Reaction kinetics · ⁨Кинетика химических реакций⁩ (A Level · ⁨Уровень A⁩) — A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ (9701) Revision Notes · ⁨Конспекты Reaction kinetics · ⁨Кинетика химических реакций⁩ (A Level · ⁨Уровень A⁩) — A-Level Chemistry

26.1

Rate equations and orders · ⁨Уравнения скоростей и порядок реакции⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

explain and use the terms rate equation, order of reaction, overall order of reaction, rate constant, half-life, rate-determining step and intermediate
(a) understand and use rate equations of the form $\text{rate} = k [\text{A}]^m[\text{B}]^n$ (for which $m$ and $n$ are 0, 1 or 2) (b) deduce the order of a reaction from concentration–time graphs or from experimental data relating to the initial rates method and half-life method (c) interpret experimental data in graphical form, including concentration–time and rate–concentration graphs (d) calculate an initial rate using concentration data (e) construct a rate equation
(a) show understanding that the half-life of a first-order reaction is independent of concentration (b) use the half-life of a first-order reaction in calculations
calculate the numerical value of a rate constant, for example by: (a) using the initial rates and the rate equation (b) using the half-life, $t_{\frac{1}{2}}$, and the equation $k = 0.693/t_{\frac{1}{2}}$
for a multi-step reaction: (a) suggest a reaction mechanism that is consistent with the rate equation and the equation for the overall reaction (b) predict the order that would result from a given reaction mechanism and rate-determining step (c) deduce a rate equation using a given reaction mechanism and rate-determining step for a given reaction (d) identify an intermediate or catalyst from a given reaction mechanism (e) identify the rate determining step from a rate equation and a given reaction mechanism
describe qualitatively the effect of temperature change on the rate constant and hence the rate of a reaction

Русский

объяснять и использовать термины кинетическое уравнение, порядок реакции, суммарный порядок реакции, константа скорости, период полураспада, лимитирующая стадия и промежуточное соединение
(a) понимать и использовать кинетические уравнения вида $\text{rate} = k [\text{A}]^m[\text{B}]^n$ (для которых $m$ и $n$ равны 0, 1 или 2) (b) выводить порядок реакции из графиков «концентрация–время» или из экспериментальных данных, полученных методами начальных скоростей и полураспада (c) интерпретировать экспериментальные данные в графической форме, включая графики «концентрация–время» и «скорость–концентрация» (d) вычислять начальную скорость, используя данные о концентрации (e) составлять кинетическое уравнение
(a) показать понимание того, что период полураспада реакции первого порядка не зависит от концентрации (b) использовать период полураспада реакции первого порядка в расчётах
вычислить числовое значение константы скорости, например, с помощью: (a) начальных скоростей и уравнения скорости; (b) времени полуразложения $t_{\frac{1}{2}}$ и уравнения $k = 0.693/t_{\frac{1}{2}}$
для многоступенчатой реакции: (a) предложить механизм реакции, согласующийся с уравнением скорости и уравнением суммарной реакции; (b) предсказать порядок реакции, который следует из данного механизма и лимитирующей стадии; (c) вывести уравнение скорости, используя данный механизм реакции и лимитирующую стадию для конкретной реакции; (d) определить промежуточное соединение или катализатор по данному механизму реакции; (e) выявить лимитирующую стадию на основе уравнения скорости и данного механизма реакции
описать качественное влияние изменения температуры на константу скорости и, следовательно, на скорость реакции

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

A rate equation 速率方程 shows how the rate depends on the concentrations of the reactants:

$$\text{rate} = k\,[\text{A}]^m[\text{B}]^n$$

$m$ is the order of reaction 反应级数 with respect to A, and $n$ the order with respect to B. Each is $0$, $1$ or $2$.
the overall order of reaction 总反应级数 is $m + n$.
$k$ is the rate constant 速率常数. The rate equation can only be found by experiment, not from the balanced equation.

Finding the order

initial rates method: change one concentration at a time and see how the starting rate changes. If doubling $[\text{A}]$ doubles the rate, the order in A is 1; if it quadruples the rate, the order is 2; if the rate is unchanged, the order is 0.

Worked example. In experiments on $\text{A} + \text{B} \rightarrow$ products, doubling $[\text{A}]$ (with $[\text{B}]$ fixed) doubles the rate, and doubling $[\text{B}]$ (with $[\text{A}]$ fixed) quadruples the rate. Write the rate equation and give the overall order.

