Тема 5. Хімічна кінетика

Предмет хімічної кінетики. Швидкість хімічної реакції. Закон діючих мас. Молекулярність і порядок реакції. Односторонні реакції першого, другого і третього порядку. Період напіврозпаду. Вплив температури на швидкість хімічних реакцій. Правило Вант-Гоффа. Рівняння Ареніуса.

Хімічна кінетика вивчає швидкість і механізми хімічних реакцій, а також залежність швидкості реакції від різноманітних факторів.

Розрізняють середню( ) і істину( ) швидкість реакції. Середня швидкість – зміна концентрації реагуючих речовин у заданому інтервалі часу :

С₂ і С₁ –відповідно концентрації речовин в моменти і .

Істина швидкість – швидкість в даний момент часу як перша похідна концентрації С у часі:

= .

Знак + відноситься до речовини що утворюється, а знак – до вихідної речовини.

Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагуючих речовин виражається законом діючих мас: швидкість реакції прямо пропорційна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин, які взяті у ступенях їх стехіометричних коефіцієнтів. Для реакції аА+вВ+сС:

.

Коефіцієнт пропорційності К зветься константою швидкості реакції. Її фізичний сенс - це швидкість реакції при концентраціях реагуючих речовин 1 моль/л. Константа швидкості залежить від природи реагуючих речовин і температури.

Показники ступенів а,b,с звуться порядком реакції за речовинами (частковий порядок), а їх сумарне значення зветься загальним порядком реакції. Порядок реакції може бути нульовим, цілочисельним і дробовим.

Молекулярність реакції – число молекул, що беруть участь в елементарному акті хімічної взаємодії. Відповідно розрізняють одно-, бі- і тримолекулярні реакції.

Якщо реакція одночасно перебігає у прямому і зворотному напрямках вона зветься оборотною. У принципі усі реакції є оборотними, але у деяких реакціях рівновага сильно зміщена у бік утворення продуктів і вони за певних умов перебігають до практично повного зникнення вихідних речовин. Такі реакції звуть необоротними, або односторонніми.

Односторонніми реакціями першого порядку є в основному реакції розкладання, наприклад:

CaCO₃ = CaO +CO₂.

Константа швидкості реакції першого порядку:

, ,

С₀ - початкова концентрація речовини, моль/л;

С_x - кількість речовини, що прореагувала до моменту часу t від початку, моль/л.

Константа швидкості реакції другого порядку, типу H₂ + I₂ = 2HI:

, ?

якщо початкові концентрації речовин однакові:

.

Для реакції третього порядку, наприклад 2NO + O₂ = N₂O₄, якщо концентрації усіх речовин однакові:

, .

Іноді швидкість реакції оцінюють за періодом напіврозпаду – часом, за який прореагує половина вихідної речовини. Для періоду напіврозпаду С=С₀/2, тоді для реакцій першого, другого і третього порядку маємо кінетичні рівняння:

; ; .

Швидкість хімічної реакції в значній мірі залежить від температури. Для приблизного оцінювання впливу температури на швидкість хімічної реакції у незначному температурному інтервалі і при порівняно низьких температурах можна використовувати правило Вант-Гоффа: при збільшені температури на 10К швидкість реакції збільшується у 2-4 рази:

.

K_T1 і К_T2 - швидкості реакції при температурах Т₁ і Т₂;

=2-4 - температурний коефіцієнт швидкості реакції.

Більш точно залежність константи швидкості реакції від температури передається рівнянням Арреніуса:

.

У цьому рівнянні:

К - константа швидкості;

К₀ - предекспоненційний множник;

Е - енергія активації – кількість енергії, яка необхідна щоб перевести один моль молекул, що знаходяться у нормальному стані, в особливо активну, реакційно здатну форму, Дж/моль.

Якщо відомі константи швидкості реакції K_T1 і К_T2 при двох температурах Т₁ і Т₂ , енергію активації можна обчислити за рівнянням:

.