Kinetics · ⁨Кинетика⁩

AP Chemistry · ⁨AP Химия⁩ · Topic 5 · ⁨Тема 5⁩

View Slides · ⁨Просмотр слайдов⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩

5.1

How Fast a Reaction Goes · ⁨Скорость протекания реакции⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.1.A: Explain the relationship between the rate of a chemical reaction and experimental parameters.

5.1.A.1 The kinetics of a chemical reaction is defined as the rate at which an amount of reactants is converted to products per unit of time.
5.1.A.2 The rates of change of reactant and product concentrations are determined by the stoichiometry in the balanced chemical equation.
5.1.A.3 The rate of a reaction is influenced by reactant concentrations, temperature, surface area, catalysts, and other environmental factors.

Русский

Цель обучения 5.1.A: Объяснять связь между скоростью химической реакции и экспериментальными параметрами.

5.1.A.1 Кинетика химической реакции определяется как скорость превращения количества реагентов в продукты за единицу времени.
5.1.A.2 Скорости изменения концентраций реагентов и продуктов определяются стехиометрией в сбалансированном химическом уравнении.
5.1.A.3 На скорость реакции влияют концентрации реагентов, температура, площадь поверхности, катализаторы и другие факторы окружающей среды.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

The Maxwell–Boltzmann distribution

Kinetics 动力学 studies reaction rate 反应速率 – how fast reactants become products. Rate is the change in concentration per unit time, and it typically decreases as reactants are used up. Rate rises with higher concentration, higher temperature, greater surface area, and a catalyst.

Русский

Каталитический нейтрализатор: катализаторы ускоряют реакцию за счет снижения энергии активации, не расходуясь при этом

Распределение Максвелла–Больцмана

Кинетика изучает скорость реакции — как быстро реагенты превращаются в продукты. Скорость определяется изменением концентрации за единицу времени и обычно уменьшается по мере расхода реагентов. Скорость возрастает при увеличении концентрации, повышении температуры, увеличении площади поверхности и наличии катализатора.

Больше частиц в том же объёме → чаще столкновения → рост скорости

Газовый шприц: измерение объема газа во времени позволяет определить скорость реакции по наклону графика

Explore · ⁨Исследовать⁩

Change conditions and watch the rate · ⁨Изменяйте условия и наблюдайте скорость реакции⁩

Reaction rate rises with temperature, concentration, and a catalyst — each gives more frequent or more successful collisions. Change each and watch the reaction speed up. · ⁨Скорость реакции возрастает с повышением температуры, концентрации и при наличии катализатора — каждое условие увеличивает частоту или эффективность столкновений. Изменяйте параметры и наблюдайте ускорение реакции.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
Kinetics/kɪˈnetɪks/	Кинетика
reaction rate/rɪˈækʃn reɪt/	скорость реакции
rate law/reɪt lɔː/	закон скорости реакции
rate constant/reɪt ˈkɒnstənt/	константа скорости
orders/ˈɔːdəz/	порядки
catalyst/ˈkætəlɪst/	катализатором

5.2

Writing the Rate Law · ⁨Составление кинетического уравнения⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.2.A: Represent experimental data with a consistent rate law expression.

5.2.A.1 Experimental methods can be used to monitor the amounts of reactants and/or products of a reaction over time and to determine the rate of the reaction.
5.2.A.2 The rate law expresses the rate of a reaction as proportional to the concentration of each reactant raised to a power.
5.2.A.3 The power of each reactant in the rate law is the order of the reaction with respect to that reactant. The sum of the powers of the reactant concentrations in the rate law is the overall order of the reaction.
5.2.A.4 The proportionality constant in the rate law is called the rate constant. The value of this constant is temperature dependent and the units reflect the overall reaction order.
5.2.A.5 Comparing initial rates of a reaction is a method to determine the order with respect to each reactant.

Русский

Цель обучения 5.2.A: Представлять экспериментальные данные с помощью согласованного выражения закона скорости.

