2 Химическая кинетика. Химическое равновесие

Химическая кинетика─ учение о закономерностях протекания химических реакций. Кинетика рассматривает две важные и взаимосвязанные характеристики реакций: скорость и механизм, знание которых позволяет управлять реакциями, выбирать оптимальные условия для их протекания.

2.1 Скорость химических реакций

скорость химической реакции определяется числом столкновений активных реагирующих частиц, происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций), или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций), приводящих к образованию нового вещества.за скорость химической реакции принимают изменение молярной концентрации вещества за единицу времени в единице реакционного пространства.При этом безразлично, какие из реагирующих веществ выбирать для наблюдения за скоростью, так как они связаны между собой одним уравнением реакции. Например, молярная концентрация одного реагирующего вещества в момент времени τ₁равна, а в момент времени τ₂равна, тогда средняя скорость данной реакции:

(2.1)

молярная концентрация показывает, сколько молей вещества содержится в 1 литре раствора или объема газовой смеси, время измеряется в секундах.

Чтобы вычислить скорость реакции, нужно знать, как изменилась концентрация одного из реагирующих веществ за определенный промежуток времени. Чем меньше интервал времени, тем ближе экспериментально найденная скорость к истинной, т. е. к скорости в данный момент. Скорость реакции всегда положительная величина, поэтому дробь берется со знаком минус в том случае, когда изучают изменение концентрации исходного вещества при реакции (;).

Для определения скорости процесса можно выбрать реакцию, для которой появление определенного количества продукта фиксируется визуально, например, получение осадков. Таким образом, промежуток времени от момента слива растворов до появления осадка обратно пропорционален скорости реакции, поэтому 1/называется относительной скоростью реакции:

, (2.1)

где- промежуток времени от начала опыта до появления осадка. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, условий протекания реакции: концентрации, температуры, присутствия катализатора. Она зависит также и от других причин:

• от давления (в случае реакций с участием газов, так как с изменением давления изменяется концентрация);

• от освещения;

• от степени измельчения для реакции с участием твердых веществ.

2.2 Зависимость скорости реакции от концентрации. Закон действия масс

Эта зависимость была открыта двумя норвежскими учеными – Гульдбергом и Вааге в 1867 году и русским ученым Бекетовым и названа законом действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степени, равной коэффициенту перед веществом в уравнении реакции.

Для реакции aA + bB = mM + nNзакон действия масс имеет вид:

или ,(2.3)

где или - концентрация вещества, моль/л;или - концентрация вещества, моль/л (в дальнейшем в методических указаниях используется второй способ обозначения концентрации);и – коэффициенты в уравнении реакции; – коэффициент пропорциональности, называемыйконстантой скорости.

Если принять, что моль/л, то, то есть константа скорости численно равна скорости реакции, если концентрации реагирующих веществ равны единице. Поэтому величина зависит от природы реагирующих веществ, температуры и действия катализатора, а от концентрации не зависит и остается постоянной при данной температуре в течение всей реакции.

Рассмотрим пример гомогенной химической реакции:

2NO_(г.) + O_{2 (г)} 2NO_{2 (г.)}

,

В гетерогенной системе "газ – твердое вещество" взаимодействие веществ возможно лишь на поверхности раздела фаз. В этом случае концентрация твердого вещества остается постоянной в единице поверхности и входит в константу скорости реакции, а скорость реакции зависит лишь от концентрации газообразного вещества. Например:

С_(тв.) + О_2(г.) = СО_2(г.),

При столкновении молекул реагирующих веществ, взаимодействие происходит только в том случае, если соударяющиеся частицы обладают энергией, достаточной для разрыва связи в молекулах и преодоления сил взаимного отталкивания их электронных оболочек. Такие молекулы называют активными.

Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах реагирующих веществ и для преодоления сил отталкивания электронных оболочек молекул или атомов реагирующих веществ, называется энергией активациии обозначается_..