2. Факторы, влияющие на скорость химических реакций

Скорость реакций может зависеть от множества факторов:

• природы и концентрации реагирующих веществ;

• давления (в реакциях с участием газов);

• температуры;

• присутствия катализатора или ингибитора;

• наличия примесей и их концентрации;

• природы растворителя (для реакций в растворах);

• от поверхности реагирующих веществ (для гетерогенных систем: газ – жидкость или твёрдое тело; жидкость – твёрдое тело; несмешивающиеся жидкости; твёрдые тела (процессы трения, реакция компонентов пороха);

• степени дисперсности жидких и твёрдых веществ;

• формы и материала реактора (для радикальных реакций);

• света (для фотохимических реакций);

• мощности дозы излучения (для радиационных реакций);

• потенциалов электродов (для электрохимических реакций) и др.

Однако основными факторами, которые учитывают почти во всех химических реакциях, являются природа и концентрация реагирующих веществ, давление (в реакциях с участием газов), температура, наличие катализатора и ингибитора.

2.1. Влияние природы реагирующих веществ

Природа реагирующих веществ – это не только состав, но и тип частиц, которые участвуют в реакции: атомы, молекулы, ионы, радикалы.

Химические реакции между ионами и радикалами протекают быстро, а между молекулами, где необходим разрыв ковалентных связей обычно медленно.

Например:

а) H+ + OH– → H2O б) H· + Cl· → HCl в) H2 + I2 → 2HI

(ионная реакция); (радикальная реакция); (молекулярная реакция).

2.2. Влияние концентрации реагирующих веществ. Константа скорости химической реакции

Элементарный акт химической реакции осуществляется в момент столкновения частиц. При увеличении концентрации реагирующих веществ происходит увеличение числа частиц в объёме, что приводит к более частым их столкновениям, а следовательно, к увеличению скорости реакции. Количественная зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ выражается основным законом химической кинетики, называемым законом действующих масс (или законом действия масс¹). Этот закон сформулирован Гульдбергом и Вааге² в 1862-1867 гг.

Скорость простой реакции при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам (этой).

Закон действующих масс справедлив для гомогенных реакций, но не распространяется на гетерогенные реакции, ибо концентрации их исходных вещест ……. во времени практически постоянными, так как химическое взаимодействие происходит лишь на поверхности раздела фаз например при горении угля или дров (рис. ).

Для простой гомогенной реакции, выраженной в общем виде:

аА + bB = dD,

скорость, согласно закону действующих масс, выражается кинетическим уравнением:

υ = k c^a_A· c^b_B .

Для гетерогенной реакции, выраженной в общем виде

аА_(г) + bB_(т) = dD_(г),

скорость, которой зависит только от концентрации исходного газообразного вещества, выражается уравнением:

υ = k·c^a_A ,

где с_А и с_В – молярные концентрации реагирующих веществ А и В,

моль/л;

a и b – стехиометрические коэффициенты реагирующих веществ;

k – коэффициент пропорциональности, называемый константой¹

скорости химической реакции, которая в случае гетерогенной реакции учитывает площадь соприкосновения реагирующих веществ. Например, выражение закона действия масс для реакции

CaCO₃ = CaO + CO₂↑

будет иметь вид: U = K, то есть в данном случае скорость реакции при неизменной температуре постоянна. Это объясняется тем, что концентрация твёрдого вещества – карбоната кальция – в ходе реакции не изменяется.

Большинство химических и биохимических процессов с ростом температуры заметно ускоряются. Так, мясо при комнатной температуре испортится гораздо скорее, чем в холодильнике. Железо не реагирует с холодной концентрированной серной кислотой, но реагирует с горячей. Влияние температуры скорости реакции демонстрирует рис..

Величина константы скорости химической реакции численно равна её скорости при концентрациях реагирующих веществ, равных 1 моль/л.

Константа скорости является мерой реакционной способности веществ при данной температуре.

Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ, температуры системы (рис. ), и наличия в ней катализатора, а в случае гетерогенной реакции и от площади поверхности раздела фаз, но не зависит от концентрации реагирующих веществ.

Константы скоростей химических реакций определяют экспериментально и по их величинам сравнивают скорости различных реакций.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ называют кинетическим уравнением.

В зависимости от числа частиц, участвующих в химических реакциях, их подразделяют на моно-, би- и тримолекулярные (вероятность столкновения четырёх и более частиц практически равна нулю).

Характеристики кинетических уравнений гомогенных реакций приведены в табл. 1.

Таблица 1