Skip to main content
Global

2.2: نرخ واکنش شیمیایی

  • Page ID
    216172
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)

    \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)

    \( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)

    \( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)

    \( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)

    \( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    ( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)

    \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)

    \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)

    \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)

    \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    \( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)

    \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

    \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)

    \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)

    \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)

    \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)

    \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)

    \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)

    \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    \( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}}      % arrow\)

    \( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}}      % arrow\)

    \( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)

    \( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)

    \( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)

    \( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)

    \( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)

    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)

    \(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)

    \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)

    \(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)
    اهداف یادگیری

    در پایان این بخش، شما قادر خواهید بود:

    • سرعت واکنش شیمیایی را تعریف کنید
    • عبارات نرخ را از معادله متعادل برای یک واکنش شیمیایی معین استخراج کنید
    • محاسبه نرخ واکنش از داده های تجربی

    نرخ اندازه گیری چگونگی تغییر برخی از دارایی ها با زمان است. سرعت یک نرخ آشنا است که مسافت طی شده توسط یک جسم را در یک زمان معین بیان می کند. دستمزد نرخی است که نشان دهنده مقدار پولی است که توسط فردی که برای مدت زمان مشخصی کار می کند به دست آورده است. به همین ترتیب، سرعت یک واکنش شیمیایی اندازه گیری میزان مصرف واکنش دهنده یا مقدار محصول تولید شده توسط واکنش در یک زمان معین است.

    سرعت واکنش تغییر مقدار واکنش دهنده یا محصول در واحد زمان است. بنابراین سرعت واکنش با اندازه گیری وابستگی زمانی برخی از ویژگی هایی که می تواند به مقدار واکنش دهنده یا محصول مربوط باشد، تعیین می شود. به عنوان مثال، نرخ واکنش هایی که مواد گازی را مصرف یا تولید می کنند، به راحتی با اندازه گیری تغییرات حجم یا فشار تعیین می شود. برای واکنش های مربوط به یک یا چند ماده رنگی، میزان ممکن است از طریق اندازه گیری جذب نور کنترل شود. برای واکنش های مربوط به الکترولیت های آبی، میزان ممکن است از طریق تغییر در هدایت محلول اندازه گیری شود.

    برای واکنش دهنده ها و محصولات موجود در محلول، مقادیر نسبی (غلظت) آنها به راحتی برای بیان سرعت واکنش استفاده می شود. به عنوان مثال، غلظت پراکسید هیدروژن، H 2 O 2، در یک محلول آبی با گذشت زمان به آرامی تغییر می کند زیرا طبق معادله تجزیه می شود:

    \[2 H_2 O_2(aq) \longrightarrow 2 H_2 O (l) + O_2(g) \nonumber \]

    سرعت تجزیه پراکسید هیدروژن را می توان از نظر میزان تغییر غلظت آن بیان کرد، همانطور که در اینجا نشان داده شده است:

    \ [\ text {نرخ تجزیه}\ شروع {align*}
    H_2O_2 & =-\ dfrac {\ text {تغییر غلظت واکنش دهنده}} {\ text {فاصله زمانی}}\\ [4pt]
    & =-\ dfrac {\ left [H_2 O_2\ right] _ {t_2} -\ left [H_2 O_2\ right] {t_1}} {t_2-t_1}\\ [4pt] & =-\ dfrac {\ Delta\ left [H_2 O_2\ right]} {\ Delta t}\ end {align*}\]

    این نمایش ریاضی تغییر در غلظت گونه ها در طول زمان بیان سرعت واکنش است. براکت ها غلظت مولار را نشان می دهند و نماد دلتا (\(Δ\)) نشان دهنده «تغییر در» است. بنابراین، \(\left [ \ce{H_2O_2} \right ]_{t_1}\) نشان دهنده غلظت مولی پراکسید هیدروژن در برخی از زمان ها است\(t_1\)؛ به همین ترتیب، \(\left [ \ce{H_2O_2} \right ]_{t_2}\) نشان دهنده غلظت مولی پراکسید هیدروژن در زمان بعد t2؛ و Δ [H2O2] نشان دهنده تغییر در غلظت مولی پراکسید هیدروژن در طول بازه زمانی \(Δt\) (یعنی\(t_2 − t_1\)) است. از آنجایی که غلظت واکنش دهنده با ادامه واکنش کاهش می یابد، یک کمیت منفی \(Δ \left [\ce{H2O2} \right ]\) است. نرخ واکنش، طبق قرارداد، کمیت های مثبت هستند و بنابراین این تغییر منفی در غلظت در -1 ضرب می شود. شکل نمونه \(\PageIndex{1}\) ای از داده های جمع آوری شده در طول تجزیه را ارائه می دهد\(\ce{H2O2}\).

