4.2.1 Концентрация реагирующих веществ

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется законом действия масс (ЗДМ):

Скорость химической реакции пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ в степенях их стехиометрических коэффициентов.

Так для модельной реакции:

аА + bB ↔ dD + qQ

этот закон выразится уравнениями:

,

где [A], [B], [D], [Q] – молярные концентрации веществ, моль/л;

к₁ и к₂ – константы скорости реакции;

a, b, d, q – стехиометрические коэффициенты.

Константа скорости (к₁ или к₂) не зависит от концентрации, но зависит от природы реагирующих веществ, температуры, катализатора.

Так, при [A] = [B] = 1моль/л константа скорости к₁ численно равна скорости реакции:

υ = к₁

В этом есть физический смысл константы скорости.

Например, для гомогенной системы:

2 NO_(Г) + Cl_2(Г)↔2 NOCl_(Г)

скорости прямой и обратной реакций определяются выражениями:

.

Для гетерогеннойсистемы:

2 С_(ТВ) + О_2(Г) ↔ 2 СО_(Г)

.

4.2.2. Давление

В системах, где одно или несколько веществ являются газами, скорость химической реакции зависит от внешнего давления. Например:

Н_2(Г) + Cl_2(Г) ↔2HCl_(Г).

Если увеличить давление на систему в три раза, то во столько раз уменьшится объем и, следовательно, во столько же раз увеличатся концентрации каждого из реагирующих веществ.

Пример 1. Определите, как и во сколько раз изменится скорость прямой реакции

2 NO_(Г) + О_2(Г)↔2 NO_2(Г),

если объем системы уменьшить в 3 раза?

Решение. По ЗДМ скорость прямой реакции будет иметь вид:

.

Обозначив [NO] = x, [O₂] = y, получим:

.

После уменьшения объема системы, концентрация веществ увеличится в 3 раза. Тогда: [NO] = 3x, [O₂] = 3y.

.

Разделив наполучим изменение скорости:

.

Скорость реакции возросла в 27 раз.

Пример 2. В системе

СО_(Г) + Cl_2(Г) ↔ СОСl_2(Г)

концентрацию СО увеличили от 0,3 до 1,2 моль/л, а концентрацию Cl₂ от 0,5 до 1,45 моль/л. Во сколько раз возросла скорость реакции?

Решение. По ЗДМ скорость этой реакции имеет вид:

.

Начальная скорость (υ₁) будет равна:

Конечная скорость (υ₂) будет равна:

.

Разделив υ₂ на υ,₁ получим:

.

Скорость реакции возросла в 11,6 раз.

Пример 3. Константа скорости реакции

А + 2В ↔ 2С

равна 0,65 (л)²моль^-2с^-1. Начальные концентрации веществ (моль/л): А=1,5; В=2,5. В результате реакции концентрация вещества В оказалась равной 0,5 моль/л. Вычислите, какова концентрация вещества А и скорость реакции.

Решение. Находим уменьшение концентрации вещества В.

моль/л.

Так как А и В взаимодействуют между собой в отношении 1:2, то концентрация вещества А уменьшится на моль/л. Тогда концентрация вещества А станет равноймоль/л. Скорость реакции в этот момент будет равна:

.

4.2.3. Температура

Скорость химической реакции зависит от температуры. По эмпирическому правилу Вант-Гоффа:

при повышении температуры на 10^о скорость большинства химических реакций возрастает в 2-4 раза.

Математически эта зависимость выражается соотношением:

,

где  скорости реакций при температурах t₁ и t₂;

γ  температурный коэффициент скорости, равный 2  4;

число десятков градусов.

В соответствии с определением скорость реакции обратно пропорциональна времени реакции, следовательно:

,

где и- время протекания реакции при температурахи.

Пример 4. Реакция при температуре 50⁰С протекает за 2мин 15с. За сколько времени закончится эта реакция при температуре 70⁰С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3?

Решение.

В соответствии с правилом Вант-Гоффа определяем возрастание скорости:

,

т.е., скорость увеличится в 9 раз.

По определению скорость реакции обратно пропорциональна времени реакции, следовательно:

, где и- время протекания реакции при температурахи.

Отсюда:

.