Раздел 4 Кинетика химических реакций. Химическое равновесие

Химическая кинетика – учение о скорости и механизме химических реакций.

4.1 Скорость химических реакций

Все химические системы по агрегатному состоянию делятся на гомогенные и гетерогенные.

Система, состоящая из веществ в одинаковом агрегатном состоянии (в одной фазе) является гомогенной. В гомогенных системах нет поверхности раздела между отдельными составными частями, поэтому реакция протекает в однородной среде.

Например: Н_2(Г) + Cl_2(Г) ↔2HCl_(Г).

Гетерогенная система состоит из веществ разных агрегатных состояний, имеет поверхность раздела между отдельными ее частями. Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз.

Например: С_(ТВ) + О_2(Г) → СО_2(Г)

Количественно скорость химической реакции характеризуется изменением концентраций реагирующих веществ в единицу времени.

4.1.1. Скорость химических реакций в гомогенной системе

Скорость гомогенных реакций равна изменению количества вещества (исходного или продукта) в единицу времени в единице объема реакционного пространства.

, моль/(лс),

где – скорость реакции, моль/(лс);

–изменение количества вещества, моль;

V – объем, л;

Δτ – изменение времени, с.

- молярная концентрация, моль/л

- изменение концентрации, моль/л.

Например, при взаимодействии водорода с парами иода реакция идет по уравнению:

Н_2(Г) + J_2(Г) ↔2HJ _(Г).

Концентрацию паров иода (или водорода) можно определить в начале некоторого отрезка времени, обозначив ее С₁ (моль/л) и в конце его – С₂ (моль/л), а время соответственно τ₁ и τ₂ (с). Тогда скорость этой реакции равна:

Так как в течение реакции происходит убыль концентрации иода (или водорода), то (С₂ – С₁)<0. Скорость есть величина положительная, поэтому в выражении скорости ставится знак минус:

.

Скорость реакции можно также определить по увеличению концентрации продукта реакции (HJ) и тогда (С₂ – С₁)>0 и знак скорости – положительный.

.

Приведенные выше выражения изменения концентрации веществ в ходе реакции характеризуют среднюю скорость ее за время Δτ:

.

Истинная (мгновенная) скорость реакции в данный момент времени выражается производной концентрации по времени:

.

4.1.2 Скорость химических реакций в гетерогенной системе

Для гетерогенной системы с участием твердого вещества реакция может протекать только на его поверхности. Поэтому концентрация твердого вещества остается постоянной и не входит в выражение скорости реакции.

Так, в реакции горения угля:

С_(ТВ) + О_2(Г) = СО_2(Г) ,

скорость реакции будет иметь вид:

,

где к – константа скорости;

S_C – поверхность твердого угля, м²;

[O₂] – концентрация кислорода, моль/л.

Но - постоянная величина, так как константа скорости и поверхность твердого вещества постоянны. Обозначив , тогда скорость этой реакции будет иметь вид:

,

т.е. скорость реакции пропорциональна только концентрации кислорода.

4.2 Факторы, влияющие на скорость реакции

Скорость химической реакции зависит от многих факторов. Важнейшими являются: природа, концентрация веществ, температура, катализаторы, давление (для газообразных систем) и т.д.