    یک جدول با پنج ستون نشان داده شده است. ستون اول برچسب گذاری شده است، «زمان، ساعت.» در زیر آن اعداد 0.00، 6.00، 12.00، 18.00 و 24.00 ذکر شده است. ستون دوم برچسب گذاری شده است، «[زیرنویس H 2 O زیرنویس 2]، mol/L.» در زیر، اعداد 1.000، 0.500، 0.250، 0.125 و 0.0625 دو فاصله دارند. در سمت راست، ستون سوم برچسب گذاری شده است، «دلتا سرمایه [H زیرنویس 2 O زیرنویس 2]، mol/L.» در زیر، اعداد منفی 0.500، منفی 0.250، منفی 0.125 و منفی 0.062 به گونه ای ذکر شده اند که دو فاصله و افست دارند و از یک خط زیر اولین شماره ذکر شده در ستون با برچسب «[H subscript 2 O subscript 2]، mol/L.» دو عدد اول در ستون دوم دارای بخش های خطی هستند که از سمت راست آنها به سمت چپ شماره اول در ردیف سوم گسترش می یابد. اعداد دوم و سوم در ستون دوم دارای بخش های خطی هستند که از سمت راست آنها به سمت چپ شماره دوم در ردیف سوم گسترش می یابد. اعداد سوم و چهارم در ستون دوم دارای بخش های خطی هستند که از سمت راست آنها به سمت چپ شماره سوم در ردیف سوم گسترش می یابد. اعداد چهارم و پنجم در ستون دوم دارای بخش های خطی هستند که از سمت راست آنها به سمت چپ شماره چهارم در ردیف سوم گسترش می یابد. ستون چهارم با برچسب، «پایتخت دلتا t، h.» در زیر عنوان، مقدار 6.00 چهار بار ذکر شده است، هر یک از تک فاصله. ستون پنجم و نهایی برچسب گذاری شده است «نرخ تجزیه, mol/L منفی بالاخط 1/h منفی 1.» در زیر، مقادیر زیر به صورت تک فاصله ذکر شده اند: منفی 0.0833، منفی 0.0417، منفی 0.0208 و منفی 0.010.
    شکل\(\PageIndex{1}\): سرعت تجزیه H 2 O 2 در محلول آبی با کاهش غلظت H 2 O 2 کاهش می یابد.

    برای به دست آوردن نتایج جدول بندی شده برای این تجزیه، غلظت پراکسید هیدروژن هر 6 ساعت در طول یک روز در دمای ثابت 40 درجه سانتی گراد اندازه گیری شد. نرخ واکنش برای هر بازه زمانی با تقسیم تغییر غلظت بر افزایش زمان مربوطه محاسبه شد، همانطور که در اینجا برای دوره 6 ساعت اول نشان داده شده است:

    \[\frac{-\Delta\left[ H_2 O_2\right]}{\Delta t}=\frac{-(0.500 mol / L -1.000 mol / L )}{(6.00 h -0.00 h )}=0.0833 mol L^{-1} h^{-1} \nonumber \]

    توجه داشته باشید که سرعت واکنش با زمان تغییر می کند و با ادامه واکنش کاهش می یابد. نتایج مربوط به آخرین دوره 6 ساعته سرعت واکنش را نشان می دهد:

    \[\frac{-\Delta\left[ H_2 O_2\right]}{\Delta t}=\frac{-(0.0625 mol / L -0.125 mol / L )}{(24.00 h -18.00 h )}=0.010 mol L^{-1} h^{-1} \nonumber \]

