1.2. Зависимость скорости химической реакции от концентрации

Необходимым условием химического взаимодействия различных веществ, составляющих гомогенную систему, является столкновение их молекул. Только при столкновении молекулы попадают в сферы взаимного влияния электрических полей, возбуждаемых той или иной заряженной частицей другой молекулы. Очевидно, что скорость химического взаимодействия должна зависеть от числа столкновений реагирующих молекул в единицу времени. Также понятно, что число соударений тем больше, чем выше концентрация каждого из исходных веществ.

В 1867 г. двумя норвежскими химиками К.М. Гульдбергом и П. Вааге был сформулирован закон действия масс, выражающий зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ:

При постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные коэффициентам при формулах этих веществ в уравнении реакции.

Тогда для реакции:

2А + В → продукты

справедливо соотношение υ ~ ·С_А²·С_В, а чтобы перейти от пропорциональности к равенству вводится коэффициент пропорциональности k, называемый константой скорости реакции:

υ = k·С_А²·С_В или υ = k·[А]²·[В].

Обратите внимание, что молярные концентрации в формулах могут обозначаться как буквой С с со­ответствующим индексом, так и химической формулой соответствующего вещества, заключенной в квадрат­ные скобки!

Физический смысл константы скорости реакции – скорость реакции при концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л. Размерность константы скорости реакции зависит от числа сомно­жи­телей в правой части уравнения и может быть с^–1; с^–1·[л/моль]; с^–1·[л²/моль²] и т. п., то есть такой, чтобы в любом случае при вычислениях скорость реакции выражалась в моль·л^–1·с^–1.

Например, для реакции взаимодействия водорода с хлором:

H₂ + Cl₂ = 2HCl

зависимость скорости υ от концентраций водорода [H₂] и хлора [Cl₂], согласно закону действия масс, выражается формулой:

υ = k·[H₂]²·[Cl₂],

Аналогично, для реакции взаимодействия азота с водородом:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

выражение скорости будет иметь вид:

υ = k·[H₂]·[H₂]·[H₂]·[N₂] = k·[H₂]³·[N₂].

Таким образом, коэффициенты в уравнении реакции являются показателями степени при концентрации соответствующего вещества в выражении для скорости реакции. Для уравнения некоторой общей реакции вида:

mA + nB = D

скорость реакции выражается формулой

υ = k·С_А^m·С_Bⁿ или υ = k·[А]^m·[В] ⁿ.

Для гетерогенных реакций в уравнение закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе. Дело в том, что концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, представ­ляет постоянную величину и включается в константу скорости. Например, для процесса горения угля:

С + О₂ = СО₂

по закону действия масс скорость равна:

υ = k^I·[C]·[O₂]·=k^I·const·[O₂]·= k·[O₂],

где k = k^I·const.

В системах, где одно или несколько веществ являются газами, скорость реакции зависит также и от давления. Например, при взаимодействии водо­рода с парами иода:

H₂ + I₂ =2HI

скорость химической реакции будет определяться выражением:

υ = k·[H₂]·[I₂].

Если увеличить давление, например, в 3 раза, то во столько же раз уменьшится объем, занимаемый системой, и, следовательно, во столько же раз увеличатся концентрации каждого из реагирующих веществ. Скорость реакции в этом случае возрастет в 9 раз.

Следует понимать, что если в результате протекания указанной реакции в системе уже образовалось определенное количество иодистого водорода и достигнуто состояние химического равновесия, то увеличение давления не приведет к изменению состава системы, так как скорость обратной реакции — разложения иодистого водорода на исходные иод и водород также возрастет и в то же число раз. Этот вопрос рассматривается далее в теме «Химическое равновесие»