Скорость химической реакции
Скорость химической реакции есть число элементарных актов химической реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности (для гетерогенных реакций).
Скорость химической реакции есть изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени.
Первое определение является наиболее строгим; из него следует, что скорость химической реакции можно также выражать как изменение во времени любого параметра состояния системы, зависящего от числа частиц какого-либо реагирующего вещества, отнесенное к единице объема или поверхности – электропроводности, оптической плотности, диэлектрической проницаемости и т.д. и т.п. Однако наиболее часто в химии рассматривается зависимость концентрации реагентов от времени. В случае односторонних (необратимых) химических реакций (здесь и далее рассматриваются только односторонние реакции) очевидно, что концентрации исходных веществ во времени постоянно уменьшаются (Δсисходных веществ < 0), а концентрации продуктов реакции увеличиваются (Δспродуктов реакции > 0). Скорость реакции считается положительной, поэтому математически определение средней скорости реакции в интервале времени Δt записывается следующим образом:
Графическое изображение зависимости концентрации реагентов от времени есть кинетическая кривая (рис. 3.3.).
Рис. 3.3. Кинетические кривые для исходных веществ (А) и продуктов реакции (В)
Скорость химической реакции зависит от множества факторов: природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, природы растворителя и т.д.
Кинетическое уравнение химической реакции.
Одной из задач, стоящих перед химической кинетикой, является определение состава реакционной смеси (т.е. концентраций всех реагентов) в любой момент времени, для чего необходимо знать зависимость скорости реакции от концентраций. В общем случае, чем больше концентрации реагирующих веществ, тем больше скорость химической реакции. В основе химической кинетики лежит т. н. основной постулат химической кинетики:
Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в некоторых степенях, соответствующих их стехиометрическим коэффициентам.
Для реакции
аА + bВ + dD + ... ––> еЕ + ...
можно записать:
υ
= k
·
сa
·
сb
·
сd
(если все реагирующие вещества представлены жидкими или газообразными фазами)
Если реагирующее вещество является твердым или кристаллическим, то с твёрдый = 1 (принимается за константу)
Коэффициент пропорциональности k есть константа скорости химической реакции. Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л.
Зависимость скорости реакции от концентраций реагирующих веществ определяется экспериментально и называется кинетическим уравнением химической реакции.
Примеры
1. Как изменится скорость реакции окисления оксида серы (IV)
2 SO2 (Г) + O2 (Г) → 2 SO3 (Г)
а) при увеличении концентрации SO2 в 3 раза;
б) при увеличении давления в 2 раза?
Решение. Согласно закону действия масс скорость реакции образования SO3 до изменения концентрации SO2 рассчитывается по уравнению
υ = k [SO2]2 · [O2],
а) после увеличения SO2 в 3 раза
υ1 = k(3 [SO2])2 · [O2] = 9 k [SO2]2 · [O2], отсюда
υ1 / υ = (9 k [SO2]2 · [O2]) /(k [SO2]2 · [O2]) = 9
Таким образом, при увеличении концентрации SO2 в 3 раза скорость реакции возрастает в 9 раз;
б) при увеличении давления в 2 раза концентрация каждого из реагирующих веществ на единицу объема увеличится в 2 раза. Скорость реакции станет равной:
υ2 = k(2 [SO2]) 2 · 2[O2] = 8 k [SO2]2 · [O2].
Следовательно, k [SO2]2 · [O2]) / (k [SO2]2 · [O2]) = 8
Таким образом, при увеличении давления в 2 раза скорость реакции возрастает в 8 раз.
2. Окисление серы протекает по уравнению
S(ТВ.) + O2(г) → O2(г)
Как изменится скорость этой реакции при уменьшении давления в 3 раза?
Решение. В случае гетерогенных реакций в уравнения закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или растворе. Концентрация вещества твердой фазы на единице поверхности является постоянной величиной и входит в константу скорости, поэтому уравнение для скорости реакции образования оксида серы до изменения давления имеет вид
υ = k1 [O2],
после уменьшения давления в 3 раза: υ1 = k1 1/3[O2].
Следовательно, υ1/ υ = υ =(k1 1/3 [O2])/ (k1 [O2]) = 1/3.
Таким образом, при уменьшении давления в 3 раза скорость реакции уменьшится в 3 раза.