Лабораторная работа № 4 Кинетика гомогенных химических реакций

Цель работы: Ознакомление с основными закономерностями протекания гомогенных химических реакций и факторами, влияющими на скорость реакции.

Теоретическая часть

Гомогенными называются реакции, протекающие в одной фазе (в смеси газов, в жидком растворе или в твердой фазе).

Важнейшей количественной кинетической характеристикой любой химической реакции является ее скорость. Наиболее общим является определение скорости реакции r как скорости возрастания степени завершенности реакции  (греческая буква "кси"), которую называют химической переменной. Пусть в закрытой системе протекает химическая реакция

₁A₁ + ₂A₂ = ₃A₃ + ₄A₄ (1)

где A₁, A₂, ...,A_i - участники реакции; ₁, ₂ ,..., _i - стехиометрические коэффициенты. Тогда химическая переменная _i, характеризующая глубину протекания реакции по i-ому компоненту, определяется как

(2)

где N_i - число молей i-го компонента в момент времени t, N_i⁰ - число молей того же компонента в начальный момент времени (t = 0), _i - стехиометрический коэффициент при i-ом компоненте в уравнении реакции. Стехиометрические коэффициенты у исходных веществ берутся со знаком минус, а у продуктов реакции - со знаком плюс. При таком выборе знаков глубина протекания реакции всегда положительна независимо от участника реакции.

Скорость гомогенной химической реакции r определяется как скорость изменения глубины протекания реакции в единицу времени в единице объема:

(3)

где V - объем системы. Определенная таким образом скорость реакции не зависит от выбора компонента и будет практически одинаковой для разных веществ, участвующих в реакции. Дифференциальная форма уравнения (2) имеет вид

.

С его учетом из уравнения (3) для r , получаем

.

Величина 

(4)

называется скоростью реакции по i-ому компоненту. Она характеризует изменение количества i - ого вещества N_i (в молях) в единицу времени в единице объема. Таким образом, скорость реакции в целом и скорости реакции по отдельным компонентам связаны следующим соотношением

. (5)

Выражения (3) и (4) является строгими определениями скоростей реакций, справедливыми и для системы переменного объема.На практике часто пользуются более простым уравнением, пригодным для реакции в системе постоянного объема. Так как отношение N_i / V равно концентрации вещества C _i, то при постоянном объеме

(6)

Скорость реакции (при постоянном объеме) представляет собой изменение концентрации данного вещества в единицу времени.

Скорость реакции всегда положительная величина. В выражении (6) используют знак плюс, если скорость определяется по образующемуся в реакции веществу (продукту), и знак минус, если скорость определяется по расходующемуся в реакции веществу (реагенту). Этим учитываются разные знаки стехиометрических коэффициентов реагентов и продуктов реакции.

Уравнение (6) наиболее часто применяют для реакций в растворах и для реакций газов в замкнутых реакционных сосудах. Если концентрация измеряется в моль/л, а время в секундах, то скорость реакции имеет размерность моль/(лс).

Кинетический эксперимент заключается в том, что при проведении реакции по мере ее протекания анализируют тем или иным экспериментальным методом концентрации исходных веществ и продуктов реакции. Результаты такого эксперимента представляют в виде кинетических кривых образования и расходования соответствующих веществ. Под кинетической кривой понимают график зависимости концентрации реагента или продукта реакции от времени.