Doubling $[\text{A}]$ doubles the rate, so first order in A. Doubling $[\text{B}]$ quadruples ($2^2$) the rate, so second order in B. Hence

$$\text{rate} = k[\text{A}][\text{B}]^2, \qquad \text{overall order} = 1 + 2 = 3.$$

graphs: a concentration–time graph for a first-order reaction has a constant half-life 半衰期 (the time for the concentration to halve). A rate–concentration graph is a straight line through the origin for first order, and a curve for second order.

Half-life and the rate constant

For a first-order reaction the half-life is constant — it does not depend on the concentration. You can find the rate constant from it:

$$k = \frac{0.693}{t_{\frac{1}{2}}}$$

Worked example. A first-order reaction has a half-life of $120\ \text{s}$. Find its rate constant.

$$k = \frac{0.693}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{120} = 5.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}.$$

You can also find $k$ by putting initial-rate data into the rate equation.

Русский

Уравнение скорости показывает, как скорость зависит от концентраций реагентов:

$$\text{rate} = k\,[\text{A}]^m[\text{B}]^n$$

$m$ — порядок реакции по веществу A, а $n$ — порядок по B. Каждый из них равен $0$, $1$ или $2$.
общий порядок реакции равен $m + n$.
$k$ — это постоянная скорости. Уравнение скорости можно найти только экспериментально, а не из сбалансированного уравнения.

Стеклянный газовый шприц — Газовый шприц измеряет объем образующегося газа со временем, что позволяет определить скорость реакции

Определение порядка реакции

метод начальных скоростей: изменяйте одну концентрацию за раз и смотрите, как меняется начальная скорость. Если удвоение $[\text{A}]$ удваивает скорость, порядок по A равен 1; если скорость увеличивается в четыре раза, порядок равен 2; если скорость не изменяется, порядок равен 0.

Разобранное решение. В опытах на продукты $\text{A} + \text{B} \rightarrow$ удвоение $[\text{A}]$ (при фиксированном $[\text{B}]$) удваивает скорость, а удвоение $[\text{B}]$ (при фиксированном $[\text{A}]$) увеличивает скорость в четыре раза. Запишите уравнение скорости и укажите суммарный порядок.

Удвоение $[\text{A}]$ удваивает скорость, значит первый порядок по A. Удвоение $[\text{B}]$ увеличивает скорость в четыре раза ($2^2$), значит второй порядок по B. Следовательно,

$$\text{rate} = k[\text{A}][\text{B}]^2, \qquad \text{overall order} = 1 + 2 = 3.$$

графики: график зависимости концентрации от времени для реакции первого порядка имеет постоянную половину распада (время, за которое концентрация уменьшается вдвое). График зависимости скорости от концентрации представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, для первого порядка, и кривую для второго порядка.

Три линии зависимости скорости от концентрации: горизонтальная линия для нулевого порядка, прямая линия через начало координат для первого порядка и восходящая кривая для второго порядка — Зависимость скорости от концентрации: нулевой порядок — горизонтальная линия, первый порядок — прямая линия через начало координат, второй порядок — восходящая кривая

Половина распада и постоянная скорости

Для реакции первого порядка половина распада является постоянной — она не зависит от концентрации. Вы можете найти постоянную скорости из нее:

$$k = \frac{0.693}{t_{\frac{1}{2}}}$$

Кривая затухания концентрации от времени с тремя равными интервалами половины распада, отмеченными на графике; концентрация уменьшается вдвое каждый раз — Реакция первого порядка имеет постоянную половину распада: концентрация уменьшается вдвое за одно и то же время $t_{1/2}$ снова и снова, независимо от начального значения

Разобранное решение. Реакция первого порядка имеет половину распада $120\ \text{s}$. Найдите ее постоянную скорости.

$$k = \frac{0.693}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{120} = 5.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}.$$

Вы также можете найти $k$, подставив данные о начальной скорости в уравнение скорости.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Rate equations & orders · ⁨Уравнения скорости и порядки⁩

[A] = [A]₀·bᵗ

A first-order reaction decays exponentially — equal half-lives. · ⁨Первого порядка реакция распадается экспоненциально — постоянные полупериоды.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
rate equation/reɪt ɪˈkweɪʒn/	уравнение скорости реакции
order of reaction/ˈɔːdə ɒv rɪˈækʃn/	порядок реакции
overall order of reaction/ˌəʊvəˈrɔːl ˈɔːdə ɒv rɪˈækʃn/	общий порядок реакции
rate constant/reɪt ˈkɒnstənt/	константа скорости
half-life/hɑːf laɪf/	период полураспада

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

26.1

Reaction mechanisms · ⁨Механизмы реакций⁩

English

Most reactions happen in several steps. The slowest step is the rate-determining step 决速步骤, and it controls the overall rate. Only the species involved up to and including this step appear in the rate equation.

an intermediate 中间体 is a species made in one step and then used up in a later step. It is not in the overall equation.
you can suggest a mechanism that fits both the rate equation and the overall equation, predict the order from a given mechanism, or pick out the rate-determining step.

