Chemische kinetiek is een onderwerp wat vaak wordt besproken in de fysische chemie. Hiermee bestudeert men de snelheid van een bepaalde chemische reactie onder invloed van een aantal factoren zoals de concentraties van de reactanten, temperatuur, druk, ionsterkte en verdelingsgraad.
In dit artikel gaan we bekijken wat voor invloed de concentratie reactant heeft op de chemische kinetiek van een chemische reactie. Een simpele reactie vergelijking kan worden beschreven als volgt:
A+B -> C+D
In deze reactievergelijking zijn de reactanten A en B in de producten C en D gedefiniëerd als de afname van de concentratie van A en B of de toename van de concentratie van C en D per eenheid van tijd. De reactiesnelheid is dus altijd positief en voor iedere component in het reactiemengsel na normering gelijk. De relatie tussen de snelheid van een reactie en de concentratie van de reactanten wordt de snelheidswet genoemd. Een dergelijke wet moet voor iedere reactie afzonderlijk experimenteel bepaald worden. De snelheid van de reactie zou je in een vergelijking kunnen uitdrukken:
aA+bB -> producten
Waarbij a en b voor de hoeveelheid concentraties staan en A en B voor de soort chemische stof. De algemene snelheidsreactie wordt gegeven door de volgende vergelijking:
waarin k snelheidsconstante is. De orde van de reactie wordt gegeven door de som van de exponenten (m+n). Deze reactie is van de orde m in reactant A en van de orde n in reactant B. De eenheden waarin de snelheidsconstante wordt uitgedrukt hangen af van de orde van de reactie.
Nulde-orde kinetiek
Een beperkt aantal processen, zoals de afbraak van alcohol in het bloed, wordt beschreven door nulde orde kinetiek. De reactiesnelheid hangt in deze processen niet af van de concentratie van de reactant. Dit is de meest eenvoudige verband waaraan een proces of reactie kan voldoen, dit wordt beschreven door de differentiaalvergelijking:
waarin R de concentratie van de reactant R is. Integratie van deze vergelijking levert op:
waarin k0 de snelheidsconstante is en Rt en R0 de concentraties op respectievelijk tijdstipt en t = 0. Een grafiek van Rt (de concentratie op tijdstip t) tegen de tijd levert een rechte lijn op met als helling -k. De nulde orde snelheidsconstante wordt uitgedrukt in eenheden van concentratie per tijdseenheid.
De halfwaardetijd wordt gedefinieerd als het tijdstip waarop de helft van de reactant gereageerd heeft. Op de halfwaardetijd geldt dus:
Invullen in de nulde-orde vergelijking levert op:
De halfwaardetijd is dus een functie van de beginconcentratie.
Eerste-orde kinetiek
In eerste-orde kinetiek is de reactiesnelheid op tijdstip t evenredig met de concentratie van de reactant op tijdstip t. Veel processen kunnen met eerste-orde kinetiek worden beschreven, niet alleen een veelvoud aan chemische reacties maar ook radioactief verval, fluorescentie etc. Eerste-orde kinetiek voldoet aan de differentiaalvergelijking:
http://www.fileden.com/files/2007/9/26/1461512/eerste%20orde%20kinetiek.PNG
waarin R de concentratie van de reactant is en k de eerste-orde snelheidsconstante. Integratie van deze vergelijk levert op:
Het verband tussen de concentratie van R op tijdstip t (Rt) tegen de tijd is dus niet lineair maar exponentiëel. Bij de nulde-orde vergelijking kan je de snelheidsconstante k makkelijk bepalen omdat het verband lineair is. Om de snelheidsconstante k te bepalen voor de eerste-orde kinetiek, dien je eerst de exponentiële grafiek om te zetten in een lineaire grafiek. Een grafiek van ln Rt vs. t levert wel een rechte lijn op met als helling -k:
Voor de halfwaardetijd vinden we:
De halfwaardetijd van een eerste-orde proces is dus onafhankelijk van de beginconcentratie.
Bron: Moleculaire eigenschappen