    این رفتار نشان می دهد که واکنش به طور مداوم با گذشت زمان کند می شود. استفاده از غلظت ها در ابتدا و انتهای یک دوره زمانی که سرعت واکنش در حال تغییر است، منجر به محاسبه نرخ متوسط واکنش در این بازه زمانی می شود. در هر زمان خاص، سرعتی که یک واکنش در آن انجام می شود به عنوان نرخ لحظه ای آن شناخته می شود. سرعت لحظه ای یک واکنش در «زمان صفر»، زمانی که واکنش شروع می شود، سرعت اولیه آن است. قیاس سرعت اتومبیل را با نزدیک شدن به علامت توقف در نظر بگیرید. نرخ اولیه وسیله نقلیه - مشابه شروع یک واکنش شیمیایی - خواندن سرعت سنج در لحظه ای است که راننده شروع به فشار دادن ترمز می کند (t 0). چند لحظه بعد، نرخ لحظه ای در یک لحظه خاص - که آن را t 1 می نامیم - تا حدودی کندتر خواهد بود، همانطور که توسط سرعت سنج در آن نقطه از زمان نشان داده شده است. با گذشت زمان، نرخ لحظه ای به سقوط ادامه می دهد تا زمانی که به صفر برسد، زمانی که ماشین (یا واکنش) متوقف می شود. بر خلاف سرعت لحظه‌ای، سرعت متوسط خودرو توسط سرعت سنج نشان داده نمی‌شود؛ اما می‌توان آن را به عنوان نسبت مسافت طی شده به زمان مورد نیاز برای رساندن خودرو به توقف کامل (Δ t) محاسبه کرد. مانند ماشین در حال کاهش سرعت، میانگین سرعت یک واکنش شیمیایی در جایی بین نرخ اولیه و نهایی آن کاهش می یابد.

    سرعت لحظه ای یک واکنش ممکن است یکی از دو روش تعیین شود. اگر شرایط آزمایشی اجازه اندازه گیری تغییرات غلظت را در بازه های زمانی بسیار کوتاه بدهد، آنگاه نرخ های متوسط محاسبه شده همانطور که قبلاً توضیح داده شد تقریب های منطقی خوبی از نرخ های لحظه ای ارائه می دهند. متناوباً، ممکن است از یک روش گرافیکی استفاده شود که در واقع، نتایجی را به دست می آورد که در صورت امکان اندازه گیری فاصله زمانی کوتاه به دست می آید. در یک نمودار غلظت پراکسید هیدروژن در برابر زمان، نرخ لحظه ای تجزیه \(\ce{H2O2}\) در هر زمان \(t\) توسط شیب یک خط مستقیم که مماس بر منحنی در آن زمان است (شکل\(\PageIndex{2}\)) داده می شود. این دامنه های خط مماس ممکن است با استفاده از حساب دیفرانسیل و انتگرال ارزیابی شوند، اما روش انجام این کار فراتر از محدوده این فصل است.

