Вопрос 2. Зависимость скорости реакции от концентрации

реагирующих веществ. Закон действующих масс.

О скорости химической реакции судят по изменению концентраций реагирующих веществ (исходных или продуктов) реакции в единицу времени.

Пусть, например, в момент времени концентрация вещества была С₁, а для момента стала С_2. Тогда средняя скорость реакции для интервала времени будет равна:

Знак «минус» берется в том случае, если рассматриваются концентрации исходных веществ, которые, естественно, уменьшаются в ходе реакции, а знак «плюс» берется в том случае, если рассматриваются концентрации продуктов реакции, которые, естественно, увеличиваются в ходе реакции.

Если взять бесконечно малый промежуток времени , то получим выражение для мгновенной скорости в любой конкретный момент времени:

, где n - стехиометрический коэффициент в уравнении реакции для данного вещества.

Скорость гомогенной реакции может быть определена по изменению концентрации любого из реагирующих веществ в единицу времени. Например, скорость реакции

аА+вВ=сС+dD

может быть определена по убыли веществ А и В, а с другой стороны, по приращению продуктов реакции C и D. Т.к., все вещества в этой реакции взаимодействуют в стехиометрических соотношениях, то скорость реакции может быть выражена через изменение концентрации любого реагента. Так, для реакции, N_2(г) +3Н_2(г) =2NH_3(г) скорость м.б. выражена соотношением:

С ростом концентрации реагирующих веществ увеличивается общее число молекул в единице объема и, следовательно, увеличивается доля активных молекул и частота их столкновений, что приводит к увеличению скорости реакции.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется законом действующих масс, который был экспериментально открыт и теоретически обоснован в середине 19 в. и получил название от термина «действующая масса» - синонима современного понятия «концентрация».

Рассмотрим взаимодействие молекулы А с молекулой В в некотором объеме (рис. 3).

Рис.3

Пусть реакция происходит в некоторой точке R через предшествующее взаимодействию столкновение. Если молярные концентрации веществ А и В выразить через их символы в квадратных скобках, то вероятность нахождения веществ А в точке R будет пропорциональна [A], т. е. ω_A=α[A]. Вероятность ω_B нахождения вещества в этой точке равна ω_B = β[B], а вероятность их одновременного присутствия в точке R (точке столкновения) равна произведению ω_A∙ω_В = α[A]∙β[B]. Поскольку только часть столкновений приводит к химической реакции, то скорость реакции образования АВ равна V_AB = γ∙α[A]∙β[B] = γαβ[A][B]. Обозначив γ·α·β = k, получаем для реакции A + B, V_AB = k [A] [B].

Коэффициент пропорциональности называют константой скорости. Очевидно, для реакции aA + bB, то есть для a молей вещества А и b молей вещества В ЗДМ формально запишется в виде

V_AB= k[A]^a[B]^b

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

Это определение относится к гомогенным реакциям. Если реакция геторогенная (реагенты находятся в разных агрегатных состояниях), то в уравнениие ЗДМ входят только жидкие или только газообразные реагенты, а твердые исключаются, оказывая влияние только на константу скорости k.

Константа скорости k химической реакции зависит только от природы реагирующих веществ и температуры. Физический смысл константы заключается в том, что она равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ равны 1 моль/л.

Константа скорости характеризуя зависимость скорости от природы реагирующих веществ, дает возможность сравнивать скорости различных реакций. Так, вещества, состоящие из полярных молекул, реагируют быстрее, чем вещества, состоящие из неполярных молекул. Дело в том, что полярные молекулы, притягиваясь противоположными полюсами, дольше находятся в соприкосновении, вследствие чего вероятность их взаимодействия больше.

Реакции с участием углеводородов, молекулы которых образованы прочной ковалентной малополярной связью, при невысоких температурах идут медленно (энергия активации велика). В растворах электролитов реакции протекают практически мгновенно (энергия активации мала), т.к. внутримолекулярные связи разрушаются уже при растворении веществ, и взаимодействие происходит между противоположно заряженными ионами.