Хімічна кінетика

Тема 9. Швидкість хімічної реакції

Швидкість хімічної реакції. Константа швидкості. Молекулярність та порядок хімічної реакції. Аналіз кінетичних рівнянь реакцій першого, другого, третього порядку.

Література: 1ст.313-315, 341-354, 4ст.337-360, 1ст.405-414 4ст.384-393, 436-451.

Швидкістю хімічної реакції називається зміна концентрації реагуючої речовини за одиницю часу. Поступово зміна концентрації реагуючої речовини за одиницю часу зменшується, а отже, зменшується весь час і швидкість реакції від певної величини до нуля.

Середня швидкість хімічної реакції за певний проміжок часу t₂ – t₁:

V_сер. = ± (C₂ – C₁)/(t₂ – t₁),

де С₁ – концентрація реагуючої речовини до моменту часу t₁;

С₂ – концентрація цієї ж речовини до моменту часу t₂;

C₂ – C₁ – зміна концентрації реагуючої речовини за проміжок часу t₂ – t₁.

Істинну швидкість реакції в певний момент часу можна визначити за формулою:

V = ± dC/dt,

де dC нескінченно мала зміна концентрації реагуючої речовини за нескінченно малий проміжок часу dt.

Швидкість реакції завжди вважається додатною величиною. У тому випадку, коли швидкість реакції визначають через зміну концентрації вихідної речовини за одиницю часу (C₂ – C₁ < 0), праву частину рівнянь треба брати зі знаком мінус, а у випадку, коли швидкість реакції визначається через зміну концентрації продукту реакції, праву частину рівнянь слід брати зі знаком плюс.

Швидкість гомогенної реакції залежить від природи і концентрації реагуючих речовин, температури і природи каталізатору.

При сталій температурі швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин (закон діючих мас).

Закон діючих мас справедливий для реакцій, що протікають між ідеальними газами і в розбавлених розчинах.

Для реакції aA + bB = cC + dD істинну швидкість реакції згідно з законом діючих мас визначають за рівнянням

V = - dC_А/dt = kC ^a_AC ^b_B,

де dC_А – зміна концентрації реагуючої речовини А за нескінченно малий проміжок часу dt;

С_А – концентрація реагуючої речовини А в певний момент часу, моль/л;

С_В - концентрація реагуючої речовини В в певний момент часу, моль/л;

а – число молів речовини А;

b – число молів речовини В;

k – константа швидкості хімічної реакції.

Константа швидкості залежить від природи реагуючих речовин, температури і природи каталізатору і чисельно дорівнює швидкості реакції, якщо добуток концентрацій реагуючих речовин дорівнює одиниці:

V = - dC_А/dt = k.

При певній температурі константа швидкості визначає вплив природи реагуючих речовин на швидкість реакції.

Приклади розв’язання задач

Приклад 1. У скільки разів зміниться швидкість прямої і зворотної реакції в системі 2SO_2(г) + O_2(г) ↔ 2SO_3(г), якщо об’єм газової суміші зменшити в три рази? В який бік зміститься рівновага в системі?

Розв’язок: Згідно закону діючих мас швидкості прямої і зворотної реакцій будуть визначатись:

V^→ = k^→С²_SO2С_O2; V^← = k^← С²_SO3,

де k^→ і k^← константи швидкості, відповідно, прямої і зворотної реакцій. Для спрощення позначимо С_SO2 = а; С_O2 = в; С_SO3 = с. Тоді

V^→ = k^→а² в; V^← = k^← с².

Після зменшення об’єму гомогенної системи в три рази концентрація кожної з реагуючих речовин збільшується в три рази: С_SO2 = 3а; С_O2 = 3в; С_SO3 = 3с. При нових концентраціях швидкості прямої і зворотної реакцій будуть:

V^→_нов. = k^→(3а)² (3в) = 27 k^→а²в; V^←_нов. = k^← (3с)² = 9 k^← с² .

Отже, швидкість прямої реакції збільшилась в 27 разів, а зворотної – в 9 разів. При цьому рівновага зміщується в бік утворення SO₃ (праворуч).

Приклад 2. Константа рівноваги гомогенної системи

СО_(г) + Н₂О_(г) ↔ СО_2(г) + Н_2(г)

при 850^оС дорівнює 1. Обчислити концентрації всіх речовин при рівновазі, якщо вихідні концентрації С_СО = 3 моль/л, С_Н2О = 2 моль/л.

Розв’язок: При рівновазі швидкості прямої і зворотної реакцій рівні між собою, а відношення констант цих швидкостей є теж величиною постійною і називається константою рівноваги даної системи:

V^→ = k^→С_СОС_Н2О = k^←С_СО2С_Н2 = V^←

К_р = k^→/ k^← = С_СО2С_Н2 / С_СОС_Н2О.

В умові задачі дані вихідні концентрації , тоді як у вираз для К_р входять тільки рівноважні концентрації всіх речовин системи. Припустимо, що в момент рівноваги концентрація С_СО2 = х моль/л. Число молей утвореного водню при цьому буде теж х моль/л (бо за рівнянням реакції коефіцієнти перед СО₂ і Н₂ однакові). По такій же кількості молів СО і Н₂О витрачаються для утворення х молів СО₂ і Н₂. Отже, рівноважні концентрації всіх чотирьох речовин будуть:

С_{СО2, рівн.} = С_{Н2, рівн.} = х моль/л;

С_{СО, рівн.} = (3 – х) моль/л; С_{Н2О, рівн.} = (2 – х) моль/л.

Знаючи константу рівноваги, розрахуємо значення х , а потім рівноважні концентрації всіх речовин:

1 = х² / (3 – х)(2 – х)

х² = 6 – 2х – 3х + х²; 5х = 6, х = 1,2 моль/л

Таким чином, шукані рівноважні концентрації:

С_{СО2, рівн.} = С_{Н2, рівн.} = 1,2 моль/л;

С_{СО, рівн.} = 3 – 1,2 = 1,8 моль/л; С_{Н2О, рівн.} = 2 – 1,2 = 0,8 моль/л.