    یک نمودار با برچسب «زمان (h)» نشان داده شده است، که در محور x ظاهر می شود و «[H زیرنویس 2 O زیرنویس 2] (mol در L)» در محور y. علامت گذاری محور x از 0.00 شروع می شود و در 24.00 پایان می یابد. علامت گذاری ها در فواصل 6.00 برچسب گذاری می شوند. محور y از 0.000 شروع می شود و شامل علامت گذاری هر 0.200، تا 1.000 است. یک منحنی غیر خطی کاهشی، مقعر، نشان داده شده است که از 1.000 در محور y شروع می شود و در سمت راست نمودار حدود 24.00 در محور x تقریباً به مقدار 0 می رسد. یک قطعه خط مماس قرمز در نقطه ای که نمودار محور y را در 1.000 قطع می کند، روی نمودار ترسیم می شود. شیب به عنوان «شیب برابر با دلتا سرمایه منفی [H زیرنویس 2 O زیرنویس 2] بیش از سرمایه دلتا t زیرنویس 0 برابر با نرخ اولیه» برچسب گذاری شده است. یک قطعه خط خطی عمودی از نقطه انتهایی سمت چپ بخش خط به سمت پایین گسترش می یابد تا با یک قطعه خط افقی مشابه که از نقطه انتهایی سمت راست قطعه خط کشیده شده است، تقاطع شود و یک مثلث راست را در زیر منحنی تشکیل دهد. پای عمودی مثلث برچسب «دلتا بزرگ [H زیرنویس 2 O زیرنویس 2]» و پای افقی برچسب گذاری شده است، «دلتا بزرگ t.» شیب به این صورت برچسب گذاری شده است: «شیب برابر است با دلتا سرمایه منفی [H زیرنویس 2 O زیرنویس 2] بیش از زیرنویس دلتا t سرمایه 12 برابر با نرخ لحظه ای در 12 ساعت است.» بخش دوم خط مماس قرمز در نزدیکی وسط منحنی در 12.00 در محور x کشیده شده است. یک قطعه خط خطی عمودی از نقطه انتهایی سمت چپ بخش خط به سمت پایین گسترش می یابد تا با یک قطعه خط افقی مشابه که از نقطه انتهایی سمت راست قطعه خط کشیده شده است، تقاطع شود و یک مثلث راست را در زیر منحنی تشکیل دهد. پای عمودی مثلث برچسب «دلتا بزرگ [H زیرنویس 2 O زیرنویس 2]» و پای افقی برچسب گذاری شده است، «دلتا بزرگ t.»
    شکل\(\PageIndex{2}\): این نمودار نمودار غلظت در برابر زمان را برای محلول 1.000 M H 2 O 2 نشان می دهد. نرخ در هر زمان برابر است با منفی شیب یک خط مماس بر منحنی در آن زمان. تانژانت ها در t = 0 h («نرخ اولیه») و در t = 12 h («نرخ لحظه ای» در 12 ساعت) نشان داده می شوند.
    شیمی در زندگی روزمره: میزان واکنش در تجزیه و تحلیل: نوار تست برای تجزیه و تحلیل ادرار

    پزشکان اغلب از نوارهای تست یکبار مصرف برای اندازه گیری مقدار مواد مختلف در ادرار بیمار استفاده می کنند (شکل\(\PageIndex{3}\)). این نوارهای آزمایش حاوی معرفهای شیمیایی مختلفی هستند که در پدهای کوچک در مکانهای مختلف در امتداد نوار تعبیه شده اند و در اثر قرار گرفتن در معرض غلظت کافی مواد خاص، تغییر رنگ می دهند. دستورالعمل های استفاده برای نوارهای تست اغلب تأکید می کنند که زمان خواندن مناسب برای نتایج مطلوب بسیار مهم است. این تأکید بر زمان خواندن نشان می دهد که جنبه های جنبشی واکنش های شیمیایی رخ داده در نوار آزمایش ملاحظات مهمی هستند.

    آزمایش گلوکز ادرار به یک فرآیند دو مرحله ای متکی است که توسط معادلات شیمیایی نشان داده شده در اینجا نشان داده شده است:

    \ [\ شروع {جمع شده}
    C_6 H_ {12} O_6+ O_2\ stackrel {\ text {کاتالیزور}} {\ longrigrightarrow} C_6 H_ {10} O_6+ H_2 O_2\ [4pt] 2 H_2 O_2+2 I^ {-}\ stackrel {\ text {کاتالیزور}} {\ longrightarrow} 2+2 H_2 O + O_2\ پایان {جمع}\nشماره\]

    معادله اول اکسیداسیون گلوکز در ادرار را برای تولید گلوکولاکتون و پراکسید هیدروژن نشان می دهد. پراکسید هیدروژن تولید شده متعاقباً یون یدید بی رنگ را اکسید می کند تا ید قهوه ای تولید کند، که ممکن است از نظر بصری تشخیص داده شود. برخی از نوارها شامل یک ماده اضافی هستند که با ید واکنش می دهند تا تغییر رنگ متمایزتری ایجاد کنند.

