Ismerkedés a reakciósebesség fogalmával

A reakciósebesség definíciója: egy reagens vagy termék koncentrációjának változása osztva az eltelt idővel. A koncentrációt mol/dm³-ben (rövidítve M,), az időt másodpercben mérjük. (Jele: s.) Tehát a reakciósebesség mértékegysége (mol/dm³)/s, rövidebben M/s. Az M/s hasonlóan hangzik, mint az m/s, ami, ha emlékszel a fizikára, a sebesség mértékegysége. Az átlagsebesség a megtett út osztva az eltelt idővel. Így ha az átlagsebességre gondolsz, segíthet megérteni a reakciósebesség kémiai definícióját. Nézzük meg ezt egy nagyon egyszerű reakciónál! Egy reagens, 'A', átalakul egy termékké, B-vé. Tekintsük úgy, hogy az elején (0 időnél) az 'A' anyag kezdeti koncentrációja 1,00 M, és semennyi 'A' nem alakult még B-vé. Tehát 0 időnél (t = 0) B koncentrációja 0. Várunk két másodpercet. Megmérjük 'A' koncentrációját, ami nyilvánvalóan csökkenni fog, mivel 'A' átalakul B-vé. Mondjuk, hogy 'A' koncentrációja 0,98 M-nek bizonyul. 0,02 M-mel csökkent 'A' koncentrációja. Mivel ez az 'A' B-vé változott, két másodperc után B koncentrációja 0,02 M. Rendben? Mivel 'A'-ból B lett. Ez tehát B koncentrációja 2 másodperc után. Ha az átlagos reakciósebességet akarjuk megtudni, beírhatjuk a reakciósebesség definíciójába. Koncentrációváltozás, legyen a termék koncentrációváltozása osztva az eltelt idővel. A reakciósebesség a termék koncentrációjának változása, azaz, végső koncentráció mínusz kezdeti koncentráció. A végső koncentráció tehát 0,02 M. Ide 0,02-t írunk, és ebből kivonjuk a termék kezdeti koncentrációját, ami 0. 0,02 – 0, osztva az eltelt idővel. Ez a végső idő mínusz a kezdeti idő, azaz 2 – 0. Tehát az átlagos reakciósebesség 0,02 osztva 2-vel, ami 0,01 M/s. Ez tehát az átlagos reakciósebesség t = 0 s-tól t = 2 s-ig. Ugyanezt elvégezhetjük 'A'-val is, a reakciósebességet meghatározhatjuk B keletkezése helyett 'A' fogyásának segítségével is. A sebesség ekkor tehát 'A' koncentrációjának változása, azaz 'A' végső koncentrációja, ami 0,98 M, mínusz 'A' kezdeti koncentrációja, ami 1,00 M. 0,98 – 1,00 osztva az eltelt idővel, azaz (2 – 0)-val. Ez –0,02 osztva 2-vel, negatív reakciósebességet kapunk, de a kémiában a reakciósebességet mindig pozitív mennyiségként definiáljuk. Ezért kell egy negatív előjel ide, mivel így kapunk a sebességre pozitív értéket. Tehát 0,02/2, ami természetesen 0,01 M/s. Ezzel pozitív eredményt kaptunk. És így kiszámoltuk az átlagos reakciósebességet 'A' fogyásából, illetve B keletkezéséből is, és mindezt még tovább általánosíthatjuk. Mondhatjuk, hogy a sebesség egyenlő 'A' koncentrációjának változása osztva az eltelt idővel, de ne feledjük el beírni a negatív előjelet! Beírjuk a negatív előjelet, hogy pozitív eredményt kapjunk a sebességre. Tehát a reakciósebesség egyenlő 'A' koncentrációváltozásának ellentetje osztva az eltelt idővel, és ez ugyanazt adja, mint B koncentrációváltozása osztva az eltelt idővel. Itt nem kell negatív előjel, hiszen ahogy a számításban láttuk, itt pozitív sebességet kapunk. Itt van tehát két különböző lehetőség a reakciósebesség kifejezésére. Csak átírtam kicsit általánosabb kifejezésekkel. Nézzünk meg egy bonyolultabb reakciót! Itt van a dinitrogén-pentoxid bomlásának rendezett egyenlete, melyben nitrogén-dioxid és oxigén keletkezik. Legyen az oxigén keletkezésének sebessége 9∙10⁻⁶ M/s. Milyen sebességgel keletkezik a nitrogén-dioxid? A rendezett egyenletre nézve látjuk, hogy egy mól oxigén mellett 4 mól nitrogén-dioxid keletkezik. Tehát csak meg kell szoroznunk az oxigén keletkezési sebességét néggyel, és így 3,6∙10⁻⁵ M/s-ot kapunk. Szóval a NO₂ négyszer gyorsabban keletkezik, mint az O₂. Mi van a dinitrogén-pentoxiddal? N₂O₅, nézzük meg a mólarányt! Egy mól oxigén keletkezésével elveszítünk 2 mól dinitrogén-pentoxidot. Ha az oxigén keletkezési sebességéből indulunk ki, mivel itt 1:2 a mólarány, meg kell szoroznunk ezt 2-vel, és mivel a dinitrogén-pentoxid fogy, negatív előjelet teszünk ide. Az eredmény –1,8∙10⁻⁵ M/s. A dinitrogén-pentoxid kétszer gyorsabban fogy, mint ahogy az oxigén keletkezik. Nézzük meg a reakciósebességet! Mondhatjuk, hogy az oxigén keletkezési sebességének felel meg, azaz 9,0∙10⁻⁶ M/s, leírhatjuk ezt ide. A sebesség az oxigén koncentrációjának változása osztva az eltelt idővel. De mi van, ha a nitrogén-dioxid keletkezése alapján szeretnénk kifejezni? Ez 3,6∙10⁻⁵ volt. Gondold át: mivel kell ezt a számot megszorozni, hogy ezt kapjuk? Mivel ez négyszer annyi, mint a bal oldalon levő szám, ezért 1/4-del kell szorozni. Tehát itt lent, ha a NO₂ koncentrációjának időbeli változásáról beszélünk, akkor hogy ugyanazt az eredményt kapjuk, ezt 1/4-del kell megszoroznunk. Végül gondoljuk meg a N₂O₅ felől is! Azt mondtuk, hogy ez –1,8∙10⁻⁵ sebességgel fogy. Ismét: mivel kell ezt megszorozni, hogy megkapjuk a 9∙10⁻⁶-t? Ez a szám abszolútértékben kétszer akkora volt, így féllel kell szorozni, valamint meg kell szabadulni a negatív előjeltől, mivel a reakciósebesség definíció szerint pozitív. Kell tehát ide egy mínuszjel. Így megkapom a 9∙10⁻⁶-t. Tehát ha a reakciósebességet a N₂O₅ fogyásából akarom kifejezni, az N₂O₅ változását osztjuk az eltelt idővel, és meg kell szorozni –1/2-del. Most, hogy rájöttünk, hogyan fejezzük ki a reakciósebességet, nézzünk rá a rendezett egyenletre! Itt volt egy 2-es a dinitrogén-pentoxidnál, nézzük meg, hova megy a 2-es a reakciósebességnél! A nitrogén-dioxidnál 4 az együttható, a 4 megy ide, az oxigénnél pedig, írjuk ezt zölddel, 1. Írhattam volna azt, hogy 1/1, csak hogy látszódjon a séma a reakciósebesség kifejezésében.