این اجزا را به طور تجربی چنین تعیین می کنند

 

1.       با استفاده از اندازی گیری غلظت سرعت اولیه را پیدا می کنند

2.       با استفاده از سرعت اولیه در چند آزمایش مرتبه های واکنش دهنده ها را به دست می آورند

3.       با استفاده از این مقادیر ثابت سرعت را محاسبه می کنند

روش های تجربی متعددی برای انجام مرحله اول، اندازه گیری غلظت ها برای یافتن سرعت های اولیه وجود دارد. در اینجا سه روش عمومی ارائه می شود.

1.       در واکنش هایی که مواد رنگی دخالت دارند می توان از روش های طیف سنجی استفاده کرد. به عنوان مثال در اکسایش نیتروژن مونوکسید، فقط محصول نیتروژن دی اکسید رنگی است. با گذشت زمان رنگ قهوه ای مخلوط واکنش پررنگ تر می شود.

2.       در واکنش هایی که تعداد مول های گاز تغییر می کند می توان تغییر فشار را دنبال کرد.

3.       روش سوم بررسی تغییر هدایت است. در واکنش بین یک هالید آلی و آب HBr تولید شده یک اسید قوی است و به طور کامل به یون های خود تفکیک می شود بنابراین هدایت محلول با زمان افزایش می یابد.

شیمیدانان به کمک روش سرعت های اولیه مرتبه های واکنش را محاسبه و ثابت سرعت واکنش را محاسبه  و سپس با استفاده از معادله قانون سرعت می توانند برای هر غلظت اولیه ای از واکنش دهنده ها سرعت را پیش بینی کنند.(شیمی عمومی سیلبربرگ )

نکته مهم اینست که این روش فقط با داشتن غلظت اولیه معلوم و دقیق  هر ماده واکنش دهنده قابل تایید بوده در حالیکه سرعت لحظه ای نمی تواند ملاکی برای تعیین مرتبه ها باشد زیرا در لحظاتی پس از شروع واکنش دیگر غلظت ها معلوم ومعین نیست و سریع ترین روشها برای اندازه گیری غلظت لحظه ای در ازمایشگاه زمان قابل ملاحظه ای را صرف میکند که در این م واکنش مقدار دیگری از واکنش دهنده ها را مصرف کرده است .یکی از روشهای سنتیکی برای کاهش خطای این اندازه گیری غلظت در واکنش در حین انجام تکنیک Stoped flow  است که مواد واکنش دهنده ای را که رنگی هستند را به صورت پالسی و منقطع درون سل دستگاه اسپکتروفوتومتر تزریق و از طریق معادله بیر -لامبرت  و رابطه غلظت با جذب میتوانند غلظت لحظه ای را بدست آورند . که حتی در این روش هم خطای معینی وجود دارد.

به همین دلیل بهترین راه تعیین مرتبه ها استفاده از روش سرعت اولیه است که از مقدار دقیق غلظت موادی که در ظرف واکنش قرار داده ایم آگاهیم و واکنش هنوز پیشرفت چندانی نکرده است . درغیراین صورت اگر چند ثانیه از واکنش گذشته باشد دیگر نمی توانیم غلظت واقعی را اندازه گیری کنیم چون سریع ترین روش ها برای اندازه گیری غلظت با توجه به در جریان بودن واکنش خطای قابل ملاحظه ای خواهد داشت .