1.6   Wpływ stężenia reagentów (substratów) na szybkość reakcji chemicznej 

Szybkość reakcji jest proporcjonalna do iloczynu stężeń substancji reagujących (substratów) co ilustruje równanie kinetyczne  (równanie 3.4a) W równaniu tym stężenia substratów podniesione są do potęgi odpowiadającej wartościom współczynników stechiometrycznych.

Sumę współczynników stechiometrycznych substancji reagujących (substratów) nazywamy rzędem reakcji. Rząd reakcji określa jej cząstęczkowość – ilość cząsteczek reagentów uczestniczących w reakcji.

Reakcje pierwszego rzędu

Dla reakcji jednocząsteczkowej mamy:

(6.01)                         

(6.02)                         

Suma współczynników stechiometrycznych  w  wynosi:        , (jest podniesione do pierwszej potęgi).

Przykład reakcji pierwszego rzędu: 

Rozpad tlenku azotu (V):

            (6.03)                         

            (6.04)              

Zmianę stężenia w czasie dla reakcji (6.03) można opisać zależnościami: 

Jeśli oznaczymy:

możemy równanie (6.04) zapisać w formie:

            (6.05)             

Całkowanie równania (6.05) dla warunków brzegowych:                                  

daje wyrażenie:

            (6.06)                  

Z zależności (6.06) można wyznaczyć stałą szybkości reakcji (rys.6.1).

Rys.6.1a	Rys.6.1b

Rozpad promieniotwórczy jako reakcja pierwszego rzędu

            Rozpad izotopu można opisać reakcją:

(6.07)                         

            oraz równaniem kinetycznym:

(6.08)             

gdzie:

N - liczba atomów ,

- stała rozpadu

Dla warunków brzegowych:

mamy:

            (6.09)             

            (6.10)             

Wielkość nosi nazwę czasu połowicznego rozpadu i odpowiada czasowi t po którym ilość atomów N₀ zmniejszy się o połowę:

Reakcje drugiego rzędu

Dla reakcji dwucząsteczkowej:

(6.11)             

równanie kinetyczne możemy zapisać w postaci:

            (6.12)             

Rząd reakcji będzie wynosił:

Przykład reakcji drugorzędowej

Reakcja dimeryzacji jest przykładem reakcji drugiego rzędu:

            (6.13)             

            (6.14)             

Jeśli przyjmiemy że:

to równanie kinetyczne (6.14) możemy zapisać w postaci:

            (6.15)             

Dla warunków brzegowych:

mamy po scałkowaniu:

(6.16)             

gdzie x₀ jest stężeniem początkowym w chwili t = 0.

Wykres zależności stężenia od czasu dla reakcji drugiego rzędu przedstawiono rys.6.2a (dla funkcji ) oraz 6.2b (dla funkcji ).

Z ostatniej zależności (6.16) można wyznaczyć graficznie stałą szybkości reakcji k.                

Rys.6.2a

Rys.6.2b