Химическая кинетика

1. Скорость химических реакций

Раздел химии, изучающий скорости и механизм химических реакций, называется химической кинетикой.

Основная величина в химической кинетике – скорость реакции. Химические реакции могут протекать с различной скоростью: очень медленно или быстро (взрыв).

Скорость реакции - это изменения количества реагирующего вещества в единицу времени в единице реакционного пространства (объёма или площади). Это определение справедливо как для гомогенных (реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии), так и для гетерогенных процессов (реагирующие вещества находятся в разных агрегатных состояниях). В первом случае реакционным пространством является объём реакционного сосуда, находящегося при температуре опыта, а во втором – поверхность, на которой протекает реакция.

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, давления, присутствия катализаторов, а в случае гетерогенных превращений – и от ряда других условий (состояние поверхности раздела фаз и т.д.)

Различают среднюю и мгновенную скорости реакции.

Средняя скорость реакции V равна:

V = =, (1)

где С₁ – концентрация вещества в начальный момент времени ₁; С₂ – концентрация вещества в конечный момент времени ₂. Знак (-) относится к концентрации исходного вещества, а знак (+) – к концентрации продукта.

Скорость реакции в данный момент времени, иначе мгновенная скорость реакции V , равна:

V = , (2)

где dС – дифференциально-малое изменение концентрации за дифферен-циально-малый промежуток времени d.

Из определения скорости реакции следует, что скорость гомогенной реакции имеет единицы измерения , а гетерогенной -.

2. Зависимость скорости реакции от концентраций

Определяется законом действующих масс: скорость химической реакции, протекающей при постоянной температуре в гомогенной среде, прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих (исходных) веществ, возведенных в степень их стехиометрических коэффициентов (Гульдберг, Вааге, 1867г.; 1865 г. - Н.Н. Бекетов).

Для уравнения mА + nВ → pС + qD выражение скорости реакции примет следующий вид:

V= k • (С_А)^m • (С_В)ⁿ (3)

где С_А – концентрация вещества А (моль/л), С_В – концентрация вещества В (моль/л); m, n – соответствующие стехиометрические коэффициенты; k – константа скорости реакции, зависящая от химической природы реагирующих веществ и температуры, но не зависящая от концентрации – в этом существенная разница между константой и скоростью реакции.

При концентрациях каждого из реагирующих веществ, равных 1 моль/л, kравна скорости химической реакции. Понятие константы скорости относится к данной реакции, а не к отдельным реагирующим веществам. Для каждой реакции при постоянной температуре еёkбудет величиной постоянной. Единицы измеренияk зависят от порядка реакции (см.далее).

Закон действующих масс применим только к простейшим реакциям. Если реакция протекает в несколько стадий, закон действующих масс справедлив для каждой из них, а скорость сложных химических процессов определяется скоростью наиболее медленной промежуточной реакции (т.н. лимитирующей реакции).

Закон действующих масс в его классической форме применим только к неэлектролитам и слабым электролитам в разбавленных водных растворах. Все сильные электролиты (щелочи, сильные кислоты, соли) и слабые электролиты в концентрированных водных растворах не подчиняются закону действующих масс.

Обратите внимание: массы твердых веществ в гетерогенных реакциях на скорость реакции не влияют, так как химическое взаимодействие протекает на границе раздела фаз. Т.е скорость реакции пропорциональна только концентрации газообразных и жидких веществ. Величина концентрации твердых веществ входит в значение константы скорости.