    دو واکنش تست نشان داده شده در بالا ذاتاً بسیار کند هستند، اما میزان آنها توسط آنزیم های خاصی که در پد نوار تست تعبیه شده اند افزایش می یابد. این یک نمونه از تجزیه است، موضوعی که بعدا در این فصل مورد بحث قرار گرفت. یک نوار تست گلوکز معمولی برای استفاده با ادرار نیاز به حدود 30 ثانیه برای تکمیل واکنش های تشکیل رنگ دارد. خواندن نتیجه خیلی زود ممکن است منجر به این نتیجه شود که غلظت گلوکز نمونه ادرار کمتر از آن است که در واقع است (یک نتیجه منفی کاذب). انتظار بیش از حد طولانی برای ارزیابی تغییر رنگ می تواند منجر به مثبت کاذب به دلیل کندتر (نه کاتالیز) اکسیداسیون یون یدید توسط سایر مواد موجود در ادرار شود.

    یک عکس 8 نوار تست را نشان می دهد که روی دستمال کاغذی گذاشته شده است. هر نوار شامل 11 بخش کوچک از رنگ های مختلف، از جمله زرد، قهوهای مایل به زرد، سیاه، قرمز، نارنجی، آبی، سفید و سبز است.
    شکل\(\PageIndex{3}\): نوارهای تست معمولاً برای تشخیص وجود مواد خاص در ادرار فرد استفاده می شود. بسیاری از نوارهای تست دارای چندین پد حاوی معرف های مختلف هستند تا امکان تشخیص چندین ماده در یک نوار واحد را فراهم کنند. (اعتبار: اقبال عثمان)

    نرخ نسبی واکنش

    سرعت یک واکنش ممکن است به عنوان تغییر غلظت هر واکنش دهنده یا محصول بیان شود. برای هر واکنش داده شده، این عبارات سرعت همه با توجه به استوکیومتری واکنش به سادگی به یکدیگر مرتبط هستند. میزان واکنش کلی

    \[A \longrightarrow B\]

    می توان از نظر کاهش غلظت A یا افزایش غلظت B بیان کرد. این دو عبارت سرعت با استوکیومتری واکنش مرتبط هستند:

    \[\text { rate }=-\left(\frac{1}{ a }\right)\left(\frac{\Delta A }{\Delta t}\right)=\left(\frac{1}{ b }\right)\left(\frac{\Delta B }{\Delta t}\right) \nonumber \]

    واکنش نشان داده شده توسط معادله زیر را در نظر بگیرید:

    \[2 NH_3(g) \longrightarrow N_2(g) + 3 H_2(g) \nonumber \]

    رابطه بین سرعت واکنش بیان شده از نظر تولید نیتروژن و مصرف آمونیاک، به عنوان مثال، عبارت است از:

    \[-\frac{\Delta mol \;  NH_3}{\Delta t} \times \frac{1 mol  \;  N_2}{2 mol  \; NH_3}=\frac{\Delta mol \; N_2}{\Delta t} \nonumber \]

    این ممکن است در فرمت اختصاری با حذف واحدهای عامل استوکیومتری نشان داده شود:

    \[-\frac{1}{2} \frac{\Delta mol  \; NH_3}{\Delta t}=\frac{\Delta mol \;  N_2}{\Delta t} \nonumber \]

    توجه داشته باشید که یک علامت منفی به عنوان عاملی برای نشان دادن علائم مخالف تغییرات دو مقدار گنجانده شده است (مقدار واکنش دهنده در حال کاهش است در حالی که مقدار محصول در حال افزایش است). برای واکنش‌های همگن، هم واکنش‌دهنده‌ها و هم فراورده‌ها در یک محلول حضور دارند و در نتیجه حجم یکسانی را اشغال می‌کنند، بنابراین مقادیر مولی ممکن است با غلظت‌های مولی جایگزین شوند:

    \[-\frac{1}{2} \frac{\Delta\left[ NH_3\right]}{\Delta t}=\frac{\Delta\left[ N_2\right]}{\Delta t} \nonumber \]