5.2.A.1 Экспериментальные методы могут использоваться для мониторинга количества реагентов и/или продуктов реакции во времени, а также для определения скорости реакции.
5.2.A.2 Закон скорости выражает скорость реакции как величину, пропорциональную концентрации каждого реагента, возведенной в определенную степень.
5.2.A.3 Степень каждого реагента в законе скорости называется порядком реакции по данному реагенту. Сумма степеней концентраций реагентов в законе скорости является общим порядком реакции.
5.2.A.4 Константа пропорциональности в законе скорости называется константой скорости. Значение этой константы зависит от температуры, а единицы измерения отражают общий порядок реакции.
5.2.A.5 Сравнение начальных скоростей реакции является методом определения порядка по каждому реагенту.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

The rate law 速率方程 relates rate to reactant concentrations:

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

where $k$ is the rate constant 速率常数 and $m,n$ are the orders 级数. Orders are found experimentally (not from the balanced coefficients) by seeing how the rate changes when you change one concentration at a time.

Worked example. In experiments, doubling $[\text{A}]$ makes the rate four times larger, while doubling $[\text{B}]$ leaves the rate unchanged. So the reaction is second order in A ($2^2=4$) and zero order in B, giving $\text{rate}=k[\text{A}]^2$. The overall order is $2+0=2$. Never read the orders off the balanced coefficients – only experiment gives them.

Русский

Кинетическое уравнение связывает скорость с концентрациями реагентов:

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

где $k$ — константа скорости, а $m,n$ — порядки. Порядок определяется экспериментально (а не из коэффициентов уравнения) путем анализа изменения скорости при изменении одной концентрации в отдельности.

Зависимость скорости от концентрации для реакций нулевого, первого и второго порядков — Зависимость скорости от концентрации для реакций нулевого, первого и второго порядка

Разобранный пример. В экспериментах удвоение $[\text{A}]$ увеличивает скорость в четыре раза, тогда как удвоение $[\text{B}]$ не меняет скорость. Следовательно, реакция имеет второй порядок по A ($2^2=4$) и нулевой порядок по B, что дает $\text{rate}=k[\text{A}]^2$. Общий порядок составляет $2+0=2$. Никогда не определяйте порядки по коэффициентам уравненного уравнения — это можно сделать только экспериментально.

5.3

Concentration Over Time · ⁨Концентрация со временем⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.3.A: Identify the rate law expression of a chemical reaction using data that show how the concentrations of reaction species change over time.

5.3.A.1 The order of a reaction can be inferred from a graph of concentration of reactant versus time.
5.3.A.2 If a reaction is first order with respect to a reactant being monitored, a plot of the natural log (ln) of the reactant concentration as a function of time will be linear.
5.3.A.3 If a reaction is second order with respect to a reactant being monitored, a plot of the reciprocal of the concentration of that reactant versus time will be linear.
5.3.A.4 The slopes of the concentration versus time data for zeroth, first, and second order reactions can be used to determine the rate constant for the reaction.
- Zeroth order:
- Equation: $[\mathrm{A}]_t - [\mathrm{A}]_0 = -kt$
- First order:
- Equation: $\ln[\mathrm{A}]_t - \ln[\mathrm{A}]_0 = -kt$
- Second order:
- Equation: $1/[\mathrm{A}]_t - 1/[\mathrm{A}]_0 = kt$
5.3.A.5 Half-life is a critical parameter for first order reactions because the half-life is constant and related to the rate constant for the reaction by the equation:
- Equation: $t_{1/2} = 0.693/k.$
5.3.A.6 Radioactive decay processes provide an important illustration of first order kinetics.

Русский

Цель обучения 5.3.A: Определить выражение закона скорости химической реакции, используя данные, показывающие, как изменяются концентрации видов реакции со временем.

5.3.A.1 Порядок реакции можно определить по графику зависимости концентрации реагента от времени.
5.3.A.2 Если реакция первого порядка по наблюдаемому реагенту, то график натурального логарифма (ln) концентрации этого реагента в зависимости от времени будет линейным.
5.3.A.3 Если реакция второго порядка по наблюдаемому реагенту, то график обратной величины концентрации этого реагента в зависимости от времени будет линейным.
5.3.A.4 Угловые коэффициенты данных зависимости концентрации от времени для реакций нулевого, первого и второго порядка могут быть использованы для определения константы скорости реакции.
- Нулевой порядок:
- Уравнение: $[\mathrm{A}]_t - [\mathrm{A}]_0 = -kt$
- Первый порядок:
- Уравнение: $\ln[\mathrm{A}]_t - \ln[\mathrm{A}]_0 = -kt$
- Второй порядок:
- Уравнение: $1/[\mathrm{A}]_t - 1/[\mathrm{A}]_0 = kt$
5.3.A.5 Период полураспада является критическим параметром для реакций первого порядка, поскольку он постоянен и связан с константой скорости реакции уравнением:
- Уравнение: $t_{1/2} = 0.693/k.$
5.3.A.6 Процессы радиоактивного распада служат важным примером кинетики первого порядка.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

The integrated rate laws describe how concentration falls with time and give straight-line tests:

Zero order: $[\text{A}]$ vs $t$ is linear.
First order: $\ln[\text{A}]$ vs $t$ is linear; constant half-life 半衰期.
Second order: $\dfrac{1}{[\text{A}]}$ vs $t$ is linear.

