在测定反应级数和速率常数时,常用的技术之一被称为过量法。考虑一个假设的反应:
2A (aq) + B(aq) → 3C (aq) …………(1)
速率方程可以写为
比率 = k[A] m [B] n
假设随着反应的进行,反应速率最容易通过测量在反应的不同时间形成的 C (g) 的体积来跟踪,并且如果我们仅用一定浓度的 A 和 B 进行 1 次实验,并遵循随着时间的推移,我们得到了一个典型的产物图,其中速率在开始时最高,而当反应结束时速率=0。
只有一张图,我们能找到A和B的阶数吗?
当然不是!
只有一张图,我们只能找到一种反应物的级数。
哪种反应物? A还是B?
这个问题没有简单的答案。除非 A 和 B 的浓度相差至少 20 倍,否则只有一张图,否则无法找到任何一个顺序。
然而,如果一张图表中一种反应物的浓度超过另一种反应物的 20 倍,则可以找到浓度低得多的一种。
此类问题的一个例子是 责任珠宝业委员会 2002 P3
根据以下方程式,两种物质 A 和 B 一起反应生成新化合物 A2B2:
2A(g) + 2B(g) → A2B2 (aq)。
为了确定上述方程的速率定律,进行了两个实验,其中 A (aq) 的初始浓度相同,但 B(aq) 的初始浓度不同。
在这两个实验中,每隔 5 分钟检测一次形成的 A2B2 (aq) 浓度。
两个实验的结果如下所示:
实验一:
0.120摩尔米-3 的 A(aq) 与 1.2 Moldm -3反应 B(aq) 的
时间/分钟 | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
[A2B2(aq)]/moldm -3 | 0.0000 | 0.0211 | 0.0348 | 0.0436 | 0.0494 | 0.0531 |
实验2:
0.120摩尔米-3 的 A(aq) 与 1.8 Moldm -3反应 B(aq) 的
时间/分钟 | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
[A2B2(aq)]/moldm -3 | 0.0000 | 0.0374 | 0.0515 | 0.0568 | 0.0588 | 0.0595 |
- 为什么B大量过量使用?
- 使用相同的轴绘制两个实验的 [A2B2(aq)] 与时间的关系图。
- 从绘制的图表来看,
- 确定 A(aq) 和 B(aq) 的反应级
- i 确定速率常数 k,并说明其单位。
讨论要点:
1. 注意A和B以1:1的比例反应,即
2A (aq) + B(aq) → [A2B2(aq)]
实验1中,A和B的比例为1:10,实验2中,A和B的比例为1:15。
显然,B 不仅超出了 A,而且超出了 A 的许多倍(大量超出)。
这样做有目的吗?
是的,这是一种当有 2 个或更多反应物时查找反应物的顺序的技术。其中之一是限制性的,其余的则是大量过量的。
当我们这样做时会发生什么?
请记住,我们进行动力学实验,我们的主要目标是找到
A。反应顺序
b.速率常数
由于速率常数取决于温度,因此我们必须在整个实验期间保持温度恒定。 即如果是吸热的,则将其放入带有外部加热源(如加热线圈)的水浴中。如果是放热的,我们需要在发生反应的容器周围流通冷却液体。
如果反应温度控制不当并允许波动,速率常数 (k) 的值也会波动,我们最终会找到平均速率常数,而不是速率常数。
这是 很重要 当我们计划进行动力学实验时!
由于随着反应的进行(通过维持反应温度),速率常数随时间保持恒定,因此其中一种反应物发生的情况是故意发生的 大量过剩?
它的浓度几乎随时间保持恒定!
因此,由于速率常数 k 和大量过量反应物的浓度(即 RJC 问题中的反应物 B)随时间保持恒定,因此它们可以用新常数 k'(称为表观常数)来表示速率常数),其中
k' = k[B] n
在上述责任珠宝业委员会问题中。
因此,A 和 B 之间的反应的原始(或理论速率方程)为
比率 = k[A] m [B] n ……….(1)
现在显然已成为
速率' = k' [A] m ;其中 k'= k[B] n ……….(2)
方程(2)是 表观速率方程, 也被称为 伪速率方程(因为伪意味着:“看似是,但不是”)
2. 由于本题进行了 2 个实验,我们将得到 2 个“浓度 vs 时间”图,由此我们可以找到 A 和 B 的阶数。
由于伪速率方程是以极限反应物(RJC 问题中的 A)为单位的,因此使用实验 1 或 2 求出反应的半衰期,我们就可以找到 A 的阶数。
我们如何找到产品曲线上的半衰期?如何利用半衰期来预测A的阶数?我们如何找到 B 的阶数?
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