Раздел 3. Химическая кинетика

1. Закон действия масс. Кинетическая классификация химических реакций.

Химическая кинетика изучает скорость протекания химических реакций, зависимость скорости от различных факторов (концентрации реагирующих веществ, температуры, катализатора). О скорости химических реакций судят по изменению концентрации

реагирующих веществ в единицу времени: υ = ∆с /∆τ. Зависимость скорости реакции от концентрации определяется законом действия масс: при постоянной температуре скорость пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степени, равной стехиометрическому коэффициенту данного вещества в уравнении реакции. Для реакции общего вида

аА + вВ → dD закон действия масс математически записывается так:

υ = k ∙ C^a_A ∙ C^b_B, (27)

где C_A и C_B - концентрации веществ А и В;

k - константа скорости реакции.

В кинетическом отношении химические реакции делятся по признаку молекулярности и признаку порядка реакции. Молекулярность определяется числом молекул, участвующих в единичном акте химического взаимодействия. Порядок реакции равен сумме показателей степеней концентрации веществ в выражении закона действия масс (27). При вычислении констант скоростей используют уравнения: для реакций первого порядка

k = 1/τ (ln С_O/C) или k = 1/τ (ln (С_O/ С_O – X)) ; (28)

для реакций второго порядка

k = 1/τ ∙ (С₀ - С) / (С_о ∙ С) или k = 1/τ ·X / (С_O/ С_O – X), (29)

где С_о - начальная конценетрация исходного вещества;

С - концентрация исходного вещества к моменту времени τ ;

X = (С₀ - С) – уменьшение концентрации исходного вещества за промежуток времени τ.

Уравнения (28, 29) приведены для случая, когда начальные концентрации реагирующих веществ одинаковы. Иногда о скорости химической реакции судят по величине периода полураспада (τ_1/2 ) – это то время, в течение которого претерпевает превращение половина исходного вещества. Для τ_1/2 , С = С₀ / 2, тогда формулы (28) и (29) можно записать так:

τ_1/2 = lg2 / k и τ_1/2 = 1 / (k ∙C₀) (30)

Существует несколько методов нахождения порядка реакции. Наиболее простой - метод подстановок заключается в том, что подставляют экспериментальные данные С = f (τ) в кинетические уравнения разных порядков и находят, по какому из них расчет даст постоянную величину константы скорости.

При графическом варианте этого метода строят графики, выражающие зависимость концентраций от времени. Для реакции первого порядка зависимости ln C от τ ; второго – 1/С от τ. Там, где эта зависимость выражается прямой линией. Таков и порядок данной реакции.

В другом методе опытным путем находят зависимость времени полураспада от начальной концентрации вещества. Как видно из уравнений (30), для реакции первого порядка τ_1/2 не зависит от С⁰; для реакции второго порядка τ_1/2 =1/С⁰. Следовательно, надо экспериментально установить, пропорционально какой степени начальной концентрации изменяется время полураспада.