Hoe bepaal ik de orde van een chemische reactie?

Antwoord

Dag Brent,

De orde van een chemische reactie wordt gedefinieerd als de som van de exponenten die men bij de concentraties krijgt in een snelheidsvergelijking. Dat zegt je waarschijnlijk niet veel op die manier uitgelegd. Daarom een voorbeeld:

Laat ons uitgaan van de chemische reactie waarbij product A en B omgezet worden in C en D:
A + B → C + D
De eenvoudigste snelheidsvergelijking voor een dergelijke reactie is dan:
r = k[A][B]
Daarin is r de snelheid van de reactie, k de snelheidsconstante en [A] en [B] de concentratie van A en B, respectievelijk. De exponent bij [A] is 1, die bij [B] ook, dus hebben we hier te maken met een tweede orde reactie.

In een ander voorbeeld zou A kunnen uiteenvallen in twee producten B en C:
A → C + D
met
r = k[A]
Hier hebben we dus te maken met een eerste orde reactie, want de som van de exponenten is 1.

De orde van een chemische reactie bepalen kan echter alleen experimenteel. De aanwezigheid van bijvoorbeeld een katalysator kan de orde van de reactie immers veranderen.

Laat ons aan de hand van een voorbeeld even proberen uit te werken hoe dat experimentele bepalen van de orde in zijn werk gaat. We gaan het tweede voorbeeld gebruiken hiervoor: A → C + D met r = k[A]. Dat zal wat wiskunde en een klein integraaltje nodig hebben, maar laat je hierdoor niet afschrikken, integendeel: je zal zien hoe mooi de wiskunde hier helpt in het oplossen van een probleem in de chemie.

De snelheid van een reactie wordt gedefinieerd als de verandering van de concentratie van het substraat in de tijd. Anders geschreven, als een differentiaal:
r = -d[A] / dt = k[A]
Let op het minteken, dat aanduidt dat A verdwijnt! Dan is (met t het tijdstip):
∫^t₀ d[A] / dt = -k ∫^t₀ dt
En na wat uitwerken krijg je dan (met [A]_t de concentratie op moment t):
ln[A]_t - ln[A]0 = -kt

Mooi is dat. Stel nu dat we de concentratie van A kunnen bepalen gedurende de reactie, en we zetten ln[A] uit in functie van de tijd, dan krijgen we een rechte. In dat geval zijn we zeker dat we te maken hebben met een eerste-orde reactie.

Hebben we ons echter vergist en is de reactie een tweede-orde reactie, dan zullen we geen rechte krijgen, maar een exponentiële functie. In een tweede-orde reactie krijgen we slechts een rechte als we 1/[A] uitzetten in functie van de tijd. Je kan makkelijk met een gelijkaardige differentiaalvergelijking nagaan dat dit wel degelijk het geval is.

Conclusie: je kan de orde van een reactie weten als je de reactievergelijking kent. Om deze op te stellen moet je je wiskundig inzicht en experimentele chemische vaardigheden combineren.

Groeten,
Benjamien