1.4. Основы химической кинетики. Химическое равновесие Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Скорость гомогенной реакции – это величина, численно равная изменению молярной концентрации любого из веществ, участвующих в реакции в единицу времени.

Средняя скорость реакции v_ср в интервале времени от t₁ до t₂ определяется соотношением:

.

Основные факторы, влияющие на скорость гомогенной химической реакции:

природа (состав и строение) реагирующих веществ;

концентрации реагентов;

давление (если в реакции участвуют газы);

температура;

наличие катализатора.

Все химические реакции по стадийности подразделяются на элементарные (одностадийные) и сложные (многостадийные). Большинство химических реакций представляет собой сложные процессы, протекающие в несколько стадий, т. е. состоящие из нескольких элементарных процессов.

Для элементарных реакций справедлив закон действующих масс: скорость химической реакции при данной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам.

Для элементарной реакции аА + bB → ... ее скорость согласно закону действующих масс выражается уравнением:

,

где с(А) и с(В) — молярные концентрации реагирующих веществ А и В; k – константа скорости данной реакции. Физический смысл константы скорости: она численно равна скорости химической реакции при концентрациях реагентов c(А) и c(В) = 1 моль/дм³. Величина константы скорости гомогенной реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры и наличия катализатора.

Большинство химических реакций являются сложными, протекающими через множество промежуточных стадий. В таком случае закон действующих масс применим только к каждой отдельной стадии, а скорость реакции в целом определяется скоростью самой медленной уу стадии.

В случае гетерогенных реакций в уравнение закона действующих масс входят концентрации не всех реагентов, а только газообразных или растворенных. Так, для реакции горения угля С _(к) + О_{2 (г)} → СО_{2 (г)} уравнение скорости имеет вид .

Пример 1.4.1. Константа скорости реакции 2NO _(г) + O_{2 (г)} → 2NO_{2 (г)} при некоторой температуре равна 0,8. Рассчитайте:

а) начальную скорость реакции, если начальные концентрации реагирующих веществ равны: c₀(NO) = 0,4 моль/дм³, c₀(O₂) = 0,3 моль/дм³;

б) скорость этой реакции в момент, когда количество NO в системе уменьшится на 25 %.

Решение.

1) Рассчитаем скорость данной реакции в первоначальный момент (v₀), подставив в выражение закона действующих масс начальные концентрации (c₀) веществ:

моль/(дм³ ∙ с).

2) Найдем изменение концентрации оксида азота(II) Δc(NO):

Поскольку количество NO уменьшилось на 25 %, то и его концентрация также уменьшилась на 25 %. Поэтому:

Δc(NO) = 0,25 ∙ c₀(NO) = 0,25 ∙ 0,4 моль/дм³ = 0,1 моль/дм³.

3) Из уравнения реакции найдём соответствующее изменение концентрации кислорода:

Δc(O₂) = Δc(NO) : 2 = 0,1 : 2 = 0,05 моль/дм³.

4) Найдем новые концентрации (с₁) реагирующих веществ:

с₁(NO) = с₀(NO) – Δc(NO) = 0,4 – 0,1 = 0,3 моль/дм³;

с₁(O₂) = с₀(O₂) – Δc(O₂) = 0,3 – 0,05 = 0,25 моль/дм³.

5) Рассчитаем новое значение скорости реакции:

моль/(дм³ ∙ с).

Пример 1.4.2. Как изменится скорость реакции

2NO _(г) + Cl_{2 (г)} → 2NOCl _(г), если:

а) увеличить давление в реакционном сосуде в 2 раза;

б) уменьшить объем сосуда в 4 раза?

Решение.

1) Обозначив начальные концентрации NO и Cl₂ как с₀(NO) и с₀(Cl₂), запишем выражение для скорости реакции в начальный её момент:

2) Поскольку давление в системе увеличивается в 2 раза, концентрации всех газообразных веществ в ней также увеличиваются в 2 раза и составляют:

c₁(NO) = 2c₀(NO), c₁(Cl₂) = 2c₀(Cl₂).

3) Учитывая, что константа скорости реакции k при увеличении давления не изменяется, подставим найденные новые значения концентраций c₁(NO) и c₁(Cl₂) в выражение закона действующих масс:

= =

= 8 · k · c₀²(NO) · c₀(Cl₂).

4) Найдем, во сколько раз v₁ больше v₀:

.

Следовательно, при увеличении давления в системе в 2 раза скорость реакции увеличится в 8 раз.

5) Поскольку при уменьшении объема сосуда в 4 раза концентрации всех содержащихся в нем газов увеличиваются в 4 раза, новые концентрации NO и Cl₂ будут равны:

c₁(NO) = 4·c₀(NO), a c₁(Cl₂) = 4·c₀(Cl₂).

6) Выполнив подстановку и расчеты, как в пунктах 3 и 4, получим , т. е. уменьшение объема сосуда в 4 раза приведет к увеличению скорости реакции в 64 раза.