Whichever plot is straight tells you the order and gives $k$ from its slope.

Worked example. A first-order reaction has rate constant $k=0.030\ \text{s}^{-1}$. Its half-life is

$$t_{1/2}=\frac{0.693}{k}=\frac{0.693}{0.030}=23\ \text{s},$$

and, being first order, that half-life stays the same no matter how much reactant remains – so after $46\ \text{s}$ ($2$ half-lives) one quarter is left.

Русский

Интегральные кинетические уравнения описывают убывание концентрации со временем и дают линейные зависимости для проверки:

Реакция первого порядка имеет постоянное время полураспада

Нулевой порядок: зависимость $[\text{A}]$ от $t$ является линейной.
Первый порядок: зависимость $\ln[\text{A}]$ от $t$ является линейной; постоянная период полураспада.
Второй порядок: зависимость $\dfrac{1}{[\text{A}]}$ от $t$ является линейной.

Тот график, который получается прямым, указывает на порядок реакции и позволяет найти $k$ по его наклону.

Разобранный пример. Реакция первого порядка имеет константу скорости $k=0.030\ \text{s}^{-1}$. Ее период полураспада равен

$$t_{1/2}=\frac{0.693}{k}=\frac{0.693}{0.030}=23\ \text{s},$$

и, поскольку реакция первого порядка, этот период полураспада остается неизменным независимо от количества оставшегося реагента — поэтому после $46\ \text{s}$ ($2$ периодов полураспада) останется одна четверть.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Track concentration as a reaction runs · ⁨Отслеживайте изменение концентрации в ходе реакции⁩

As reactants are used up the rate slows, so a concentration-time curve is steep at first and flattens out. Raising temperature or adding a catalyst steepens it. · ⁨По мере расходования реагентов скорость замедляется, поэтому график зависимости концентрации от времени круто спадает в начале и выполаживается. Повышение температуры или добавление катализатора делают кривую более крутой.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
half-life/hɑːf laɪf/	период полураспада
reaction mechanism/rɪˈækʃn ˈmekənɪzəm/	механизм реакции
elementary steps/ˌelɪˈmentəri steps/	элементарные стадии
intermediates/ˌɪntəˈmiːdɪəts/	промежуточные вещества

5.4

The Steps a Reaction Really Takes · ⁨Этапы, через которые проходит реакция⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.4.A: Represent an elementary reaction as a rate law expression using stoichiometry.

5.4.A.1 The rate law of an elementary reaction can be inferred from the stoichiometry of the particles participating in a collision.
5.4.A.2 Elementary reactions involving the simultaneous collision of three or more particles are rare.

Русский

Цель обучения 5.4.A: Представить элементарную реакцию в виде выражения закона скорости, используя стехиометрию.

5.4.A.1 Закон скорости элементарной реакции можно вывести из стехиометрии частиц, участвующих в столкновении.
5.4.A.2 Элементарные реакции, включающие одновременное столкновение трех или более частиц, встречаются редко.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

A reaction mechanism 反应机理 is the sequence of elementary steps 基元反应 that actually occur. Their molecularity (how many particles collide in a step) sets that step's rate law directly. Species made in one step and used up in a later one are intermediates 中间体.

Русский

Механизм реакции — это последовательность элементарных стадий, которые фактически происходят. Их молекулярность (количество сталкивающихся частиц на стадии) напрямую определяет кинетическое уравнение этой стадии. Вещества, образующиеся на одной стадии и расходуемые на последующей, называются промежуточными продуктами.

5.5

Why Collisions Do or Do Not React · ⁨Почему столкновения приводят или не приводят к реакции⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.5.A: Explain the relationship between the rate of an elementary reaction and the frequency, energy, and orientation of particle collisions.

