8 Скорость химических реакций

Реакции могут протекать с различными скоростями. Скорость реакции в первую очередь зависит от природы реагирующих веществ, а также от условий проведения реакции (концентрации реагентов, температуры, давления и т.д.).

Реакции называются гомогенными (однофазными), если реагирующие молекулы находятся в одной фазе (жидкой или газообразной). Такие реакции протекают во всем объеме системы, и их скорость измеряется изменением концентрации одного из веществ, участвующих в процессе, за единицу времени. Концентрация выражается в моль/дм³, а время – в минутах или секундах, поэтому размерность скорости реакции [моль/дм³·с] или [моль/дм³·мин].

Реакции называются гетерогенными, если реагирующие вещества находятся в разных фазах. Они идут на поверхности раздела, где соприкасаются реагирующие вещества, и их скорость измеряется количеством вещества вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единице поверхности:

,

(8.1)

где – площадь поверхности. Размерность скорости гетерогенной реакции [моль/м²·с] или [моль/см²·с].

Скорость реакции зависит от числа столкновений между молекулами реагирующих веществ, которые возрастают при увеличении их концентрации. Закон действующих масс формулируется так:

При постоянной температуре скорость химических реакций прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, в степени некоторых чисел, определяемых экспериментально.

Для реакции, протекающей по уравнению , математическое выражение закона действующих масс имеет вид:

(8.2)

где – скорость реакции; – концентрации реагентов – коэффициенты в уравнении (8.2), определяемые экспериментально;

– константа скорости реакции (зависит от температуры и природы реагирующих веществ, но не зависит от их концентраций). Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ, равных единице.

Примечание. Для простых (или элементных) реакций скорость реакции пропорциональна произведению концентрации реагентов возведённых в степени равных их стехиометрическим коэффициентам.

При гетерогенной реакции концентрация веществ, находящихся в твердой фазе, постоянна и не входит в выражение закона действующих масс.

Пример 1. Как изменится скорость гомогенной реакции если объём газовой смеси уменьшить в три раза, а реакцию считать простой?

Обозначим начальные концентрации реагирующих веществ Согласно закону действия масс скорость реакции до изменения объема равна: После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза: При новых концентрациях:

Отношение скоростей реакций составит:

Следовательно, скорость реакции увеличится в 27 раз.

Пример 2. Реакция между веществами протекает по уравнению 2А+В=С. Начальные концентрации равны (в моль/дм³): Константа скорости реакции равна Вычислите скорость реакции в начальный момент и в момент, когда в реакционной смеси останется 40 % вещества . Реакцию считать простой.

Такие задачи удобно решать, используя таблицу, в которую вносят – начальные концентрации веществ; – их изменение в процессе реакции; –концентрации веществ в конечный момент, когда в реакционной смеси останется 40% вещества , что составляет моль/дм³. Тогда изменение концентрации вещества составит моль/дм³. Из уравнения реакции видно, что вещества взаимодействуют в соотношении 2:1, поэтому концентрация уменьшилась на моль/дм³ и стала равной моль/дм³.

Запишем закон действия масс для нашей реакции: Концентрации исходных веществ внесем в таблицу:

Концентрации, моль/дм3	Вещества
	6	3
	3,6	1,8
	2,4	1,2

На основании найденных начальных и конечных концентраций рассчитываем скорости реакций (в моль/дм³ ·с):

Результаты расчета показывают, что скорость реакции с течением времени уменьшается, так как вещества расходуются в процессе реакции.

Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа, согласно которому

(8.3)

где и – скорости реакции при температурах ; – температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10 градусов.

Пример 3. Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 40 до 70 °С, если температурный коэффициент равен 2?

Согласно правилу Вант-Гоффа:

.

Следовательно, скорость реакции увеличится в 8 раз.

Минимальная избыточная энергия, по сравнению со средней, которой должны обладать молекулы, чтобы реакция между ними стала возможной, называется энергией активации Рассчитывают её по уравнению Аррениуса, если известны значения констант скоростей при температурах :

(8.4)

где – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль·К.

Пример 4. Рассчитайте энергию активации реакции, если константы скоростей при 273 и 283 К соответственно равны 4·10^–5 и 8·10^–5.

Из (8.4) энергия активации:

.

Подставив данные, получим:

Контрольные задания

Примечание. Все реакции, включенные в эти задания, принимать как условно простые.

141. Реакция идёт по уравнению Как изменится скорость реакции, если давление увеличить в 3 раза и одновременно повысить температуру на 30 °С? Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. Ответ: увеличится в 729 раз.