If you compare the initial rate 初始速率 of different mixtures, you can deduce the rate equation, and from that work out the mechanism.

Effect of temperature

Raising the temperature increases the rate constant $k$ (more molecules pass the activation energy), so the rate goes up.

Русский

Большинство реакций протекают в несколько стадий. Самая медленная стадия — это определяющая скорость стадия, и именно она контролирует общую скорость. В уравнение скорости входят только виды, участвующие до этой стадии и включая её.

Энергетический профиль реакции с двумя пиками: высокий первый барьер, отмеченный как медленная определяющая скорость стадия, яма для промежуточного продукта, затем меньший второй барьер — Двухстадийный профиль: более медленная стадия имеет больший барьер и является определяющей скорость стадией; провал между двумя барьерами — это промежуточный продукт

промежуточный продукт — это вид, который образуется на одной стадии, а затем расходуется на последующей. Его нет в общем уравнении реакции.
вы можете предложить механизм, соответствующий как уравнению скорости, так и общему уравнению, предсказать порядок по данному механизму или выделить определяющую скорость стадию.

Если сравнить начальные скорости различных смесей, можно вывести уравнение скорости, а из него — механизм реакции.

Влияние температуры

Повышение температуры увеличивает постоянную скорости $k$ (больше молекул преодолевает энергию активации), поэтому скорость возрастает.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Organic mechanism route · ⁨Маршрут органического механизма⁩

Trace electron-pair movement from reagent to product. · ⁨Отследите движение электронной пары от реагента к продукту.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
rate-determining step/reɪt dɪˈtɜːmɪnɪŋ step/	определяющего скорость этапа
intermediate/ˌɪntəˈmiːdɪət/	промежуточное соединение
initial rate/ɪˈnɪʃl reɪt/	начальная скорость

26.2

Catalysts · ⁨Катализаторы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

explain that catalysts can be homogeneous or heterogeneous
describe the mode of action of a heterogeneous catalyst to include adsorption of reactants, bond weakening and desorption of products, for example: (a) iron in the Haber process (b) palladium, platinum and rhodium in the catalytic removal of oxides of nitrogen from the exhaust gases of car engines
describe the mode of action of a homogeneous catalyst by being used in one step and reformed in a later step, for example: (a) atmospheric oxides of nitrogen in the oxidation of atmospheric sulfur dioxide (b) $\text{Fe}^{2+}$ or $\text{Fe}^{3+}$ in the $\text{I}^- / \text{S}_2\text{O}_8^{2-}$ reaction

Русский

объяснить, что катализаторы могут быть гомогенными или гетерогенными
описать механизм действия гетерогенного катализатора, включая адсорбцию реагентов, ослабление связей и десорбцию продуктов, например: (a) железо в процессе Габера–Боша; (b) палладий, платина и родий при каталитическом удалении оксидов азота из выхлопных газов автомобильных двигателей
опишите механизм действия гомогенного катализатора, который участвует в одной стадии и регенерируется на более поздней стадии, например: (a) атмосферные оксиды азота при окислении атмосферного диоксида серы (b) $\text{Fe}^{2+}$ или $\text{Fe}^{3+}$ в реакции $\text{I}^- / \text{S}_2\text{O}_8^{2-}$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Catalysts 催化剂 can be homogeneous or heterogeneous.

Heterogeneous catalysts

A heterogeneous catalyst 多相催化剂 is in a different physical state from the reactants (usually a solid with gases). It works in three stages:

adsorption 吸附: reactant molecules stick to the catalyst surface.
the bonds in the reactants are weakened, so they react more easily.
desorption 脱附: the product molecules leave the surface.

Examples are iron in the Haber process, and platinum, palladium and rhodium in a catalytic converter.

Homogeneous catalysts

A homogeneous catalyst 均相催化剂 is in the same physical state as the reactants. It is used up in one step and then reformed in a later step, so it comes back unchanged. Examples are oxides of nitrogen helping to oxidise atmospheric sulfur dioxide, and $\text{Fe}^{2+}$ or $\text{Fe}^{3+}$ speeding up the reaction between $\text{I}^-$ and $\text{S}_2\text{O}_8^{2-}$.