5.5.A.1 For an elementary reaction to successfully produce products, reactants must successfully collide to initiate bond-breaking and bond-making events.
5.5.A.2 In most reactions, only a small fraction of the collisions leads to a reaction. Successful collisions have both sufficient energy to overcome the activation energy requirements and orientations that allow the bonds to rearrange in the required manner.
5.5.A.3 The Maxwell-Boltzmann distribution curve describes the distribution of particle energies; this distribution can be used to gain a qualitative estimate of the fraction of collisions with sufficient energy to lead to a reaction, and also how that fraction depends on temperature.

Русский

Цель обучения 5.5.A: Объяснить связь между скоростью элементарной реакции, частотой, энергией и ориентацией столкновений частиц.

5.5.A.1 Чтобы элементарная реакция успешно привела к образованию продуктов, реагенты должны эффективно столкнуться, инициировав процессы разрыва и образования химических связей.
5.5.A.2 В большинстве реакций лишь малая доля столкновений приводит к реакции. Эффективные столкновения обладают достаточной энергией для преодоления требований активационной энергии и правильной ориентацией, позволяющей связям перестроиться требуемым образом.
5.5.A.3 Кривая распределения Максвелла-Больцмана описывает распределение энергий частиц; это распределение может быть использовано для качественной оценки доли столкновений, обладающих достаточной энергией для протекания реакции, а также того, как эта доля зависит от температуры.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Collision theory

Collision theory 碰撞理论: molecules must collide with enough energy (the activation energy 活化能, $E_a$) and the correct orientation to react. Higher temperature means more molecules exceed $E_a$, so the reaction speeds up sharply.

Русский

Теория столкновений

Теория столкновений: молекулы должны сталкиваться с достаточной энергией (энергия активации, $E_a$) и правильной ориентацией, чтобы发生了 реакция. Повышение температуры означает, что больше молекул обладают энергией выше $E_a$, поэтому реакция резко ускоряется.

Реакция происходит только при правильной ориентации и достаточной энергии столкновения

Explore · ⁨Исследовать⁩

Which molecules clear the activation energy · ⁨Какие молекулы преодолевают порог активации⁩

Only collisions with energy above the activation energy react. Heating shifts the speed distribution right, so a much larger fraction of molecules can react. · ⁨Реагируют только столкновения с энергией выше энергии активации. Нагревание смещает распределение скоростей вправо, поэтому значительно большая доля молекул способна вступить в реакцию.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
Collision theory/kəˈlɪʒn ˈθɪəri/	Теория столкновений
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/	энергия активации
energy profile/ˈenədʒi ˈprəʊfaɪl/	энергетический профиль
transition state/trænˈsɪʃn steɪt/	Ea =

5.6

Reading an Energy Profile · ⁨Чтение энергетической диаграммы⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.6.A: Represent the activation energy and overall energy change in an elementary reaction using a reaction energy profile.

5.6.A.1 Elementary reactions typically involve the breaking of some bonds and the forming of new ones.
5.6.A.2 The reaction coordinate is the axis along which the complex set of motions involved in rearranging reactants to form products can be plotted.
5.6.A.3 The energy profile gives the energy along the reaction coordinate, which typically proceeds from reactants, through a transition state, to products. The energy difference between the reactants and the transition state is the activation energy for the forward reaction.
5.6.A.4 The rate of an elementary reaction is temperature dependent because the proportion of particle collisions that are energetic enough to reach the transition state varies with temperature. The Arrhenius equation relates the temperature dependence of the rate of an elementary reaction to the activation energy needed by molecular collisions to reach the transition state.
- Exclusion statement: Calculations involving the Arrhenius equation will not be assessed on the AP Exam.

Русский

Цель обучения 5.6.A: Изобразить энергию активации и общее изменение энергии в элементарной реакции с помощью энергетического профиля реакции.

5.6.A.1 Элементарные реакции обычно включают разрыв некоторых связей и образование новых.
5.6.A.2 Координата реакции — это ось, вдоль которой можно изобразить сложный комплекс движений, необходимых для перестройки реагентов в продукты.
5.6.A.3 Энергетический профиль показывает энергию вдоль координаты реакции, которая обычно протекает от реагентов через переходное состояние к продуктам. Разница энергий между реагентами и переходным состоянием является энергией активации прямой реакции.
5.6.A.4 Скорость элементарной реакции зависит от температуры, так как доля столкновений частиц, обладающих достаточной энергией для достижения переходного состояния, изменяется с температурой. Уравнение Аррениуса связывает зависимость скорости элементарной реакции от температуры с энергией активации, необходимой молекулярным столкновениям для достижения переходного состояния.
- Исключение: Вычисления с использованием уравнения Аррениуса не будут оцениваться на экзамене AP.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Reaction energy profile

An energy profile 能量图 plots energy along the reaction path. The peak is the transition state 过渡态; the climb from reactants to the peak is $E_a$; the difference between reactant and product energies is the enthalpy change $\Delta H$ (down for exothermic).

