11. Швидкість хімічної реакції

Швидкістю хімічної реакції и називають зміну концентрації будь-якої речовини, яка бере участь у реакції, за одиницю часу :

Як правило, швидкість реакції обчислюють за концентраціями вихідних речовин і тому похідна dс/d? від'ємна, оскільки концентрації цих речовин з часом зменшуються. Тому в правій частині рівняння (3.1) стоїть знак мінус. Швидкість реакції завжди додатна.

В основі одпостадійних реакцій лежить закон дії мас (закон Гульдберга і Вааге), згідно з яким швидкість хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин. Причому кожну з концентрацій беруть у ступені, що дорівнює стехіометричному коефіцієнту, який стоїть перед формулою даної сполуки в реакції (n1 n2, n3,....0)

Коефіцієнт пропорційності К для даної реакції при сталій температурі є величиною сталою, його називають константою швидкості реакції, оскільки вона не залежить від концентрації реагуючих речовин і часу. Із рівняння випливає, що при С] = С2 = С3 = 1 швидкість реакції чисельно дорівнює константі швидкості, яку іноді називають питомою швидкістю реакції.

Відносно кінетики хімічні реакції поділяють за ознакою молекулярності та порядку реакції. За кількістю молекул, що беруть участь в елементарному хімічному акті, визначають молекулярність реакції Молекулярність реакції завжди є цілим додатним числом: 1, 2, рідко 3. За цією ознакою розрізняють моно-, бі-, тримолекулярні реакції. Реакції вищої молекулярності па практиці не трапляються. Це пояснюється тим, що вірогідність одночасного зіткнення чотирьох і більше молекул дуже мала.

У більшості випадків за рівнянням реакції неможливо дійти висновку про її молекулярність, оскільки воно не відбиває наявності проміжних стадій. Багатостадійність реакції не дає можливості вивчити кінетику процесу взагалі. З огляду на це кінетичні реакції зручніше характеризувати не молекулярністю, а порядком.

Порядок реакції визначається за рівнянням, яке виражає залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин і дорівнює сумі показників ступенів концентрацій. У багатостадійних реакціях загальна швидкість процесу визначається стадією з найбільш малою константою швидкості. Таку стадію називають лімітуючою. Сукупність усіх стадій, з яких складається процес перетворення вихідних речовин у продукти реакції, називають механізмом хімічної реакції. Для складних реакцій молекулярність і порядок, як правило, не збігаються. Отже, порядок реакції характеризує формальну кінетичну залежність швидкості реакції від концентрації реагуючих речовин, а молекулярність — елементарний механізм окремої стадії складного процесу. Ці поняття збігаються тільки для простих за механізмом реакцій.

З підвищенням температури швидкість хімічної реакції, як правило, зростає. Для приблизної оцінки вилину температури на швидкість реакції для невеликого інтервалу низьких температур можна використовувати правило Вант-Гоффа, згідно з яким підвищення температури па 10°С збільшує швидкість хімічної реакції у 2—4 рази:

Розглянемо фізичний зміст поняття «енергія активації». Згідно з теорією Арреніуса хімічна взаємодія відбувається лише при зіткненні частинок з достатньо високим рівнем кінетичної енергії. Такі молекули (частинки) називають активними, або реакційноздатними. Щоб молекули могли вступити у хімічну взаємодію, вони повинні мати певний надлишок енергії порівняно з її середнім значенням. Цей мінімальний надлишок енергії у перерахунку на один моль речовини називається енергією активації Е.