142. Реакция протекает по уравнению Как изменится скорость реакции при уменьшении давления в системе в 2 раза и одновременном понижении температуры на 40 °С? Температурный коэффициент скорости реакции равен 2. Ответ: уменьшится в 128 раз.

143. Скорость реакции возросла в 243 раза . На сколько градусов была повышена температура? Ответ: на 50 °С.

144. Реакция протекает по уравнению Как изменится скорость реакции, если концентрацию азота увеличить в 4 раза, а концентрацию водорода – в 2 раза? Ответ: возрастает в 32 раза.

145. Реакция протекает по уравнению Начальные концентрации реагирующих веществ (моль/дм³): Как изменится скорость реакции, если концентрацию вещества увеличить до 0,9, а вещества – до 1,2 моль/дм³? Ответ: возрастёт в 3,4 раза.

146. Реакция протекает по уравнению Начальные концентрации реагирующих веществ (моль/дм³): Как изменится скорость реакции, если концентрацию вещества А уменьшить до 1,5, а В – до 4 моль/дм³? Ответ: уменьшится в 5,6 раза.

147. Уравнение реакции разложения Константа скорости равна 5·10^–4. По истечении некоторого времени концентрация стала равной 3 моль/дм³. Какова начальная скорость реакции, если отношение конечной скорости к начальной равно 0,36? Ответ: 0,0125 моль/дм³·мин.

148. Омыление этилацетата выражается уравнением:

Начальная концентрация эфира – 0,02 моль/дм³, щёлочи – 0,1 моль/дм³. По истечении некоторого времени прореагировало 75% эфира и скорость реакции стала равной 2,0·10^–4 моль/дм³·мин. Вычислите начальную скорость реакции. Ответ: 3,2·10^–3 моль/дм³·мин.

149. Реакция между веществами выражается уравнением Константа скорости равна 0,7. Начальная концентрация вещества равна 0,6 моль/дм³. После того как прореагировало 40 % вещества , концентрация стала равной 0,3 моль/дм³. Найдите начальную скорость и скорость реакции в тот момент, когда прореагирует 40 % вещества .

Ответ: 0,105; 0,0315 моль/дм³·мин.

150. Реакция между веществами протекает по уравнению Начальные концентрации реагирующих веществ (моль/дм³): Константа скорости равна 0,5. Вычислите скорость химической реакции в начальный момент и в тот момент, когда в реакционной смеси останется 45% вещества . Ответ: 90; 0,28 моль/дм³·с.

151. Реакция протекает по уравнению Как изменится скорость реакции при уменьшении давления в системе в 4 раза и одновременном понижении температуры на 20⁰С? Температурный коэффициент скорости равен 3. Ответ: уменьшится в 576 раз.

152. Реакция протекает по уравнению Концентрации веществ равны 0,5 и 0,1 моль/дм³. Вычислите константу скорости реакции, если скорость реакции равна 5·10^–3 моль/дм³·мин. Ответ: 0,2.

153. Как изменится скорость реакции протекающей в газовой фазе, если увеличить в три раза: а) концентрацию O₂, б) концентрацию , в) давление? Ответ: увеличится; а) в 3 раза; б) 81 раз; в) в 243 раза.

154. Реакция протекает по уравнению Константа скорости реакции равна 0,16. Начальные концентрации веществ были (моль/дм³): ; . Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда стала равной 0,03 моль/дм³.

Ответ: 3,2·10^–4; 1,9·10^–4 моль/дм³·с.

155. Реакция протекает по уравнению Константа скорости равна 0,4, а начальные концентрации (моль/дм³): Вычислите скорость реакции в начальный момент и после того, как прореагирует 0,1 моль/дм³ вещества А. Ответ: 0,03; 0,0072 моль/дм³·с.

156. Реакция протекает по уравнению . Константа скорости реакции равна 5·10^–4 . Начальная концентрация равна 3,2 моль/дм³. Вычислите скорость реакции в начальный момент и в тот момент, когда разложится 25 % . Ответ: 51,2·10^–4; 28,8·10^–4 моль/дм³·мин.

157–160. Константа скорости реакции при равна , а при . Энергия активации реакции кДж/моль. Вычислите величины, обозначенные вопросом.

№ задачи
157	30	0,02	60	?	63
158	20	0,03	50	0,4	?
159	0	4·10–5	7	7,7·10–5	?
160	25	2·10–3	15	?	103,5

Ответы: 157) 0,19; 158) 67,9 кДж/моль; 159) 59,4 кДж/моль; 160) .