Лекція з теми «хімічна кінетика»
Програмні питання:
8.1 Закон діючих мас
8.2 Залежність швидкості реакції від температури
8.3 Гомогенний і гетерогенний каталіз
8.4 Оборотні хімічні процеси. Хімічна рівновага
8.5 Зміщення рівноваги. Принцип Ле Шательє
8.5.1 Вплив зміни концентрації на рівновагу
8.5.2 Вплив зміни тиску на рівновагу
8.5.3 Вплив зміни температури на рівновагу
Хімічна кінетика – вчення про швидкість хімічних реакцій та про вплив на них різних факторів.
Швидкість хімічної реакції вимірюється зміною концентрації однієї з реагуючих речовин ΔС за одиницю часу Δτ
знак " + " для продуктів реакції;
знак “ – “ для вихідних речовин.
Треба розрізняти реакції, що відбуваються в гомогенній системі і реакції, що відбуваються в гетерогенній системі.
Системою в хімії називають тіло або сукупність тіл, відокремлених від навколишнього середовища фізичними або уявними межами розділу.
Гомогенні системи – однорідні, тобто такі, що складаються з однієї фази (суміш газів, розчини кількох речовин в одному розчиннику.
Гетерогенні системи – системи, що складаються з кількох фаз (вода з льодом, вугілля в атмосфері повітря).
Фаза – частина системи, відокремлена від інших її частин поверхнею розділу (наприклад, в системі вугілля –повітря є дві фази: тверда фаза – це вугілля і газувата фаза – це повітря).
Швидкість хімічних реакція залежить від ряду факторів:
природи реагуючих речовин,
концентрації реагуючих речовин,
тиску (якщо в реакції беруть участь газоподібні речовини),
температури,
величини поверхні реагуючих речовин,
каталізатора.
Найважливішим фактором є природа реагуючих речовин.
8.1 Закон діючих мас
Необхідною умовою хімічної взаємодії є зіткнення частинок (атомів, молекул, йонів). Швидкість реакції пропорційна до числа зіткнень, а число зіткнень тим більше, чим вища концентрація кожної із реагуючих речовин.
Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагуючих речовин визначається законом діючих мас (концентрацій) (К.Гульдберг та П.Вааге, 1867 р.):
При сталій температурі швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добуткові концентрації реагуючих речовин, взятих у степенях, які дорівнюють стехіометричним коефіцієнтам у відповідному рівнянні реакції
Для гомогенної реакції в загальному вигляді
а А(г) + b В(г) = с С(г) + d D(г)
υпр = kпр · [А]а · [В]b
(г) – газуватий стан речовини.
kпр – коефіцієнт пропорційності, чисельно рівний швидкості реакції, якщо концентрації реагуючих речовин рівні 1 моль/дм3.
Концентрації реагуючих речовин інколи називають діючими масами. У гомогенній системі реакція відбувається у всьому об’ємі цієї системи. Наприклад, при перемішуванні розчинів АgNО3 та NаСl помутніння від утворення АgСl спостерігається у всьому об’ємі розчину.
У гетерогенній системі реакція відбувається тільки на поверхні поділу фаз, що утворюють систему. Наприклад, реакція горіння вугілля проходить на поверхні шматка вугілля, тому що тільки тут відбувається зіткнення молекул реагуючих речовин. Такого типу реакції можна прискорювати, якщо збільшити площу стикання реагуючих речовин (подрібнити тверду фазу). Тому швидкість хімічної реакції в гомогенній системі та в гетерогенній системі визначається різними способами. Так, для реакції
2Н2(г) +О2(г) = 2Н2О(г)
закон діючих мас можна записати :
υпр. = kпр [H2]2·[O2]
[H2], [O2] – концентрація водню та кисню в даний момент.
В гетерогенній реакції концентрації твердої фази, як правило, не змінюється і тому у виразі швидкості реакції не враховується.
Приклад 1. Записати вираз рівняння швидкості для прямої реакції :
а) N2(г) + 3Н2(г) = 2NН3(г)
б) CaCO3 (к) → СаО(к) + СО2(г)
Розв’язoк:
а) υпр. = kпр [N2]·[H2]3
б) оскільки кальцій карбонат тверда речовина і концентрація її в процесі реакції не змінюється, вираз рівняння швидкості матиме вигляд: υпр. = kпр,
тобто швидкість деякої реакції за певної температури є величиною сталою.
Приклад 2. Як зміниться швидкість прямої реакції
2СО(г) + О2(г) = 2СО2(г)
якщо об’єм, в якому відбувається реакція, збільшити вдвічі?
Розв’язок: Згідно з законом діючих мас швидкість υ прямої реакції до зміни об’єму:
υ = kпр [CO]2 [О2]
Якщо збільшити об’єм вдвічі, то концентрація кожної із реагуючих речовин зменшиться у два рази. При нових концентраціях швидкість прямої реакції (υ'):
υ' = kпр [1⁄2 СO]2 · [1/2 О2] = 1⁄8 kпр [СО]2[O2]
Отже, швидкість прямої реакції зменшиться у 8 разів.
Приклад 3. Як зміниться швидкість реакції:
Fe2O3(k) + 3H2(г) → 2Fe(k) + 3H2O(г)
якщо початковий тиск в системі збільшити втричі?
Розв’язок. До зміни тиску в системі швидкість реакції:
υпр. = k[H2]3
(Від концентрації твердої речовини швидкість реакції не залежить).
При збільшенні тиску втричі збільшиться концентрація реагуючих речовин втричі. При нових концентраціях швидкість реакції (υ'):
υ' = k [3H2]3 = 27 [H2 ]3
Отже, швидкість реакції зросте у 27 разів.