Скорость химических реакций

Скорость химической реакции

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Химическая кинетика – учение о скоростях и механизмах химических реакций.

Изучение скоростей протекания реакций, получение данных о факторах, влияющих на скорость химической реакции, а также изучение механизмов химических реакций осуществляют экспериментально.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Скорость химической реакции – изменение концентрации одного из реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени при неизменном объеме системы.

Скорость гомогенной и гетерогенной реакций определяются различно.

Определение меры скорости химической реакции можно записать в математической форме. Пусть $\nu$ – скорость химической реакции в гомогенной системе, n_B – число моле какого-либо из получающихся при реакции веществ, V – объем системы, $\tau$ – время. Тогда в пределе:

$\nu$ = dn_B / (Vd $\tau$ )

Это уравнение можно упростить – отношение количества вещества к объему представляет собой молярную концентрацию вещества n_B /V = c_B, откуда dn_B / V = dc_B и окончательно:

$\nu$ = dc_B/d $\tau$

На практике измеряют концентрации одного или нескольких веществ в определенные промежутки времени. Концентрации исходных веществ со временем уменьшаются, а концентрации продуктов – увеличиваются (рис. 1).

Рис. 1. Изменение концентрации исходного вещества (а) и продукта реакции (б) со временем

Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Факторами, оказывающими влияние на скорость химической реакции, являются: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов, давление и объем (в газовой фазе).

С влиянием концентрации на скорость химической реакции связан основной закон химической кинетики – закон действующих масс (ЗДМ): скорость химической реакции прямопропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени их стехиометрических коэффициентов. ЗДМ не учитывает концентрацию веществ в твердой фазе в гетерогенных системах.

Для реакции mA +nB = pC +qD математическое выражение ЗДМ будет записываться:

$\bar{\nu}$ = k × C_A^m × C_Bⁿ

$\bar{\nu}$ = k × [A]^m × [B]ⁿ ,

где k – константа скорости химической реакции, представляющая собой скорость химической реакции при концентрации реагирующих веществ 1моль/л. В отличие от скорости химической реакции, k не зависит от концентрации реагирующих веществ. Чем выше k, тем быстрее протекает реакция.

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые десять градусов скорость большинства химических реакций увеличивается примерно в 2 – 4 раза. Математическое выражение:

$\nu$ (T₂) = $\nu$ (T₁) × $\gamma$ ^(T2-T1)/10 ,

где $\gamma$ – температурный коэффициент Вант-Гоффа, показывающий во сколько раз увеличилась скорость реакции при повышении температуры на 10^oС.

Молекулярность и порядок реакции

Молекулярность реакции определяется минимальным числом молекул, одновременно вступающих во взаимодействие (участвующих в элементарном акте). Различают:

— мономолекулярные реакции (примером могут служить реакции разложения)

N₂O₅ = 2NO₂ + 1/2O₂

$\nu$ = k × C, -dC/dt = kC

Однако, не все реакции, подчиняющиеся этому уравнению мономолекулярны.

— бимолекулярные

H₂ + I₂ = 2HI

CH₃COOH + C₂H₅OH = CH₃COOC₂H₅ + H₂O

$\nu$ = k × C₁ × C₂, -dC/dt = k × C₁ × C₂

— тримолекулярные (встречаются очень редко).

Молекулярность реакции определяется ее истинным механизмом. По записи уравнения реакции определить ее молекулярность нельзя.

Порядок реакции определяется по виду кинетического уравнения реакции. Он равен сумме показателей степеней концентрации в этом уравнении. Например:

CaCO₃ = CaO + CO₂

$\nu$ = k × C₁² × C₂ – третий порядок

Порядок реакции может быть дробным. В таком случае он определяется экспериментально. Если реакция протекает в одну стадию, то порядок реакции и ее молекулярность совпадают, если в несколько стадий, то порядок определяется самой медленной стадией и равен молекулярности этой реакции.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Реакция протекает по уравнению 2А + В = 4С. Начальная концентрация вещества А 0,15 моль/л, а через 20 секунд – 0,12 моль/л. Вычислите среднюю скорость реакции.

Решение

Запишем формулу для вычисления средней скорости химической реакции:

$\bar{\nu}$ = ± Δс / Δt

Вычислим:

$\bar{\nu}$ = ± (0,15 – 0,12) / (20-0) = 0,144 моль /лс

Ответ

$\bar{\nu}$ = 0,144 моль /лс

ПРИМЕР 2

Задание

Вычислите, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 40 до 80 ^oС, если температурный коэффициент скорости равен 3.

Решение

Согласно правилу Вант-Гоффа:

$\nu = \nu_0 \times \gamma^{(t_2-t_1)/10}$

По условию задачи требуется определить $\nu/ \nu$ ₀. Рассчитаем:

$\nu/ \nu_0$ = 3^(80-40)/10 =81