Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ

Химическое взаимодействие между частицами (атомами, молекулами, ионами) происходит при их столкновениях (соударениях) друг с другом. Скорость реакции пропорциональна числу этих соударений. Чем выше концентрация каждого из исходных веществ или, чем больше произведение концентраций реагирующих веществ, тем больше число соударений и тем больше скорость химической реакции.

Так скорость реакции

А + В = С

пропорциональна произведению концентраций веществ А и В:

 = k·С_А·С_в , или  = k [A] · [B],

где С_А , С_в , [A] , [B] – молярные концентрации веществ А и В,

k - коэффициент пропорциональности, константа скорости данной реакции.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражает закон действующих масс (закон действия масс), сформулированный К. Гульдбергом и П. Ваге, 1867 г.: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Если реакция осуществляется в результате одновременного столкновения нескольких частиц, концентрация каждого из реагирующих веществ берется в степени, равной соответствующему коэффициенту в уравнении реакции.

Например, реакция типа

2А + В = А₂В

протекает путем тройного столкновения:

А + А + В → А₂В

в соответствии с законом действия масс можно записать:

 = k · С_А · С_А· С_в = k ·с_А²· с_в или  = k · [A]² ·[B]

Пример№2: Написать выражение скорости реакции окисления оксида азота (II): 2NO_(г) + O_2(г) = 2 NO_2(г)

Как изменится скорость этой реакции, если концентрацию NO увеличить в два раза?

Решение: В соответствии с законом действия масс скорость реакции:

 = k·с_NO² ·с_O2 или  = k·[NO]²· [O₂]

После увеличения концентрации газа NO в два раза его новую концентрацию можно записать: [NO]' = [2NO], тогда выражение скорости реакции принимает вид:

' = k·с'_NO² ·с_O2 или ' = k ·[NO]'²·[O₂] = k ·[2NO]² ·[O₂] = 4 k· [NO]² · [O₂] = 4

то есть скорость химической реакции возросла в 4 раза.

Зависимость скорости реакции от температуры

При возрастании температуры химические реакции протекают быстрее. Это связано с тем, что с ростом температуры число активных молекул возрастает. Возрастание скорости реакции с ростом температуры характеризует температурный коэффициент скорости реакции γ – который показывает, во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры системы на 10⁰С. Для большинства реакций температурный коэффициент лежит в пределах от 2 до 4. Математически зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа:

_(t2) =  _(t1) • γ^(t₂^-t₁^)/10

где _(t2) и  _(t1) – скорости химической реакции при температурах t₂ и t₁ соответственно,

γ – температурный коэффициент скорости реакции.

Пример№3: Реакция при температуре 40 ⁰С (t₁) протекает за 4 минуты 15 секунд. Вычислите, за сколько времени (Δτ₂) закончится эта реакция при 70 ⁰С (t₂), если температурный коэффициент скорости реакции (γ ) равен 3.

Дано: t₁ = 40⁰С

t₂ = 70⁰С

Δτ₁=4 мин. 15 с.=255с

γ =3

____________________________

Найти: Δτ₂=?

Решение: 1). По правилу Вант-Гоффа вычислим, во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 40 до 70⁰С:

(t₂) =(t₁) • γ^(t₂^-t₁^)/10

(t₂)/(t₁) = γ^(t₂^-t₁^)/10 = 3^(70-40)/10 =3³ =27, таким образом, скорость реакции увеличится в 27 раз

2). Вычислим время, за которое произойдет реакция при температуре 70⁰С. По определению скорости реакции

_(t1) = ΔС/Δτ₁ , _{( t2)} =ΔС/Δτ₂

т.е скорость реакции обратно пропорциональна времени протекания реакции, следовательно:

(t₂)/ (t₁) = Δτ₁/ Δτ₂

Отсюда получаем Δτ₂ = Δτ₁• (t₁)/ (t₂) = 255•1/27 = 9,4 с.