Тема: швидкість хімічних реакцій

Кожна хімічна реакція протікає з визначеною швидкістю. Швидкість хімічних реакцій визначається зміною концентрації реагуючих речовин в одиницю часу:

v = (C₀-C,)/t

Тут v — швидкість хімічної реакції, моль/(л-с), С_о — початкова концентрація реагуючої речовини, моль/л, С₁ - кінцева концентрація речовини, моль/л; t — час, с.

Швидкість хімічних реакцій залежить від різних факторів: природи реагуючих речовин, концентрації реагентів, температури, ступеню роздрібнювання твердих речовин, наявності і типу каталізатора.

Збільшення концентрації реагуючих речовин приводить до зростання числа зіткнень між частками (атомами, молекулами, іонами), у результаті чого швидкість реакції зростає. Вплив концентрацій на швидкість хімічної реакції відображає закон дії мас:

Швидкість хімічної реакції прямопропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин.

Математично даний закон для гомогенної реакції мА + nВ = рС виражається так:

V = K[A]^m[B]ⁿ

Тут k — константа швидкості реакції, С_A і C_B — концентрації речовин А и В.

Константа швидкості реакції має фізичний сенс швидкості реакції, коли добуток концентрацій реагуючих речовин дорівнює одиниці. Константа швидкості реакції залежить від природи реагуючих речовин, але не залежить від концентрації речовин.

У випадку гетерогенних реакцій у рівняння закону дії мас входять концентрації тільки тих речовин, що знаходяться в газовій фазі або розчині. Концентрація речовини, що знаходиться у твердій фазі, звичайно являє собою постійну величину і тому входить у константу швидкості. Наприклад, для реакції горіння вугілля С + О₂ = СО₂ закон дії мас запишеться так: v = kС₀₂.

З ростом температури збільшується число активних зіткнень часток, що веде до підвищення швидкості реакції. Підвищення швидкості відбувається відповідно до правила Вант-Гоффа:

При підвищенні температури на 10 градусів швидкість реакції зростає в 2—4 рази.

Число, що показує, у скільки разів збільшується швидкість даної хімічної реакції зі зміною температури на 10 ⁰С, називають температурним коефіцієнтом реакції. Математично ця залежність виражається рівнянням:

Тут _T1 — швидкість реакції при початковій температурі t₁; _T2 — швидкість реакції при кінцевій температурі t₂;  — температурний коефіцієнт.

У твердому стані взаємодія реагуючих часток може відбуватися тільки з поверхні. Тому швидкість реакції в цьому випадку буде залежати від ступеня розвитку поверхні: чим більше поверхня, тим вище швидкість реакції.

На швидкість хімічної реакції можуть впливати каталізатори. Каталізатори — це речовини, що змінюють швидкість реакції, але зберігають свій склад і кількість після проміжних реакцій. Каталізатори, що прискорюють реакцію, називають позитивними, а які сповільнюють — негативними.

Хімічна рівновага характерна для оборотних реакції, тобто реакцій, що можуть протікати як в прямому, так і в зворотному напрямку. З часом внаслідок зміни концентрації речовин (як вихідних так і продуктів) швидкість прямої і зворотної реакції становляться однаковими, то це означає, що система знаходиться у стані хімічної рівноваги.

Розглянемо цей процес на прикладі зворотної гомогенної реакції в загальному вигляді:

mA + nB  pC + qD

Швидкість прямої реакції відповідно до закону діючих мас (1) визначається рівнянням:

₁ = K₁ [A]^m[B]ⁿ

Швидкість зворотньої реакції може бути визначена з рівняння:

₂ = K₂ [C]^p[D]^q

У момент рівноваги ₁ = ₂ і K₁ [A]^m[B]ⁿ = K₂ [C]^p[D]^q.

Звідки

Співвідношення двох постійних величин К₁/К₂ є постійною і можна записати:

(3),

де [A], [B], [C], [D]- рівноважні концентрації речовин, що беруть участь в хімічній реакції, моль/л;

m, n, p, q –стехіометричні коефіцієнти у рівнянні реакції.

Величина К називається константою хімічної рівноваги і залежить від температури, природи реагуючих речовин і продуктів реакції, та не залежить від їх концентрацій. Отже хімічна рівновага в зворотних реакціях настає тоді, коли відношення добутку концентрацій утворених продуктів до добутку концентрацій вихідних речовин у відповідних ступенях стають рівними деякій постійній величині.

Хімічна рівновага при незмінних умовах може зберігатися довгий час. Якщо змінити зовнішні умови, в яких система була у стані рівноваги, то рівновага зрушується.

Напрямок зрушування хімічної рівноваги може бути визначений принципом Ле-Шательє.

Якщо змінити одну з умов при якій система знаходилася в рівновазі (концентрацію, тиск, температуру), то рівновага зміщується у напрямку реакції, що протидіє цій зміні.

Отже, збільшення концентрації вихідних речовин зрушує рівновагу в бік продуктів реакції.

Підвищення температури зрушує рівновагу у напрямку ендотермічного процесу, якщо реакція була екзотермічна.

Зростання тиску зрушує рівновагу газових реакцій у бік утворення речовин, що мають менший об’єм, або менша кількість молекул.