Практическая работа 7. Скорость химических реакций

Цель работы

Научиться рассчитывать величину скорости химической реакции, величину изменения скорости реакции в зависимости от различных факторов;

Пояснения к работе

Скорость химической реакции определяется как количество вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема (для гомогенной реакций) или на единице площади поверхности раздела фаз (для гетерогенных реакций).

Если концентрация одного из продуктов реакции увеличилась от С₁ до С₂ за промежуток времени от t₁ до t₂ , то в соответствии с определением, скорость реакции равна:

v= (С₂-С₁)/(t₂-t₁) = ΔС/Δt.

Если концентрация одного из реагирующих веществ уменьшилась от С₂ до С₁ за промежуток времени от t₁ до t₂ , то в соответствии с определением, скорость реакции равна:

v= -(С₂-С₁)/(t₂-t₁) = -ΔС/Δt.

Знак "−" в правой части уравнения обозначает следующее. По мере протекания реакции (t₂ - t₁ > 0) концентрация реагентов убывает, следовательно, С₂ - С₁ < 0, а так как скорость реакции всегда положительна, то перед дробью следует поставить знак"-".

Здесь С – молярная концентрация реагентов, которую выражают в моль/л,

соответственно, скорость реакции выражают в молъ/(л∙с).

Расчет средней скорости реакции.

Если известны величины концентрации какого-либо из реагирующих веществ в начальный момент времени и через определенный промежуток, то можно легко рассчитать среднюю скорость реакции. Для этого нужно воспользоваться определением скорости и соответствующей расчетной формулой:

v= -(С₂-С₁)/(t₂-t₁) = -ΔС/Δt

Например,

определить среднюю скорость химической реакции А + В = D, протекающей в растворе, если известно, что исходная концентрация вещества В равнялась 1 моль/л. Через 10 минут концентрация вещества В уменьшилась до 0,25 моль/л.

Записываем краткое условие задачи и подставляем данные в расчетную формулу.

Дано:                                                             Решение:

C₁(В) = 1 моль/л v= -(С₂-С₁)/(t₂-t₁) = -ΔС/Δt

С₂(В) = 0,25 моль/л v_{реакции} = - (0,25 – 1)/600 =

Δt = 10мин = 600с =0,75/600 =1,25( молъ/(л∙с)).

Найти:

v_{реакции} Ответ: v_{реакции}=1,25( молъ/(л∙с)).

Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ и от условий, в которых реакция протекает. Важнейшими из них являются: концентрация, температура и присутствие катализатора. Для гетерогенных реакций еще и площадь поверхности раздела фаз, так как реакция протекает именно на этой поверхности, а не во всем объеме системы.

Можно рассчитать, во сколько раз изменится значение скорости при изменении величин концентраций реагирующих веществ, при изменении температуры и при изменении площади поверхности для гетерогенных реакций.

Расчет зависимости скорости от концентрации

Количественно зависимость между скоростью реакции и молярными концентрациями реагирующих веществ описывается основным законом химической кинетики — законом действующих масс.

Скорость химической реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции, записанной в общем виде

А + В = D

в соответствии с законом действующих масс зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ может быть представлена в виде

v = k C_A C_B

Здесь k — коэффициент, не зависящий от концентрации, называемый константой скорости.

Гораздо реже реакция осуществляется путем столкновения трех реагирующих частиц. Например, реакция типа

А + 2В = D

может протекать по механизму тройных столкновений:

А + В + В = D.

В этом случае, в соответствии с законом действия масс, можно записать

v = k C_A C_B C_B = k C_A C_B²

Одновременное столкновение более чем трех частиц крайне маловероятно. Поэтому реакции, в уравнения которых входит большое число частиц, протекают в несколько стадий. Показатели степеней в выражении закона действующих масс в случае сложных реакций определяются экспериментально.

При расчетах используются молярные концентрации веществ, находящихся в растворе или в газовой фазе. В случае гетерогенных реакций концентрации веществ в твердой фазе обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в выражение закона действующих масс.

Для того, чтобы определить, во сколько раз изменится скорость реакции при известном изменении концентрации, пользуются арифметическим приемом: делят одну величину на другую.

Приведенные расчеты справедливы только для простых реакций, протекающих в одну стадию

Например,

Во сколько раз увеличится скорость реакции 2А + В = D , если концентрацию вещества А увеличить в 3 раза, а концентрацию вещества В не изменять.

Дано:                                                 Решение:

С₂(А) = 3C₁(A)              v₂ =k C₂²(A) C₂(B);         v₁ =k C₁²(A) C₁(B)

                                                      

Найти:                                          v₂      C₂²(A) C₂(B)

                                                                                               =

v₂/v₁                                                                         v₁      C₁²(A) C₁(B)

                                                                                  

                                                      v₂           3^{2     ∙}      1

                                                                                               =

                                                                                v₁         1^{2     ∙}       1

                                                      v₂           

                                                                                               = 9

                                                                                v₁             

Ответ: скорость реакции увеличится в 9 раз.