4.1. Скорость химической реакции

Скорость химической реакции равна изменению количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства. В зависимости от типа химической реакции (гомогенная или гетерогенная) меняется характер реакционного пространства. Гомогенной реакцией называется реакция, протекающая в однородной среде (в одной фазе). Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз, например, твердой и жидкой, твердой и газообразной.

Реакционным пространством гомогенных реакций является объем, заполненный реагентами. Так как отношение количества к единице объема называется концентрацией с, то скорость гомогенной реакции равна изменению концентрации исходных веществ или продуктов реакции во времени. Различают среднюю и мгновенную скорости реакции. Средняя скорость реакции равна:

= (c₂ – c₁)/(t₂ – t₁) = ± Δc/Δt,

где c₂ и c₁ – концентрации исходного вещества в момент времени t₂ и t₁.

Знак минус означает, что концентрация исходного вещества уменьшается. В ходе реакции изменяются концентрации реагирующих веществ и соответственно скорость реакции. Скорость реакции в данный момент времени или, мгновенная (истинная скорость) реакции ν, равна:

(в СИ моль ∙ л^-1 ∙ с^-1).

Скорость реакции всегда положительна, поэтому знак (-) берется, если c – концентрация исходного вещества,(c убывает) и со знаком (+), если c – концентрация продукта реакции (c возрастает).

Скорость химической реакции зависит:

1. От концентрации реагирующих веществ.

2. От температуры.

3. От ускоряющего или замедляющего действия катализатора.

4. От физических и химических свойств самих веществ, вступающих в реакцию.

Скорость некоторых гетерогенных реакций зависит также от интенсивности движения жидкости или газа около поверхности, на которой происходит реакция.

4.2. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ

Необходимым условием того, чтобы между частицами (молекулами, ионами) исходных веществ произошло химическое взаимодействие, является их столкновение (соударение). Точнее говоря, частицы должны сблизиться друг с другом настолько, чтобы атомы одной из них испытывали бы действие электрических полей, создаваемых атомами другой. Только при этом станут возможны те переходы электронов и перегруппировки атомов, в результате которых образуются молекулы новых веществ – продуктов реакции. Поэтому скорость веществ пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ. Число соударений тем больше, чем выше концентрация каждого из исходных веществ.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации определяется законом действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, причем каждая концентрация входит в произведение в степени, равной коэффициенту, стоящему перед формулой данного вещества в уравнении реакции.

Например, для реакции

aA+bB=cC

Обозначив концентрации веществ A и B через [A] и [B], можно записать кинетическое уравнение:

,

где a и b – коэффициенты в уравнении реакции, k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости данной реакции. Величина константы скорости k зависит от природы реагирующих веществ, от температуры, от присутствия катализаторов, но не зависит от концентрации веществ.

Аналогично для реакции:

2A+B=C или A+A+B=C можно записать как:

В качестве примера приложения закона действия масс можно привести уравнение зависимости скорости реакции окисления оксида азота (II):

2NO+=2

от концентрации NO и :

Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз (например, твердой и жидкой, жидкой и газообразной), которая и служит реакционным пространством.

Если площадь поверхности равна S то общая скорость гетерогенной реакции описывается уравнением:

,

где с – концентрация реагента (газообразного или жидкого). Скорость гетерогенной химической реакции измеряется в [моль ∙ с^-1].

Если в химической реакции непосредственно участвует твердое вещество, то в кинетическое уравнение не входит его концентрация, т.к. она постоянна. Роль твердого тела в кинетике отражается путем введения площади его поверхности (S).

Например,

кинетическое уравнение для этой реакции:

Особенности гетерогенных реакций:

1. Влияние площади реакционной поверхности на скорость реакции.

2. Скорость гетерогенной химической реакции зависит от скорости подвода реагента в зону химической реакции.