2.2 Зависимость скорости реакции от концентрации. Закон действующих масс.

Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение друг с другом (соударение). Только при этом будут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуется молекулы новых веществ. Поэтому скорость реакции должна быть пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ. Число соударений, в свою очередь, больше, чем выше концентрация каждого из веществ.

На основе экспериментальных данных в 1865 году Н.Н.Бекетов, а в 1867 году норвежские ученые К. Гультберг и П. Ваге сформулировали так называемый основной постулат химической кинетики или закон действующих масс, выражающий зависимость скорости реакции от концентрации реагентов: при постоянной температуре скорость реакции в каждый момент времени пропорционально произведению концентрации реагирующих веществ (имеющихся в данный момент) возведенных в некоторые степени.

Для элементарных реакций, т.е. для реакций протекающих в одну стадию и называемых элементарным актом, эти коэффициенты равны стехиометрическим коэффициентам в уравнении.

Для реакции v_aA+v_bB+v_cC=v_dD+v_eE+v_fF(1)

Можно записать математическое выражение закона действующих масс

V = К * (2.8)

Где q, p, k – некоторые числа определяемые только экспериментальным путем.

Для элементарной реакции, например, 2NO + O₂ → 2NO₂ (2)

V = К * , где К – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости численно равной скорости реакции, если концентрации реагирующих веществ равны единице. Ее часто называют удельной скоростью химической реакции. Константа скорости химической реакции К определяется природой реагирующихвеществ, зависит от температуры, от присутствия катализатора, и не зависит от концентрации веществ, участвующих в реакции.

Размерность константы скорости определяется суммой показателей степеней в кинетическом уравнении. Так для реакции (1)

[К] = [время]^-1* [концентрация]^{1-( q+p+k)}

Скорость гетерогенных химических реакций.

Многие химические процессы, имеющие большое значение в технике, относятся к числу гетерогенных реакций: горение твердого и жидкого топлива, химическая и электрохимическая коррозия и т.п.

Реакция в гетерогенной системе осуществляется на поверхности раздела фаз. Таким образом, поверхность раздела фаз является реакционным пространством. Концентрацию газообразных и жидких веществ, участвующих в реакции, измеряют количеством молей этих веществ, приходящихся на единицу реакционной поверхности (моль/м²или моль/см²) и называют поверхностной концентрацией - С_s.

Средняя скорость гетерогенной химической реакции

V = ± (2.9)

и истинная

V = ± (2.10)

Измеряются изменением поверхностной концентрации одного из веществ участвующих в реакции в единице времени; размерность скорости моль/м²*с или моль/см²*с.

Зависимость скорости гетерогенной реакции от поверхностной концентрации так же определяется законом девствующих масс, например для процесса С_(т)+ О_2(г) = СО_2(г)

Математическое выражение имеет вид:

V = К * , но при этом следует учитывать интенсивность подвода реагентов к поверхности и отвода продуктов реакции, которые определяются процессом конвенции и диффузии.

Из-за трудностей измерения поверхностной концентрации, скорость реакции в гетерогенных системах можно рассчитывать использую вместо поверхностной концентрации объемную

V = К * , где- концентрация кислорода в газообразной фазе над реакционной поверхностью, моль/л.