1.4. Химическая кинетика

Для решения задач этого раздела рекомендуем воспользоваться литературой 6, 7, 9.

Химическая кинетика изучает скорость химических реакций (υ), которая определяется как изменение концентрации реагирующих веществ или продуктов реакции в единицу времени в постоянном реакционном пространстве.

В общем случае υ ,

где ∆C – изменение концентрации; τ – время протекания реакции в секундах.

Скорость реакции зависит от:

1. концентрации реагирующих веществ;

2. природы реагирующих веществ;

3. температуры реакционной смеси;

4. наличия катализатора в системе.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации определяется законом действующих масс: скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам.

Математическое выражение закона действующих масс для системы аА + bB = cC + dD выглядит следующим образом:

,

где k – коэффициент пропорциональности или константа скорости, которая не зависит от концентрации, но зависит от природы реагирующих веществ, температуры и катализатора;

[А] и [В] – концентрации веществ А и В;

a, b – стехиометрические коэффициенты.

Влияние температуры на скорость химической реакции определяется правилом Вант-Гоффа: при изменении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции изменяется в 2-4 раза.

,

где υ₂ и υ₁ – скорости реакций при температурах Т₂ и Т₁ соответственно;

γ – температурный коэффициент Вант-Гоффа, который может принимать значения от 2 до 4;

∆Т = Т₂ –Т₁.

Если один из реагентов находится в твердой фазе (гетерогенная система), то скорость химической реакции зависит от общей поверхности твердого вещества или от степени его дисперсности. Однако в общем случае изучение скорости реакции проводят в условиях не изменяющейся поверхности. Тогда в выражение скорости реакции входит только концентрация жидкого или газообразного компонента и не входит площадь поверхности. Например, скорость реакции между поверхностью раскаленного угля и парами воды зависит только от концентрации водяного пара

.

В системах, где одно или несколько веществ являются газами, скорость химической реакции зависит также от внешнего давления. В этом случае в выражение скорости может быть введено значение парциального давления.

Пример 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакций в системе ⇄ , если объем газовой смеси уменьшить в три раза?

Решение: Обозначим концентрации реагирующих веществ: [SO₂] = а; [O₂] = b; [SO₃] = с. Согласно закону действия масс скорости прямой и обратной реакции до изменения объема имеют следующие выражения:

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза, т.е. [SO₂] = 3а; [O₂] = 3b; [SO₃] = 3с. Тогда при новых концентрациях скорости прямой и обратной реакций можно записать следующим образом:

= k (3a)² 3b = 27 k a² b; = k₁(3c)² = 9 k c²

Отсюда = 27 k a² b/ k a² b = 27;

= 9 k c²/ k₁ c² = 9.

Следовательно, скорость прямой реакции увеличится в 27 раз, а обратной – только в 9 раз.

Пример 2. Вычислить, во сколько раз увеличится скорость реакции, протекающей в газовой фазе, при повышении температуры от 30 до 70 °С.

Решение: Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа по формуле:

υ₂ = υ₁∙γ^∆T/10 = υ₁∙2^70-30/10 = υ₁∙2⁴ = 16∙υ₁

Следовательно, скорость реакции при температуре 70°С больше скорости реакции при температуре 30°С в 16 раз.