Краткие теоретические сведения Скорость химических реакций

Учение о механизме и скорости протекания химических реакций называется химической кинетикой.

При рассмотрении вопроса о скорости химических реакций необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной или гетерогенной системах.

Системой в химии называют рассматриваемое вещество или совокупность веществ. Система отделена от внешней среды.

Гомогенной называют систему, состоящую из одной фазы. Она может быть в газообразном (воздух), жидком (морская вода) или твердом состояниях.

Гетерогенной называют систему, состоящую из нескольких фаз, например вода со льдом.

Фазой называется часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкообразно.

Реакции, протекающие в гомогенной системе, называются гомогенными, а в гетерогенной системе – гетерогенными.

Примером гомогенной реакции может быть любая реакция, протекающая в растворе:

, .

Гомогенные реакции протекают во всем объеме системы.

Гетерогенные реакции идут только на поверхности раздела фаз, образующих эту систему, например:

.

Скорость химической реакции равна изменению количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства.

В гомогенной системе реакционным пространством является объем.

Отношение количества вещества к единице объема называется концентрацией С.

Скоростью гомогенной химической реакции называют изменение концентрации вещества в единицу времени.

Если в момент времени концентрация реагирующего вещества была(моль/дм³), а в последующий момент времени оказалась равной(моль/дм³), то средняя скорость реакции будет выражаться отношением:

; – тау.

Если , то– правая часть уравнения будет отрицательной.

Если , то– правая часть уравнения будет положительной.

Истинная скорость реакции в данный момент времени определяется как первая производная от концентрации по времени:

, моль/дм³·с.

Реакционным пространством в гетерогенной реакции является поверхность раздела фаз, поэтому скоростью гетерогенной реакции называется изменение количества вещества в единицу времени на единице площади поверхности раздела фаз:

, моль/с·м²,

или через производную:

,

где – площадь поверхности раздела фаз;и– количество реагирующего вещества в момент времениисоответственно;– изменение количества реагирующего вещества за промежуток времени.

Скорость химической реакции определяется следующими основными факторами:

1. природой реагирующих веществ;

2. концентрацией реагирующих веществ;

3. температурой протекания реакции;

4. наличием катализаторов, механизмом реакции и т.д.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации выражается законом действующих масс, основным законом химической кинетики: при постоянной температуре скорость гомогенной химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ в степени их стехиометрических коэффициентов.

Для химических реакций в общем виде кинетическое уравнение химической реакции будет иметь вид:

,

где – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции, дм³/моль·с.

Этот коэффициент зависит от природы реагирующих веществ, температуры и наличия катализаторов. Величина этого коэффициента не зависит от концентрации веществ, участвующих в реакции.

Для гетерогенных химических реакций в уравнение закона действующих масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе, а также площадь поверхности раздела фаз. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно постоянна и входит в константу скорости. Например, для реакции горения угля закон действующих масс имеет вид:

.

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется приближенным правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10º скорость химической реакции увеличивается в 2-4 раза:

,

где и– скорости реакции при температурахисоответственно;

–температурный коэффициент скорости реакции.

Величина показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10º.

При концентрации реагирующих веществ 1 моль/дм³ скорость реакции численно равна константе скорости (из уравнения закона действующих масс).

Зависимость константы скорости реакции от температуры выражается уравнением Аррениуса:

,

где – предэкспоненциальный множитель, который определяется числом столкновений и ориентацией реагирующих веществ;

–энергия активации, кДж/моль;

–абсолютная температура, К;

–8,314 Дж/моль·К – универсальная газовая постоянная;

–основание натурального логарифма (2,718…).

Энергия активации – это энергия, необходимая для перевода молекул из неактивного состояния в активное, столкновения которых приводят к химическим взаимодействиям.

Энергия активации зависит от природы реагирующих веществ. Чем больше энергия активации, тем меньше скорость реакции.

Энергия активации необходима для ослабления химических связей в исходных веществах и для преодоления отталкивания между электронами при сближении молекул и атомов взаимодействующих веществ. Другими словами, для образования неустойчивого активированного комплекса, который распадается с образованием продуктов реакции.

Химические реакции сопровождаются тепловыми эффектами. Если тепловой эффект реакции ΔН < 0, то реакция идет с выделением энергии в окружающую среду, т.е. экзотермическая.

Если реакция идет с поглощением энергии из окружающей среды , то реакция называется эндотермической.

Катализаторы – это вещества, которые ускоряют химические реакции, но не испытывают химических превращений в их результате, т.е. восстанавливают свой состав.

Явление изменения скорости химической реакции под воздействием катализаторов называется катализом. Катализаторы снижают энергию активации за счет изменения механизма химических реакций.