Химическая кинетика и равновесие введение
У химика, пытающегося осуществить ту или иную химическую реакцию, возникает прежде всего два вопроса. Во-первых, насколько быстро идёт данная химическая реакция и, во-вторых, насколько полно протекает она. Ответ на первый вопрос даёт учение о скоростях химических реакций (химическая кинетика), на второй вопрос – учение о химическом равновесии (химическая термодинамика).
Для поиска ответа на поставленные вопросы необходимо определиться с объектом исследования – системой, под которой понимают мысленно обособленную часть пространства, заполненного веществами, между которыми может происходить интересующая нас химическая реакция. С точки зрения агрегатного состояния этих веществ система может быть гомогенной (когда все вещества или представляют собой смешивающиеся между собой жидкости), либо гетерогенной (часть веществ являются газообразными, другие твёрдые или жидкие). С точки зрения границ, внутри которых находятся рассматриваемые вещества, система может быть замкнутой, открытой, термически изолированной или неизолированной.
1 Скорость химической реакции (основные положения химической кинетики)
Под скоростью химической реакции понимают изменение концентраций реагирующих или образующихся веществ в единицу времени
(1)
Вполне понятно, что концентрация исходных веществ по мере протекания химической реакции будет уменьшаться (c2<c1), а концентрация конечных веществ будет увеличиваться (c2>c1). Но скорость химической реакции величина всегда положительная, поэтому Δс должно быть всегда положительным. Очевидно также, что если для реакции
(2)
определять скорость по изменению концентрации веществ A или B, то найденные значения скоростей будут отличаться друг от друга в два раза. Обычно о скорости химической реакции судят по изменению концентрации вещества А. Соотношение (1) даёт значение средней скорости за промежуток времени Δτ. Истинная скорость химической реакции – это производная концентрации по времени
(3)
Значения скоростей химических реакций могут меняться в очень широких пределах, от практически мгновенно протекающих (взрывообразные, ионные взаимодействия в растворах) до реакций, протекающих в течение нескольких лет и даже столетий. Скорость реакции зависит от природы и концентрации реагирующих веществ, давления, температуры, степени дисперсности веществ (при протекании реакции с участием твёрдых веществ), наличия или отсутствия катализатора. Рассмотрим влияние этих факторов более подробно.
Влияние природы и концентрации реагирующих веществ
При
протекании химической реакции между
двумя газообразными веществами (например,
)
необходимым (но недостаточным!) условием
взаимодействия веществ является
столкновение молекул H2
и I2
между
собой. Число таких столкновений в единицу
времени будет пропорционально количеству
молекул взаимодействующих веществ в
единице объёма, т.е. концентрации
взаимодействующих веществ.
На основании рассмотренных выше соображений был установлен закон действующих масс (ЗДМ) – скорость химических реакций пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ (Гульдберг и Вааге, 1867г.). Его математическое выражение для реакции
(4)
(5)
где CА и СВ – текущие концентрации веществ А и В, k – коэффициент пропорциональности называют константой скорости химической реакции.
Физический смысл k определяется, исходя из выражения (5): k – это скорость химической реакции, когда концентрации реагирующих веществ или их произведения равны единице. Константа скорости k зависит от природы взаимодействующих веществ, температуры, наличия или отсутствия катализатора.
Если в уравнении реакции имеются вещества со стехиометрическими коэффициентами, отличными от единицы, то в выражение ЗДМ концентрация данного вещества берётся в степени, равной его стехиометрическому коэффициенту. Например, для реакции взаимодействия газообразных веществ по уравнению (2) скорость реакции будет определяться выражением
(6)
Когда в химической реакции одно и то же из реагирующих веществ является твёрдым, то реакция идёт лишь на поверхности этого вещества и понятие «концентрация твёрдого вещества» в данном случае не имеет физического смысла. Конечно же, скорость реакции зависит от степени дисперсности (раздробленности) этого вещества, но это не находит отражения в выражении ЗДМ. Поэтому концентрация твёрдых веществ не включается в уравнения ЗДМ. Например, для процесса
(7)
скорость прямой реакции определяется выражением
(8)