11 Химическая кинетика Химическая кинетика – учение о скоростях и механизмах протекания химических реакций.

11.1 Скорость реакции

V = ±DС/Dt. (11.1)

Реакции протекают при столкновении между собой молекул реагирующих веществ. Скорость реакции определяется количеством столкновений и вероятностью того, что они приведут к превращению. Число столкновений определяется концентрациями реагирующих веществ, а возможность реакции – энергией сталкивающихся молекул.

Скорость химической реакции – это изменение концентраций (DC) реагирующих веществ за единицу времени (t):

Знак «+» ставится, если скорость определяется по образующемуся продукту, а знак «–» – по расходу исходного вещества.

В зависимости от количества фаз все системы и протекающие в них реакции делятся на гомогенные и гетерогенные.

Система – тело или группа тел, мысленно обособленных от окружающей

среды.

Фаза – часть системы отделенная от других фаз поверхностью раздела.

Гомогенные реакции протекают в одной фазе. Например, реакция Cl_2(г) + H_2(г) = 2HCl_(г) является гомогенной, так как все вещества находятся в газообразном состоянии.

Гетерогенные реакции протекают на поверхности раздела фаз. Примером гетерогенной реакции может служить реакция горения угля, протекающая на границе уголь – кислород (система, состоящая из двух фаз)

С_(к) + О_2(г) = СО_2(г).

Основные факторы, влияющие на скорость реакции:

1) Природа реагирующих веществ.

Вещества с ионными связями (электролиты) реагируют практически мгновенно, а с ковалентными связями (органические соединения) медленно.

2) Концентрация реагирующих веществ.

3) Температура реакции.

4) Наличие веществ ускоряющих или замедляющих реакцию.

Рассмотрим влияние концентрации. С увеличением концентрации скорость реакции возрастает, так как чаще происходят столкновения молекул реагирующих веществ. Количественно эта зависимость определяется законом действующих масс.

V = k[А]m[В]n.

(11.2)

Закон действующих масс – скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных коэффициентам этих веществ в уравнении реакции.

Для гомогенной реакции mА + nВ = С уравнение имеет вид:

Входящая в уравнение константа скорости (k) – это скорость реакции при концентрациях реагирующих веществ равных единице.

Примеры

Записать выражение закона действующих масс для следующих реакций:

1) H_2(г) + I_2(г) = 2НI _(г);

2) 2C_(к) + O_2(г) = 2CO_(г).

Решение

1) Данная система является гомогенной, поэтому в формулу будут входить концентрации всех компонентов: V = k[H₂][I₂].

2) Данная система является гетерогенной, поэтому в формулу будут входить только концентрация газообразного вещества: V = k[О₂]. Скорость реакции не зависит от количества взятого углерода, а от поверхности его соприкосновения с кислородом. В случае измельчения угля скорость реакции будет возрастать

Рассмотрим влияние температуры на скорость химической реакции

Правило Вант-Гоффа – при повышении температуры на каждые десять градусов скорость гомогенных химических реакций возрастает в 2÷4 раза. Для каждой реакции можно применять так называемый температурный коэффициент γ, который показывает, во сколько раз возрастает скорость реакции при повышении температуры на 10 ⁰С. Зная температурный коэффициент, можно рассчитать изменение скорости реакции при увеличении температуры от Т₁ до Т₂ по формуле

= γ (Т2–Т1) /10,

(11.3)

где V_Т2 и V_Т1 – скорости реакции при температурах Т₂ и Т₁;

γ – температурный коэффициент скорости данной реакции.

Например, если γ = 2, то при увеличении температуры на 100 градусов скорость реакции должна увеличиться в 2¹⁰ = 1024 раза.

Причина влияния температуры на скорость реакции заключается в том,

что реагируют не все частицы, а только частицы, обладающие достаточной для реакции энергией. При повышении температуры реакционной смеси доля таких частиц возрастает. Распределение частиц по значениям энергии в зависимости от температуры приведено на рисунке 11.1.

Рисунок 11.1 – Распределение частиц по значениям кинетической энергии при различных температурах,

где Т₁ и Т₂ значения температур, при этом Т₁< Т₂;

Е'₁ и Е'₂ – наиболее вероятные значения энергии частиц при температурах соответственно Т₁ и Т₂;

Еа – минимальная энергия частиц, необходимая для протекания реакции. Общее число частиц в системе (N) равно площади под кривой.