Русский

Катализаторы могут быть гомогенными или гетерогенными.

Гетерогенные катализаторы

Гетерогенный катализатор находится в другом физическом состоянии, чем реагенты (обычно твердое вещество с газами). Он работает в три этапа:

адсорбция: молекулы реагентов прикрепляются к поверхности катализатора.
связи в реагентах ослабевают, поэтому они реагируют легче.
десорбция: молекулы продуктов покидают поверхность.

Три этапа на поверхности катализатора: два атома реагентов адсорбируются на ней, реагируют с ослабленными связями, затем продукт десорбируется — Гетерогенный катализатор работает в три этапа: реагенты адсорбируются на поверхности, их ослабленные связи позволяют им реагировать, затем продукт десорбируется

Лоток, заполненный множеством мелких керамических кусочков катализатора различной формы: сплошные цилиндры, кольца, рифленые стержни и диски с отверстиями — Настоящие гетерогенные катализаторы изготавливаются в виде маленьких формованных гранул, колец и перфорированных дисков, что обеспечивает большую площадь поверхности для прикрепления реагентов

Примерами являются железо в процессе Габера, а также платина, палладий и родий в каталитическом нейтрализаторе.

Гомогенные катализаторы

Гомогенный катализатор находится в том же физическом состоянии, что и реагенты. Он расходуется на одной стадии, а затем восстанавливается на последующей, поэтому возвращается неизменным. Примеры: оксиды азота, способствующие окислению атмосферного диоксида серы, а также $\text{Fe}^{2+}$ или $\text{Fe}^{3+}$, ускоряющие реакцию между $\text{I}^-$ и $\text{S}_2\text{O}_8^{2-}$.

Explore · ⁨Исследовать⁩

How a catalyst speeds a reaction · ⁨Как катализатор ускоряет реакцию⁩

Turn the catalyst on and watch the rate jump — it gives more successful collisions per second by offering a lower-energy path. · ⁨Включите катализатор и наблюдайте скачок скорости — он обеспечивает больше успешных столкновений в секунду, предлагая путь с меньшей энергией.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
catalyst/ˈkætəlɪst/	катализатором
heterogeneous catalyst/ˌhetrəˈdʒiːnɪəs ˈkætəlɪst/	гетерогенный катализатор
adsorption/ədˈsɔːpʃn/	адсорбция
desorption/dɪˈsɔːpʃn/	десорбция
homogeneous catalyst/həˈməʊdʒnɪəs ˈkætəlɪst/	гомогенный катализатор

Watch lesson · ⁨Смотреть урок⁩

26.2

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Find orders from initial-rate data: doubling a concentration that doubles the rate is first order, quadruples it is second order, no change is zero order.
Write $\text{rate} = k[\text{A}]^m[\text{B}]^n$ and work out the units of $k$ from it.
The rate-determining step contains the species (and orders) in the rate equation — use this to test a mechanism.
A constant half-life means first order.

Русский

Определите порядки по данным о начальных скоростях: удвоение концентрации, при котором скорость удваивается, соответствует первому порядку, увеличение в четыре раза — второму порядку, отсутствие изменений — нулевому порядку.
Запишите $\text{rate} = k[\text{A}]^m[\text{B}]^n$ и определите единицы измерения $k$ из него.
Определяющая скорость стадия содержит виды (и порядки), входящие в уравнение скорости — используйте это для проверки механизма.
Постоянная половина распада указывает на первый порядок.

Reaction kinetics · ⁨Кинетика химических реакций⁩

Rate equations and orders · ⁨Уравнения скоростей и порядок реакции⁩

Finding the order

Half-life and the rate constant

Определение порядка реакции

Половина распада и постоянная скорости

Rate equations & orders · ⁨Уравнения скорости и порядки⁩

Reaction mechanisms · ⁨Механизмы реакций⁩

Effect of temperature

Влияние температуры

Organic mechanism route · ⁨Маршрут органического механизма⁩

Catalysts · ⁨Катализаторы⁩

Heterogeneous catalysts

Homogeneous catalysts

Гетерогенные катализаторы

Гомогенные катализаторы

How a catalyst speeds a reaction · ⁨Как катализатор ускоряет реакцию⁩

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ · ⁨Больше тем в A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩⁩

Log in or create account · ⁨Войти или создать аккаунт⁩

Your subject · ⁨Ваш предмет⁩

All sections · ⁨Все разделы⁩

Feedback & help · ⁨Обратная связь и помощь⁩