4.1 Скорость химической реакции

Химическая кинетика - наука о механизмах и скоростях химических реакций.

Скорость химической реакции измеряется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени в единице объема системы (для гомогенной реакции) или на единице площади поверхности раздела фаз (для гетерогенной реакции).

Факторы, влияющие на скорость химической реакции:

1) природа реагирующих веществ;

2) концентрация реагирующих веществ;

3) температура;

4) давление (для газов);

5) присутствие катализатора.

6) поверхность контакта реагирующих веществ (для гетерогенных реакций).

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс: скорость реакции пропорциональна произведению молярных концентраций всех реагентов, в степенях, равным стехиометрическим коэффициентам

В общем виде для гомогенной реакции:

аА + вВ = dD + fF

υ = k[A]^a ∙[В]^в, (1)

где [A] и [В] – концентрации вещества А и В, моль/л;

а и в − стехиометрические коэффициенты;

k − коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции, зависит от природы реагирующих веществ, температуры.

В уравнении (1) входят концентрации жидких и газообразных веществ и не входят концентрации твердых веществ.

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10° скорость большинства химических реакций возрастает в 2-4раза.

= ∙

где γ – температурный коэффициент, показывающий, во сколько раз изменится скорость химической реакции при повышении температуры на 10⁰С;

t₂ и t₁ – конечная и начальная температуры;

− скорости при соответствующих температурах.

Пример 1. Написать выражения закона действующих масс для реакций:

а) 2NO_(г) + Cl_2(г) = 2NOCl_(г)

б) СaCO_3(тв) = CaO_(тв) + СО_2(г)

Решение:

а) υ=k∙([NO])²∙[Cl₂]

б) Так как CaCO₃ – твердое вещество, концентрация которого не изменяется в ходе реакции, выражение будет иметь вид:

υ=k

Пример 2. Как изменится скорость реакции

4НС1_(г) + О_2(г) = 2С1_2(г) + 2Н₂О_(г),

если: а) увеличить концентрацию хлороводорода в 3 раза;

б) увеличить давление в системе в 2 раза?

Решение:

Скорость данной реакции, согласно закону действующих масс, описывается уравнением:

υ₁=k∙([HCl])⁴∙[O₂]

a). После увеличения концентрации НС1 в 3 раза, скорость реакции будет равна:

υ₂=k∙(3[HCl])⁴∙[O₂]=81∙k∙([HCl])⁴∙[O₂]

Следовательно, при увеличении концентрации в 3 раза скорость реакции возрастет в 81 раз.

б). Увеличение давления в 2 раза равноценно увеличению концентрации всех газообразных веществ в такое же число раз. Поэтому изменение скорости реакции равно:

υ₃=k∙(2[HCl])⁴∙2([O₂])=32∙k∙([HCl])⁴∙[O₂]

Следовательно, при увеличении давления в 2 раза, скорость данной реакции увеличивается в 32 раза.

Пример 3. Как изменится скорость химической реакции при повышении температуры с 20 до 60°С, если температурный коэффициент реакции равен 2?

Решение:

Используя уравнение Вант Гоффа = ∙

получим:

= ∙ = ⁴=16∙

Таким образом, при повышении температуры с 20 до 60°С скорость химической реакции возрастает в 16 раз.

Пример 4. Некоторая реакция при температуре 20⁰С завершается в течение 10 часов. Температурный коэффициент γ=2. Сколько времени потребуется для окончания этой реакции при 100⁰С?

Решение:

1. По уравнению Вант Гоффа определим, во сколько раз изменится скорость химической реакции при повышении температуры с 20 до 100⁰С.

= ∙ = ⁸=256∙

2. Время, необходимое для завершения этой реакции, составляет:

= 2,3 минуты или 138 секунд.