Русский

Энергетическая диаграмма реакции

Энергетическая диаграмма отображает энергию вдоль пути реакции. Пик соответствует переходному состоянию; подъем от реагентов к пику — это $E_a$; разница между энергиями реагентов и продуктов — изменение энтальпии $\Delta H$ (отрицательное для экзотермических реакций).

В экзотермических реакциях продукты находятся ниже, чем исходные вещества; в эндотермических — выше — Экзотермические реакции заканчиваются ниже исходных веществ; эндотермические — выше

Explore · ⁨Исследовать⁩

Read activation energy off the profile · ⁨Определите энергию активации по профилю⁩

An energy profile plots energy along the reaction. The hump is the activation energy; the drop from reactants to products is $\Delta H$. A catalyst lowers the hump. · ⁨Энергетический профиль отображает энергию вдоль хода реакции. Горб — это энергия активации; спад от реагентов к продуктам обозначает $\Delta H$. Катализатор снижает высоту горба.⁩

5.7

The Sequence of Steps · ⁨Последовательность этапов⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.7.A: Identify the components of a reaction mechanism.

5.7.A.1 A reaction mechanism consists of a series of elementary reactions, or steps, that occur in sequence. The components may include reactants, intermediates, products, and catalysts.
5.7.A.2 The elementary steps when combined should align with the overall balanced equation of a chemical reaction.
5.7.A.3 A reaction intermediate is produced by some elementary steps and consumed by others, such that it is present only while a reaction is occurring.
5.7.A.4 Experimental detection of a reaction intermediate is a common way to build evidence in support of one reaction mechanism over an alternative mechanism.
- Exclusion statement: Collection of data pertaining to detection of a reaction intermediate will not be assessed on the AP Exam.

Русский

Цель обучения 5.7.A: Определить компоненты механизма реакции.

5.7.A.1 Механизм реакции состоит из серии элементарных реакций, или стадий, которые происходят последовательно. Компонентами могут быть реагенты, промежуточные продукты, продукты и катализаторы.
5.7.A.2 Совокупность элементарных стадий должна соответствовать общему сбалансированному уравнению химической реакции.
5.7.A.3 Промежуточный продукт реакции образуется на некоторых стадиях и расходуется на других, поэтому он присутствует только во время протекания реакции.
5.7.A.4 Экспериментальное обнаружение промежуточного продукта реакции является распространенным способом получения доказательств в пользу одного механизма реакции вместо альтернативного.
- Исключение: Сбор данных, относящихся к обнаружению промежуточного продукта реакции, не будет оцениваться на экзамене AP.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

In a multi-step mechanism, the steps must add up to the overall balanced equation (intermediates cancel). Each step has its own energy hill; the tallest hill is the slowest step.

Русский

В многостадийном механизме суммирование всех стадий должно давать общее уравненное уравнение (промежуточные продукты сокращаются). Каждая стадия имеет свой энергетический барьер; самый высокий барьер соответствует самой медленной стадии.

Наиболее медленная стадия с наибольшим барьером является определяющей скорость реакции — Медленная стадия с более высоким барьером определяет скорость реакции

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
rate-determining step/reɪt dɪˈtɜːmɪnɪŋ step/	определяющего скорость этапа

5.8

Finding the Rate Law From a Mechanism · ⁨Определение кинетического уравнения по механизму⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.8.A: Identify the rate law for a reaction from a mechanism in which the first step is rate limiting.

5.8.A.1 For reaction mechanisms in which each elementary step is irreversible, or in which the first step is rate limiting, the rate law of the reaction is set by the molecularity of the slowest elementary step (i.e., the rate-limiting step).
- Exclusion statement: Collection of data pertaining to detection of a reaction intermediate will not be assessed on the AP Exam.

Русский

Цель обучения 5.8.A: Определить закон скорости реакции по механизму, в котором первая стадия является определяющей скорость.

