2.2. Химическая кинетика
2.2.1. Закон действия масс (закон Гультберга-Вааге)
Закон определяет зависимость скорости химической реакции от концентраций реагирующих веществ. Этот закон называется также основным кинетическим законом.
Пусть уравнение реакции имеет вид:
аА + bВ... = сС + dD,
где буквами a, b, c, d обозначены стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции (они могут принимать значения 1, 2, 3, 4...), буквами A, B, C, D – формулы веществ, участвующих в процессе (исходные веществ – слева А и В, и продукты реакции – справа С и D могут быть любыми). Тогда скорость реакции согласно основному кинетическому закону определяется как:
,
где
– скорость химической реакции получения
C
и D
из веществ А
и В;
[A]
и [B]
– молярные концентрации веществ A
и B,
единица измерения –
или
;
a
и b
– коэффициенты из уравнения реакции
становятся показателями степени; k
– константа скорости; она равна скорости
реакции при одномолярных концентрациях
веществ. Уравнение скорости называется
кинетическим уравнением.
2.2.2. Влияние температуры на скорость реакции
Шведским учёным С. Аррениусом установлена зависимость константы скорости реакции (а значит и скорости реакции) от температуры. Полученное им уравнение названо его именем:
или
,
где
k0
– предэксионенциальный множитель; R
– универсальная газовая постоянная
(8,31
);
Еа
– энергия активации реакции (
).
Энергия активации реакции – это избыточное количество энергии, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества (продукта реакции). Значение Еа определяется природой реакции и лежит в пределах 40─400 кДж/моль.
Используя зависимость Аррениуса для определения константы скорости реакции при разных температурах, можно получить уравнение, позволяющее определить либо энергию активации (при известных константах скорости), либо рассчитать отношение констант скорости при двух температурах:
.
Здесь k1 и k2 – константы скорости реакции при температурах Т1 и Т2 соответственно; коэффициент 2,3 появляется при переходе от натурального логарифма (ln) и десятичному (lg).
Аппроксимируя сложную зависимость Аррениуса более простой, голландский учёный Вант-Гофф предложил правило, согласно которому повышение температуры на каждые 100С повышает скорость реакции в несколько раз. Это означает, что с ростом температуры увеличивается константа скорости реакции:
,
где
и
– скорости реакции при температурах
и
соответственно;
k1
и k2
– константы скорости реакции при
температурах
и
;
(гамма) – температурный коэффициент
скорости химической реакции. Он
показывает, во сколько раз увеличится
скорость реакции при повышении температуры
на каждые 10°С.
Для большинства реакций температурный
коэффициент принимает значения от 1,5
до 4.
Согласно правилу Вант-Гоффа величина для каждой реакции имеет своё значение. Однако на практике это не всегда выполняется. Обычно значение температурного коэффициента уменьшается при повышении температуры. В связи с этим правило рекомендуют использовать лишь для узких диапазонов температур, т.к. в этом случае изменением величины можно пренебречь.