Факторы, влияющие на скорость химической реакции

Скорость химических реакций зависит от многих факторов, главными из которых являются: концентрация исходных веществ, температура, природа исходных веществ и наличие в системе катализаторов.

Кроме того, скорость гетерогенных реакций зависит ещё от величины поверхности раздела фаз (чем больше площадь поверхности раздела, тем скорость реакции выше). Если в реакции участвуют твёрдые вещества, то можно сравнительно легко увеличить площадь поверхности раздела за счёт их измельчения или диспергирования.

Рассмотрим действие каждого из факторов в отдельности.

Влияние концентрации исходных веществ на скорость химической реакции

При увеличении концентрации исходных веществ скорость химической реакции возрастает. Математически это описывается с помощью закона действующих масс (30).

Для того, чтобы осуществилась химическая реакция, в первую очередь, необходимо столкновение (соударение) между собой молекул исходных веществ. Чем больше этих соударений осуществляется в единицу времени, тем выше скорость реакций. Количество соударений между молекулами напрямую зависит от их числа в реакционной системе. Чем больше количество исходных веществ находится в реакционном сосуде, т.е. чем больше их концентрация, тем чаще молекулы будут сталкиваться друг с другом и тем выше скорость реакции.

Влияние температуры на скорость химических реакций

Опытным путём было установлено, что скорость большинства химических реакций при повышении температуры на каждые 10^о возрастает в 2-4 раза. Математически это описывается с помощью правила Вант-Гоффа

(31),

где и , соответственно, скорость реакции при большей температуре t₂ и при меньшей температуре t₁;

γ – температурный коэффициент скорости химической реакции или коэффициент Вант-Гоффа.

Он определяется опытным путём и для каждой химической реакции имеет своё значение, которое лежит в интервале чисел (как целых, так и дробных) от 2 до 4. Коэффициент Вант-Гоффа показывает, как изменяется скорость реакции при изменении температуры на 10^оС. Например, если для какой-то реакции γ = 2, то это значит, что при повышении температуры на 10^оС скорость реакции возрастёт в 2 раза по сравнению с первоначальной, а при понижении температуры на 10^оС скорость реакции уменьшится в 2 раза.

Так как время протекания реакции обратно пропорционально скорости (чем выше скорость реакции, тем за более короткий отрезок времени она осуществляется), то правило Вант-Гоффа можно записать следующим образом:

(32),

где τ₁ – время протекания реакции при меньшей температуре t₁;

τ₂ – время протекания реакции при большей температуре t₂.

Таким образом, отношение скоростей химических реакций равно обратному отношению времён их протекания.

Увеличение скорости химической реакции с ростом температуры, на первый взгляд, можно объяснить возрастанием скорости теплового движения молекул исходных веществ. Вследствие этого при неизменном числе молекул возрастает количество соударений между ними, а значит и скорость химической реакции. Однако, как показали расчёты, общее число соударений между частицами в газовых и жидких средах уже при комнатной температуре за единицу времени велико. Если бы каждое из них приводило к протеканию химической реакции, то её скорость всегда была бы очень большой.

Установлено, что для многих реакций далеко не каждое соударение исходных веществ приводит к её протеканию. Это становиться возможным только в том случае, когда столкнувшиеся молекулы обладают достаточным запасом внутренней энергии. Если она у них больше или равна какой-то определённой величине, то реакция будет идти (в противном случае – нет). Такие молекулы называются активными, а столкновения между ними – эффективными. Обычно доля активных молекул, по сравнению с общим числом молекул, для большинства реакций невелика. Однако при увеличении температуры увеличивается запас энергии молекул. Всё большее их число становятся активными. Как следствие этого, возрастает доля эффективных соударений между молекулами в единицу времени, а значит и скорость химической реакции.