5.8.A.1 Для механизмов реакций, в которых каждый элементарный этап необратим или где первый этап является лимитирующим, кинетическое уравнение реакции определяется молекулярностью самого медленного элементарного этапа (т.е. лимитирующего этапа).
- Исключение: Сбор данных, относящихся к обнаружению промежуточного продукта реакции, не будет оцениваться на экзамене AP.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

The rate-determining step 决速步骤 is the slowest step; its molecularity gives the overall rate law. A valid mechanism must (1) add to the overall reaction and (2) predict the experimentally observed rate law.

Worked example. Suppose the slow (rate-determining) step is the bimolecular collision $\text{NO}_2+\text{NO}_2\rightarrow\text{NO}_3+\text{NO}$. Its molecularity gives the rate law directly: $\text{rate}=k[\text{NO}_2]^2$. If experiment shows exactly this, the proposed mechanism is consistent; if experiment gave $\text{rate}=k[\text{NO}_2]$, the mechanism would be wrong.

Русский

Определяющая скорость стадия — самая медленная стадия; ее молекулярность задает общий кинетический закон. Верный механизм должен (1) суммироваться в общую реакцию и (2) предсказывать наблюдаемый экспериментально кинетический закон.

Разобранный пример. Предположим, что медленная (определяющая скорость) стадия представляет собой бимолекулярное столкновение $\text{NO}_2+\text{NO}_2\rightarrow\text{NO}_3+\text{NO}$. Ее молекулярность сразу дает кинетическое уравнение: $\text{rate}=k[\text{NO}_2]^2$. Если эксперимент подтверждает именно это, предложенный механизм согласуется с данными; если бы эксперимент показал $\text{rate}=k[\text{NO}_2]$, механизм был бы неверным.

5.9

When the First Step Is Fast · ⁨Когда первая стадия протекает быстро⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.9.A: Identify the rate law for a reaction from a mechanism in which the first step is not rate limiting.

5.9.A.1 If the first elementary reaction is not rate limiting, approximations (such as pre-equilibrium) must be made to determine a rate law expression.

Русский

Цель обучения 5.9.A: Определить кинетическое уравнение для реакции по механизму, в котором первый этап не является лимитирующим.

5.9.A.1 Если первый элементарный этап не является лимитирующим, необходимо использовать приближения (например, предравновесие) для вывода выражения кинетического уравнения.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

If a fast step precedes the slow one, an intermediate appears in the slow step's rate law. Use the fast pre-equilibrium to rewrite that intermediate in terms of reactants, so the final rate law contains only measurable species.

Русский

Если быстрая стадия предшествует медленной, промежуточный продукт появляется в кинетическом уравнении медленной стадии. Используйте быстрое предварительное равновесие, чтобы выразить этот промежуточный продукт через реагенты, чтобы итоговое кинетическое уравнение содержало только измеряемые вещества.

5.10

Energy Profiles for Many Steps · ⁨Энергетические диаграммы для многостадийных реакций⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.10.A: Represent the activation energy and overall energy change in a multistep reaction with a reaction energy profile.

5.10.A.1 Knowledge of the energetics of each elementary reaction in a mechanism allows for the construction of an energy profile for a multistep reaction.

Русский

Цель обучения 5.10.A: Представлять энергию активации и общее изменение энергии в многоступенчатой реакции с помощью энергетического профиля реакции.

5.10.A.1 Знание энергетики каждой элементарной реакции в механизме позволяет построить энергетический профиль для многоступенчатой реакции.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

A multi-step reaction's profile shows several peaks (one per step) with valleys (intermediates) between them. The highest peak is the rate-determining transition state – it controls the overall rate.

Русский

Профиль многоступенчатой реакции показывает несколько пиков (по одному на каждую ступень) с провалами (промежуточными продуктами) между ними. Самый высокий пик соответствует переходному состоянию, определяющему скорость реакции, — именно он контролирует общую скорость процесса.

5.11

How Catalysts Speed Things Up · ⁨Как катализаторы ускоряют реакции⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

Learning Objective 5.11.A: Explain the relationship between the effect of a catalyst on a reaction and changes in the reaction mechanism.

