6. Скорость химической реакции

Как любые процессы, химические реакции происходят во времени и поэтому характеризуются той или иной скоростью.

Раздел химии, изучающий скорость химических реакций и механизм их протекания, называется химической кинетикой. Химическая кинетика оперирует понятиями «фаза», «система». Фаза – это часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела.

Системы бывают гомогенные и гетерогенные. Гомогенные системы состоят из одной фазы. Например, воздух или любая смесь газов, раствор соли. Гетерогенные системы состоят из двух или нескольких фаз. Например, жидкая вода – лед – пар, раствор соли + осадок.

Реакции, протекающие в гомогенной системе, называются гомогенными. Например, N_2(г) + 3H_2(г) = 2NH_3(г). Они протекают во всем объеме. Реакции, протекающие в гетерогенной системе, называются гетерогенными. Например, С_(к) + О_2(г) = СО_2(г). Они протекают на поверхности раздела фаз.

Скорость химической реакции определяется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема (для гомогенной реакции) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенной системы).

Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, присутствия катализаторов.

1. Природа реагирующих веществ.

Реакции протекают в направлении разрушения менее прочных связей и образования веществ с более прочными связями. Так, для разрыва связей в молекулах H₂ и N₂ требуются высокие энергии; такие молекулы являются мало реакционноспособными. Для разрыва связей в сильнополярных молекулах (HCl, H₂O) требуется меньше энергии, и скорость реакции значительно выше. Реакции между ионами в растворах электролитов протекают практически мгновенно.

2. Концентрация.

С увеличением концентрации чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ – скорость реакции возрастает.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действия масс (ЗДМ): при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

В общем случае для гомогенной реакции

nA_(г) + mB_(г) = pAB_(г)

зависимость скорости реакции выражается уравнением:

,

где С_А и С_В – концентрации реагирующих веществ, k – константа скорости реакции. Для конкретной реакции 2NO_(г) + O_2(г) = 2NO_2(г) математическое выражение ЗДМ имеет вид:

υ = k∙ ∙

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора, но не зависит от значения концентраций реагентов. Физический смысл константы скорости заключается в том, что она равна скорости реакции при единичных концентрациях реагирующих веществ.

Для гетерогенных реакций (когда вещества находятся в разных агрегатных состояниях) скорость реакции зависит только от концентрации газов или растворенных веществ, а концентрация твердой фазы в математическое выражение ЭДМ не входит: nA_(к) + mB_(г) = pAB_(г)

Например, скорость реакции горения углерода в кислороде пропорциональна только концентрации кислорода:

С_(к) + О_2(г) = СО_2(к)

υ = k·