    به‌طور مشابه نرخ تشکیل H ۲ سه برابر سرعت تشکیل N ۲ است زیرا به ازای هر مول از N ۲ تولید شده سه مول از H ۲ تولید می‌شود.

    \[\frac{1}{3} \frac{\Delta\left[ H_2\right]}{\Delta t}=\frac{\Delta\left[ N_2\right]}{\Delta t} \nonumber \]

    شکل\(\PageIndex{4}\): نشان می دهد تغییر غلظت در طول زمان برای تجزیه آمونیاک به نیتروژن و هیدروژن در 1100° C. دامنه خطوط مماس در t = 500 s نشان می دهد که نرخ لحظه ای حاصل از هر سه گونه درگیر در واکنش توسط عوامل استوکیومتری آنها مرتبط است. به عنوان مثال، میزان تولید هیدروژن سه برابر بیشتر از تولید نیتروژن مشاهده می شود:

    \[\frac{2.91 \times 10^{-6} M / s }{9.70 \times 10^{-7} M / s } \approx 3 \nonumber \]

    یک نمودار با برچسب «زمان (ها)» نشان داده می شود که در محور x و «غلظت (M)» در محور y ظاهر می شود. علامت گذاری محور x از 0 شروع می شود و در سال 2000 پایان می یابد. علامت گذاری ها در فواصل 500 برچسب گذاری می شوند. محور y از 0 شروع می شود و شامل علامت گذاری هر 1.0 بار 10 سورونوشت منفی 3، تا 4.0 برابر 10 سورونوشت منفی 3 است. کاهش، مقعر، منحنی غیر خطی نشان داده شده است، که در حدود 2.8 بار 10 سورونوشت منفی 3 در محور y شروع می شود و تقریبا به مقدار 0 در سمت راست نمودار در 2000 علامت گذاری در محور x می رسد. این منحنی برچسب گذاری شده است، «[N H زیرنویس 3].» دو منحنی اضافی که در حال افزایش و مقعر به سمت پایین هستند نشان داده شده است، هر دو از مبدا شروع می شوند. پایین این دو منحنی برچسب گذاری شده است، «[N زیرنویس 2].» این مقدار تقریباً به 1.25 برابر 10 منفی منفی 3 در 2000 ثانیه می رسد. منحنی نهایی برچسب گذاری شده است، «[زیرنویس H 2].» این مقدار در حدود 3.9 برابر 10 سورونوشت منفی 3 در 2000 ثانیه می رسد. یک قطعه خط مماس قرمز به هر یک از منحنی های نمودار در 500 ثانیه کشیده می شود. در 500 ثانیه در محور x، یک خط خطی عمودی نشان داده شده است. در کنار نمودار [N H زیرنویس 3] معادله «دلتا سرمایه منفی [N H زیرنویس 3] روی دلتا سرمایه t = شیب منفی = 1.94 برابر 10 رونوشت منفی 6 M/s ظاهر می شود.» در کنار نمودار [N زیرنویس 2] معادله «دلتا سرمایه منفی [N زیرنویس 2] روی دلتا سرمایه t = شیب منفی = 9.70 برابر 10 رونوشت منفی 7 M/s ظاهر می شود.» در کنار نمودار [H زیرنویس 2] معادله «دلتا سرمایه منفی [H زیرنویس 2] روی دلتا سرمایه t = شیب منفی = 2.91 برابر 10 رونوشت منفی 6 M/s ظاهر می شود.»
    شکل\(\PageIndex{4}\): تغییر غلظت واکنش دهنده و محصولات واکنش \(\ce{2NH3 -> N2 +3H2}\) دهنده. نرخ تغییر سه غلظت با استوکیومتری واکنش مرتبط است، همانطور که توسط دامنه های مختلف مماس در t = 500 ثانیه نشان داده شده است.
    مثال\(\PageIndex{1}\): عبارات نرخ واکنش نسبی

    اولین گام در تولید اسید نیتریک احتراق آمونیاک است:

    \[4 NH_3(g) + 5 O_2(g) \longrightarrow 4 NO (g) + 6 H_2 O (g)\]

    معادلات مربوط به میزان مصرف واکنش دهنده ها و میزان تشکیل محصولات را بنویسید.