5.11.A.1 In order for a catalyst to increase the rate of a reaction, the addition of the catalyst must increase the number of effective collisions and/or provide a reaction path with a lower activation energy relative to the original reaction coordinate.
5.11.A.2 In a reaction mechanism containing a catalyst, the net concentration of the catalyst is constant. However, the catalyst will frequently be consumed in the rate-determining step of the reaction, only to be regenerated in a subsequent step in the mechanism.
5.11.A.3 Some catalysts accelerate a reaction by binding to the reactant(s). The reactants are either oriented more favorably or react with lower activation energy. There is often a new reaction intermediate in which the catalyst is bound to the reactant(s). Many enzymes function in this manner.
5.11.A.4 Some catalysts involve covalent bonding between the catalyst and the reactant(s). An example is acid-base catalysis, in which a reactant or intermediate either gains or loses a proton. This introduces a new reaction intermediate and new elementary reactions involving that intermediate.
5.11.A.5 In surface catalysis, a reactant or intermediate binds to, or forms a covalent bond with, the surface. This introduces elementary reactions involving these new bound reaction intermediate(s).

Русский

Цель обучения 5.11.A: Объяснять связь между влиянием катализатора на реакцию и изменениями в механизме реакции.

5.11.A.1 Для того чтобы катализатор увеличил скорость реакции, его добавление должно увеличить число эффективных столкновений и/или обеспечить путь реакции с более низкой энергией активации относительно исходной координаты реакции.
5.11.A.2 В механизме реакции, содержащем катализатор, суммарная концентрация катализатора остается постоянной. Однако катализатор часто расходуется на стадии, определяющей скорость реакции, только для того, чтобы быть регенерированным на последующем этапе механизма.
5.11.A.3 Некоторые катализаторы ускоряют реакцию, связываясь с реагент(ами). Реагенты либо ориентируются более благоприятно, либо реагируют с меньшей энергией активации. Часто образуется новый реакционный интермедиат, в котором катализатор связан с реагент(ами). Многие ферменты функционируют таким образом.
5.11.A.4 Некоторые катализаторы предполагают образование ковалентных связей между катализатором и реагент(ами). Примером является кислотно-основной катализ, при котором реагент или интермедиат либо принимает, либо отдает протон. Это приводит к появлению нового реакционного интермедиата и новых элементарных реакций, включающих этот интермедиат.
5.11.A.5 В поверхностном катализе реагент или интермедиат связывается с поверхностью или образует с ней ковалентную связь. Это приводит к элементарным реакциям, включающим эти новые связанные реакционные интермедиаты.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

A catalyst 催化剂 speeds a reaction by providing a new pathway with a lower activation energy, without being consumed. It does not change $\Delta H$ or the equilibrium position – only how fast equilibrium is reached. On an energy profile, a catalyst lowers the peak(s).

Русский

Катализатор ускоряет реакцию, предоставляя новый путь с меньшей энергией активации, не расходуясь при этом. Он не изменяет $\Delta H$ или положение равновесия — лишь то, как быстро достигается равновесие. На энергетическом профиле катализатор снижает пик(и).

Катализатор предоставляет путь с низкой энергией активации; изменение энтальпии остаётся неизменным

5.11

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

Rate rises with concentration, temperature, surface area, and a catalyst — explain each with collision theory (more, or more energetic, successful collisions).
Temperature works mainly by getting more particles above the activation energy, not just more collisions.
Reaction orders come from experiment, not the balanced coefficients — see how the rate changes when one concentration is varied.
On an energy profile the hill height is the activation energy and the reactant–product gap is $\Delta H$.
A catalyst lowers the activation energy (a new pathway) but leaves $\Delta H$ and the equilibrium position unchanged.

Русский

Скорость возрастает при увеличении концентрации, температуры, площади поверхности и наличии катализатора — объясните каждый фактор с помощью теории столкновений (большее количество или более энергичные успешные столкновения).
Температура действует в основном за счет того, что больше частиц получают энергию выше порога активации, а не просто из-за увеличения числа столкновений.
Порядки реакции определяются экспериментально, а не коэффициентами в уравнении — посмотрите, как меняется скорость при изменении одной концентрации.
На энергетическом профиле высота холма соответствует энергии активации, а разница между реагентами и продуктами — это $\Delta H$.
Катализатор снижает энергию активации (предоставляя новый путь), но оставляет $\Delta H$ и положение равновесия без изменений.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in AP Chemistry · ⁨AP Химия⁩ · ⁨Больше тем в AP Chemistry · ⁨AP Химия⁩⁩