Порядок реакции: как определить? Формула, примеры и калькулятор

Порядок реакции — это показатель, который говорит, как скорость реакции зависит от концентрации реагентов. Проще говоря, если вы увеличите концентрацию вещества в 2 раза, во сколько раз вырастет скорость? В 2? В 4? Или не вырастет вовсе? Порядок даёт ответ.

Различают частный порядок (по каждому реагенту) и общий порядок (сумма всех частных). Например, для реакции A + B → продукты с кинетическим уравнением v = k·[A]^2·[B]^1: порядок по A — второй, по B — первый, общий порядок — третий.

Порядок не совпадает со стехиометрическими коэффициентами (если только реакция не элементарная). Его определяют только из эксперимента. Зачем это нужно? Чтобы предсказать скорость реакции в разных условиях, рассчитать время полупревращения, оптимизировать промышленный процесс — словом, без порядка в кинетике никуда.

Где: v — скорость реакции (моль·л⁻¹·с⁻¹); k — константа скорости; [A], [B] — концентрации реагентов (моль/л); n — порядок по A; m — порядок по B; общий порядок = n + m.

Для простых случаев (один реагент) формула упрощается: v = k·[A]^p, где p — порядок. Для реакций, где несколько реагентов, используют метод изолирования Оствальда: берут один реагент в большом избытке, его концентрация почти не меняется, и порядок определяют по другому.

Как найти n на практике? Проводят два опыта с разными начальными концентрациями A (при постоянной концентрации B). Измеряют начальные скорости v1 и v2. Тогда:

Аналогично для m. Общий порядок — сумма. Если не хотите считать вручную, воспользуйтесь Калькулятором порядка реакции — он сделает всё за секунды.

Задача. Для реакции A → продукты получены данные:

Решение. Скорость не меняется при изменении концентрации — значит, порядок нулевой. Формула: v = k. Константа k = 1,0·10⁻³ моль·л⁻¹·с⁻¹. Время полупревращения: t1/2 = [A]₀/(2k).

Если бы скорость удваивалась при удвоении концентрации — это первый порядок. Если бы скорость росла в 4 раза — второй порядок. Наш случай: скорость постоянна — нулевой порядок.

Задача. Для реакции 2A + B → C получены данные:

Решение. Сравним опыты 1 и 2: [A] выросла в 2 раза, [B] постоянна, скорость выросла в 4 раза (с 2 до 8). Значит, порядок по A: n = ln(4)/ln(2) = 2. Сравним опыты 1 и 3: [B] выросла в 2 раза, [A] постоянна, скорость не изменилась (2,0). Значит, порядок по B: m = 0. Общий порядок = 2+0 = 2. Кинетическое уравнение: v = k·[A]^2.

Константу k находим из любого опыта: k = v/[A]^2 = 2,0·10⁻³ / (0,1)^2 = 0,2 л·моль⁻¹·с⁻¹.

Задача. Радиоактивный распад изотопа подчиняется кинетике первого порядка. Константа скорости k = 0,01 с⁻¹. Начальная концентрация [A]₀ = 1 моль/л. Найдите период полупревращения t1/2.

Решение. Для первого порядка: t1/2 = ln2 / k = 0,693 / 0,01 = 69,3 с. Примечательно, что t1/2 не зависит от начальной концентрации. Это характерно только для реакций первого порядка. Для нулевого порядка t1/2 = [A]₀/(2k), для второго — t1/2 = 1/(k·[A]₀).

Если нужно быстро посчитать t1/2 или другие параметры, используйте Калькулятор реакции первого порядка.

• Путают порядок со стехиометрическим коэффициентом. Коэффициенты в уравнении реакции — не порядок. Порядок определяется только экспериментально.
• Игнорируют метод избытка. Если концентрация второго реагента меняется, порядок по первому определять некорректно. Держите один реагент в большом избытке.
• Используют средние скорости вместо начальных. Скорость меняется со временем, для определения порядка нужны именно начальные скорости (при t→0).
• Забывают единицы. Константа скорости k имеет разные единицы в зависимости от порядка: для нулевого — моль·л⁻¹·с⁻¹, для первого — с⁻¹, для второго — л·моль⁻¹·с⁻¹.

Совет: всегда проверяйте размерность k. Если она не соответствует порядку, вы где-то ошиблись.

Ручные расчёты — отличная тренировка, но если нужно быстро и безошибочно определить порядок реакции, используйте Калькулятор порядка реакции. Просто введите данные опытов — и получите порядок по каждому реагенту и общий порядок.

Также пригодятся смежные инструменты:

• Калькулятор энтальпии реакции — для тепловых эффектов.
• Калькулятор стехиометрии реакции — для расчёта количеств веществ.
• Калькулятор процента выхода реакции — для практических синтезов.

Эти инструменты экономят время и минимизируют ошибки.

1. Задача. При увеличении концентрации реагента в 3 раза скорость реакции возросла в 27 раз. Каков порядок реакции по этому реагенту? Ответ: 3, так как 3³ = 27.
2. Задача. Время полупревращения реакции не зависит от начальной концентрации. Каков порядок? Ответ: первый.
3. Задача. Для реакции A → продукты получены данные: [A] = 0,5 → v = 0,02; [A] = 1,0 → v = 0,08. Найдите порядок. Ответ: второй (скорость пропорциональна квадрату концентрации).