56

6. ШВИДКІСТЬ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ І ХІМІЧНА РІВНОВАГА

Метою роботи є дослідження впливу різних факторів: концентрації, температури, ступеня подрібнення речовини – на швидкість реакції, а також вивчення дії зміни температури та концентрації реагуючих речовин на хімічну рівновагу.

6.1. Швидкість хімічних реакцій

Швидкість реакції дорівнює зміні концентрації однієї з реагуючих речовин на одиницю часу. Концентрацію виражають числом молів в 1 л, час – у секундах. Швидкість реакцій залежить від природи реагуючих речовин та від умов перебігу реакції: концентрації реагентів, температури і присутності каталізаторів (для реакцій за участю твердих речовин – також від ступеня їх подрібнення). Для газів швидкість реакції залежить і від тиску, бо в цьому випадку із зміною тиску змінюється концентрація реагентів.

Уперше точну залежність між швидкістю реакції та концентрацією реагуючої речовини встановив професор Харківського університету М.М. Бекетов у 1865 році, який створив і читав перший курс фізичної хімії, основи якої були закладені М.В. Ломоносовим.

Припустимо, речовина А реагує з речовиною В, утворюючи нову речовину С, тоді швидкість реакції може бути виражена рівнянням:

v = k [А] [В],

де k – константа швидкості реакції, що залежить від природи реагуючих речовин (для кожної речовини встановлюється експериментально); А і В – молярні концентрації реагуючих речовин. k – це швидкість реакції між даними речовинами при їх концентраціях, що дорівнюють 1 г моль на 1 л.

Через декілька років після встановлення цього закону М.М.Бекетовим норвезькі вчені Гіульдберг і Вааге встановили ту ж закономірність, замінивши назву "концентрація" величиною, пропорційною їй – "діюча маса". Ось чому цей закон має назву "закону діючих мас": швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин. Відкриття його неправильно приписується Гульдбергу і Вааге.

Для реакцій, в яких беруть участь декілька молекул, концентрації беруться з відповідним показником ступеня. Наприклад, у процесі 2А + В → А2В за умови, що реакція не проходить у дві чи декілька стадій:

v = k [А]2 В.

Якщо в реакції, крім газу й рідини, бере участь також тверда речовина (гетерогенна - неоднорідна система), концентрація якої постійна, то швид-кість реакції змінюється тільки в залежності від концентрації газів або розчинених речовин.

При підвищенні температури на кожні 10°С швидкість реакції зростає приблизно в 2-4 рази.

Звідси виводиться формула для швидкості реакції при будь-якій температурі:

57

Із наведеної формули витікає, що при підвищенні температури на 100°С швидкість реакції збільшується в 59049 разів при k = 3.

6.2. Хімічна рівновага

Всі хімічні реакції можна поділити на оборотні і необоротні. Оборотні реакції протікають одночасно в прямому і зворотному напрямі, але з різною швидкістю; через деякий час після їх початку швидкості прямої і зворотної реакції стають однаковими, і настає хімічна рівновага. В принципі всі хімічні реакції проходять в одному напрямі до повного зникнення вихідних речовин. Такі реакції називають необоротними. До них належать процеси, що супроводжуються випаданням осаду, виділенням газу, утворенням при іонних реакціях малодисоційованих речовин, тощо, а також процеси, що супроводжуються великим виділенням теплоти.

Для будь-якої оборотної реакції рА + qВ → пС + mD у стані рівноваги ви-

Тут [С] і [В]... – концентрації речовин у момент рівноваги; К – константа хімічної рівноваги, яка залежить від температури. Наприклад, для реакції:

2Н2 + О2 ↔ 2Н2О

рівняння (1) матиме вигляд:

K = [H[H]22O[O]2 ].

2 2

Якщо при сталій рівновазі збільшити концентрацію водню або кисню, то відповідно повинна збільшитися концентрація водяної пари. Отже, для зміщення рівноваги зліва праворуч необхідно або збільшити концентрацію однієї з вихідних речовий, або зменшити концентрацію одного з продуктів реакції. Для зміщеная рівноваги у зворотному напрямку треба підвищити концентрацію одного з продуктів реакції.

Напрямок зміщення рівноваги в залежності від зміни концентрації, температури або тиску в загальному вигляді визначається принципом Ле-Ша- тельє: якщо система, що перебуває в рівновазі, зазнає ззовні будь-якого впливу (змінюються концентрація, температура чи тиск), то в ній виникають процеси, котрі зменшують ефект цього впливу.