3.2. Понятие о скорости химической реакции. Факторы, влияющие на изменение скорости химической реакции

Скоростью химической реакции называется число химических взаимодействий частиц реагирующих веществ в единицу времени в единице объема (если реакция гомогенная) или на единице поверхности (для гетерогенных процессов).

Измерить скорость реакции можно по изменению концентраций веществ, участвующих в реакции, за данный промежуток времени. Это будет средняя скорость реакции:

(Знак «–» ставят, если измеряют концентрацию исходного вещества, а знак «+» – продукта реакции).

Истинная же скорость реакции, т. е. скорость реакции в данный момент времени, есть производная концентрации реагирующего вещества по времени:

Зависимость скорости реакции от различных факторов

Зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ можно показать на примерах однотипных реакций (взаимодействий различных щелочных металлов с водой, различных кислот с металлами и т. п.).

Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ определяется законом действующих масс (предложен норвежскими физико-химиками Като Максимилианом Гульдбергом и Петером Вааге в 1864 г.): скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных некоторым числам, определяемым экспериментально. Например, для реакции

аА + bB = cC + dD где

k – константа скорости данной реакции, равная скорости реакции при равенстве концентраций 1 моль/л;

 и  – частные порядки реакции по веществам А и В;  – общий порядок реакции.

Для реакций, идущих в одну стадию – простых реакций, порядки равны стехиометрическим коэффициентам.

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом голландского химика Якоба Х. Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10^о скорость реакции возрастает в 2–4 раза:

где

 – температурный коэффициент реакции.

Для того, чтобы реагирующие частицы смогли химически взаимодействовать друг с другом, они должны обладать некоторой избыточной (по сравнению со средней) энергией, минимальное количество которой называется энергией активации Е_а. С повышением температуры число частиц, обладающих такой энергией (активных частиц), возрастает. Это является причиной увеличения скорости реакции с ростом температуры.

Снизить энергию активации процесса можно, применяя катализаторы – вещества, увеличивающие скорость реакции, но сами при этом не изменяющиеся. Катализ может быть гомогенным, если реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе, например:

2Н₂О_2(р-р) О_2(г) + 2Н₂О_(ж);

СН₃СООН_(ж) + С₂Н₅ОН_(ж) СН₃–СО–О–С₂Н_5(ж) + Н₂О_(ж);

и гетерогенным, если реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах:

2Н₂О_2(р-р) О_2(г) + 2Н₂О_(ж);

СН₃–СН=СН–СН_3(г) + Н_2(г) СН₃–СН₂–СН₂–СН_3(г).

Гомогенный катализ осуществляется по следующему механизму (теория переходного комплекса): сначала одно из реагирующих веществ взаимодействует с катализатором с образованием промежуточного комплекса (Е_а этой реакции ниже, чем для некаталитического процесса, поэтому она идет быстро). Затем промежуточный комплекс реагирует с другим веществом или разлагается, образуя продукт реакции и катализатор (Е_а этого процесса также низка).

Гетерогенный катализ объясняют с помощью теории активных центров, возникающих на поверхности твердого катализатора. На этих центрах адсорбируются (удерживаются) молекулы реагирующих веществ, образуя промежуточные соединения с катализатором. Благодаря этому увеличивается концентрация реагирующих веществ, снижается Е_а, частицы активируются и располагаются в необходимой для химического взаимодействия ориентации, все это способствует увеличению скорости реакции.

Вещества, уменьшающие скорость реакции, называются ингибиторами. Например, для реакции разложения пероксида водорода ингибитором является небольшое количество фосфорной кислоты.

Виды заданий ЕГЭ