§ 24 Скорость реакции

•Что означают термины «гомогенный» и «гетерогенный»?

•В каких единницах измеряют концентрацию жидких и газообразных веществ?

Раздел химии, который изучает механизм и скорость химических реакций, называют химической кинетикой.

При рассмотрении скорости химических реакций необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной и гетерогенной системах. На практике вы встречались с реакциями, которые протекают в растворах и между веществами в газообразном состоянии, например между азотом и водородом при синтезе аммиака. В этих случаях среда однородная, т. е. гомогенная (не имеющая внутренних границ раздела между веществами). Вам известны и такие реакции, в которых реагирующие вещества не образуют гомогенную среду. Примером является горение угля и других твёрдых веществ. Оно происходит в неоднородной, т. е. гетерогенной, среде (имеющей внутренние границы раздела).

В гомогенных реакциях частицы веществ реагируют одинаково во всём объёме системы, в гетерогенных реакциях — только на поверхности (границе раздела). Так, например, при горении угля молекулы кислорода реагируют только с теми атомами углерода, которые находятся на поверхности. При измельчении угля площадь его поверхности возрастает и скорость горения увеличивается.

Под СКОРОСТЬЮ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ понимают изменение концен-

трации одного из реагирующих веществ в единицу времени при неиз- менном объёме системы.

При этом безразлично, о каком из участвующих в реакции веществ идёт речь: все они связаны уравнением реакции, и по изменению концентрации одного из веществ можно судить об изменениях концентраций всех остальных. Концентрацию выражают в молях на литр (моль/л), а время — в секундах или минутах.

Определим в общем виде скорость гомогенной реакции, протекающей по уравнению

A + B = C + D

Допустим, концентрация вещества А в некоторый момент времени (t1) составляет С1 моль/л. По мере расходования (t2) вещества А его концен-

110

трация станет меньше — С2 моль/л. Тогда скорость реакции может быть определена так:

Знак «минус» указывает на уменьшение концентрации реагентов (при протекании реакции количество каждого реагента уменьшается).

Для продуктов реакции DС — положительная величина, так как концентрация продуктов в ходе реакции возрастает. Тогда v = ± DС/Dt, так

как скорость реакции может быть только положительной величиной.

СКОРОСТЬ ГОМОГЕННОЙ РЕАКЦИИ определяется изменением концен-

трации одного из вступивших в реакцию или образующихся в результа- те реакции веществ в единицу времени.

Поскольку скорость реакции всё время изменяется, то можно говорить о мгновенной скорости реакции, т. е. скорости в данный момент времени.

В гетерогенных реакциях скорость не выражают через концентрацию, поскольку вещества реагируют не в объёме, а на поверхности.

СКОРОСТЬ ГЕТЕРОГЕННОЙ РЕАКЦИИ определяется числом молей ве-

ществ, вступивших в реакцию или образующихся в результате реакции в единицу времени на единице поверхности.

Но так как площадь поверхности и площадь соприкосновения быстро меняются, то расчёты очень специфичны и сложны.

Энергия активации. Химические реакции происходят только при столкновении частиц реагирующих веществ, причём столкновение должно быть эффективным, приводящим к перегруппировке атомов и образованию новых веществ. Для этого реагирующие частицы должны обладать достаточной энергией, за счёт которой можно преодолеть отталкивание электронных оболочек атомов.

ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ Ea — это средняя избыточная энергия, которой

должны обладать реагирующие частицы (атомы, молекулы) чтобы пре

одолеть потенциальный барьер, разделяющий в химической реакции ре-

агенты и продукты.

Если барьер невелик, то большинство частиц может его преодолеть, поэтому скорость реакции высокая. Если энергия активации значительна, реакция протекает медленно.

111

Рис. 26. Изменение энергии системы в ходе взаимодействия водорода и иода

Энергию активации определяют экспериментально, исследуя зависимость скорости реакции от температуры.

В результате эффективного столкновения частиц образуется промежуточная группировка атомов — активированный комплекс (рис. 26). Эта группировка очень активна, выделить её в индивидуальном состоянии невозможно. Она существует очень короткое время (порядка 10–13 с).

В качестве примера рассмотрим реакцию синтеза иодоводорода:

H2 + I2 2HI

При столкновении молекулы водорода и молекулы иода, если они обладают достаточной энергией, образуется активированный комплекс [Н2— I2]. Далее эта частица может или вернуться к исходному состоянию (реакция не происходит), или превратиться в две молекулы иодоводорода (см. рис. 26). Из рисунка видно, что образование нового вещества сопровождается выделением энергии (DН). Произошла экзотермическая ре-

акция.

Таким образом, энергия активации — это разность между значениями средней энергии активированных комплексов и средней энергии исходных молекул.

Влияние концентрации реагентов на скорость гомогенных и гетерогенных реакций. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ устанавливается основным законом химической кинетики — законом действующих масс:

112

ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС скорость химической реак ии

порциональна произведению концентраций реагирующих веществ

Для реакции А + В = С + D этот закон

можно выразить уравнением

v = k Ч CA Ч CB,

где СА и CB — концентрации веществ А и В (моль/л), k — коэффициент пропорциональности (константа скорости реакции, численно равная скорости химической реакции при концентрациях реагирующих веществ в 1 моль/л). Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от концентраций веществ.

Приведённое выше выражение скорости реакции называют кинетическим уравнением реакции.

Закон действующих масс не учитывает реагирующие вещества, находящиеся в твёрдом состоянии, так как их концентрация постоянна и они реагируют лишь на поверхности. Так, кинетическое уравнение реакции горения угля

С + О2 = СО2

будет выглядеть так:

v = k Ч [О2]

Закон действующих масс используют для расчёта равновесных концентраций продуктов реакции (см. §26); он позволяет также предсказать направление, в котором смещается химическое равновесие при изменении условий протекания реакции. Для необратимых реакций этот закон позволяет рассчитать скорость реакции при любых концентрациях реагентов, если известна константа скорости реакции.

Химическая кинетика. Скорость химической реакции. Активированный комплекс. Закон действующих масс. Кинетическое уравнение реакции. Константа скорости реакции

1. Что такое скорость химической реакции и как её определяют?

113

2.Приведите примеры реакций, увеличение или уменьшение скорости которых имеет положительное или отрицательное значение на производстве или в быту. Дайте пояснения.

3.Вычислите среднюю скорость реакции А + В 2С, если начальная концен-

трация вещества А равна 0,22 моль/л, а через 10 с — 0,215 моль/л. Как изменилась за это время концентрация вещества В?

Ямогу объяснить влияние концентраций реагентов на скорость гомогенных

и гетерогенных реакций

114