    راه حل

    با توجه به استوکیومتری این واکنش همگن، نرخ مصرف واکنش دهنده ها و تشکیل محصولات عبارتند از:

    \[-\frac{1}{4} \frac{\Delta\left[ NH_3\right]}{\Delta t}=-\frac{1}{5} \frac{\Delta\left[ O_2\right]}{\Delta t}=\frac{1}{4} \frac{\Delta[ NO ]}{\Delta t}=\frac{1}{6} \frac{\Delta\left[ H_2 O \right]}{\Delta t} \nonumber \]

    ورزش \(\PageIndex{1}\)

    سرعت تشکیل Br 2 6.0 10 −6 mol/L/s در یک واکنش توصیف شده توسط معادله یونی خالص زیر است:

    \[5 Br^{-}+ BrO_3^{-}+6 H^{+} \longrightarrow 3 Br_2+3 H_2 O \nonumber \]

    معادلات مربوط به میزان مصرف واکنش دهنده ها و میزان تشکیل محصولات را بنویسید.

    پاسخ

    \[-\frac{1}{5} \frac{\Delta\left[ Br^{-}\right]}{\Delta t}=-\frac{\Delta\left[ BrO_3^{-}\right]}{\Delta t}=-\frac{1}{6} \frac{\Delta\left[ H^{+}\right]}{\Delta t}=\frac{1}{3} \frac{\Delta\left[ Br_2\right]}{\Delta t}=\frac{1}{3} \frac{\Delta\left[ H_2 O \right]}{\Delta t} \nonumber \]

    مثال\(\PageIndex{2}\): عبارات سرعت واکنش برای تجزیه H 2 O 2

    نمودار در شکل\(\PageIndex{2}\): میزان تجزیه H 2 O 2 را در طول زمان نشان می دهد:

    \[2 H_2 O_2 \longrightarrow 2 H_2 O + O_2 \nonumber \]

    بر اساس این داده ها، نرخ لحظه ای تجزیه H 2 O 2 در t = 11.1 ساعت تعیین می شود
    3.20 10 −2 mol/l/h، یعنی:

    \[-\frac{1}{2} \frac{\Delta\left[\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2\right]}{\Delta t}=\frac{1}{2} \frac{\Delta\left[\mathrm{H}_2 \mathrm{O}\right]}{\Delta t}=\frac{\Delta\left[\mathrm{O}_2\right]}{\Delta t}\]

    نرخ لحظه ای تولید \(\ce{H2O}\) و \(\ce{O2}\) چیست؟

    راه حل

    استوکیومتری واکنش نشان می‌دهد که

    \[ -\dfrac{1}{2} \dfrac{\Delta\left[\mathrm{H}_2 \mathrm{O}_2\right]}{\Delta t}=\dfrac{1}{2} \dfrac{\Delta\left[\mathrm{H}_2 \mathrm{O}\right]}{\Delta t}=\dfrac{\Delta\left[\mathrm{O}_2\right]}{\Delta t} \]

    بنابراین:

    \[\dfrac{1}{2} \times 3.20 \times 10^{-2} mol L^{-1} h^{-1}=\dfrac{\Delta\left[ O_2\right]}{\Delta t} \nonumber \]

    و

    \[\dfrac{\Delta\left[ O_2\right]}{\Delta t}=1.60 \times 10^{-2} mol L^{-1} h^{-1} \nonumber \]

     

    ورزش \(\PageIndex{2}\)

    اگر میزان تجزیه آمونیاک، NH 3، در 1150 K 2.10 -6 mol/L/s باشد، میزان تولید نیتروژن و هیدروژن چقدر است؟

    پاسخ

    ۱٫۰۵ ۱۰ −۶ مول/لیتر/ثانیه، N ۲ و ۳٫۱۵ ۱۰ −۶ مول/لیتر/ثانیه، H ۲.


    This page titled 2.2: نرخ واکنش شیمیایی is shared under a CC BY 4.0 license and was authored, remixed, and/or curated by OpenStax via source content that was edited to the style and standards of the LibreTexts platform.