2. Основы химической кинетики

2.1. Скорость химической реакции

Химическая кинетика - наука о механизмах и скоростях хими­ческих реакций.

Скорость химической реакции равна изменению количества вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результа­те реакции в единицу времени в единице реакционного пространства:

В зависимости от типа химической реакции (гомогенная или гетерогенная) меняется тип реакционного пространства. Гомоген­ной реакцией называется реакция, протекающая в однородной среде (в одной фазе). Реакционным пространством гомогенных ре­акций является объем, заполненный реагентами. Например:

Н₂(г)+Сl₂(г) = 2НСl(г).

Гетерогенные реакции протекают на границе раздела фаз, например, твердой и жидкой, твердой и газообразной. Примером гетерогенной реакции является горение угля:

С(к) + O₂(г) = СO₂(г).

Скорость реакции обозначается буквой 1), концентраций ве­щества обычно выражают в моль на литр (моль/л), а время в секундах или минутах:

где ₁ и ₂ - начальный и конечный моменты времени; С₁ и С₂ -концентрации вещества в момент времени ₁ и _2.

Знак определяется направлением изменения концентрации ве­щества. Плюс означает увеличение концентрации, минус - ее уменьшение. Скорость реакции всегда положительна (υ > 0).

Из определения скорости реакции следует, что она имеет раз­мерность [моль∙л^-1∙с^-1].

Скорость химической реакции зависит:

1. от природы реагирующих веществ;

2. концентрации реагирующих веществ;

3. температуры;

4) присутствия катализатора. Количественно зависимость скорости реакции от концентра­- ции реагирующих веществ выражается законом действующих масс:

10

скорость реакции пропорциональна произведению молярных кон­центраций всех реагентов, в степенях, равных стехиометриче-скому коэффициенту при соответствующем реагенте уравнения реакции. В общем виде для гомогенной реакции:

аА + вВ = dD + fF

υ = k[A]^a -[В]^в или v = k С^а_А∙С^в_в.

Для обозначения концентраций реагентов или продуктов реак­ции принято использовать букву «С» или квадратные скобки; С_А, С_в - концентрации вещества А и В, моль/л; [А], [В] - равновесные концентрации веществ А и В; а и в - стехиометрические коэффи­циенты перед веществами А и В в уравнении реакции; k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости ре­акции, зависит от природы реагирующих веществ, температуры и наличия катализатора. Например, выражение скорости реакции:

2СО(г) + O₂ (г) = 2СO₂(г) имеет вид:

υ = k∙[CO]² ∙[О₂] или υ = k∙C²_CO ∙О_O2.

Для гетерогенных реакций типа

аА(г) + вВ(к) = сС(к)

выражение скорости реакции имеет вид: υ = kC^a_A или υ = k[A]^a.

Концентрации веществ, находящихся в конденсированном со­стоянии, постоянны и включаются в константу скорости реакции, поэтому при записи выражения v гетерогенной реакции они не учитываются. Например, выражение скорости для гетерогенной ре­акции:

2S (к) + 3О₂(г) = 2SO₃(г)

имеет вид: v = k С³_O2.

Пример 1. Как изменится скорость реакции

4НС1(г) + О₂(г) = 2С1₂(г) + 2Н₂О(г),

если а) увеличить концентрацию хлороводорода в 3 раза; б) умень­шить давление в системе в 2 раза?

Решение. Скорость данной реакции, согласно закону дейст­вующих масс, описывается уравнением: υ ₁ = kC⁴_HClC_O2

После увеличения концентрации НС1 в 3 раза, скорость реак­- ции будет равна: υ ₂ = k∙(3C_HCl)⁴ ∙C_O2 = 81∙kC⁴_HCl ∙C_O2

Изменение скорости реакции по отношению к первоначальной определяется отношением:

11

Следовательно, при увеличении концентрации в 3 раза скорость реакции возрастет в 81 раз.

Уменьшение давления в 2 раза равноценно уменьшению кон­центрации всех газообразных веществ в такое же число раз. Поэтому:

Изменение скорости реакции равно:

Следовательно, при уменьшении давления в 2 раза, скорость дан­ной реакции уменьшится в 32 раза.

Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10° скорость большинства химических реакций возрастает в 2-4раза.

Математическое выражение правила Вант-Гоффа:

где υ₁ и υ₂ - скорости реакции при температурах Т₁ и Т₂;  - темпе­ратурный коэффициент реакции, показывающий во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10°.

Пример 2. Как изменится скорость взаимодействия исходных веществ при повышении температуры с 20 до 66 °С, если темпера­турный коэффициент реакции равен 2,5?

Решение. По условию задачи изменение температуры Т₂ – Т₁ =

= 66 - 20 = 46°. Следовательно, в результате повышения темпера-

туры на 46° отношение

= 4,6 • lg2,5 = 4,6 • 0,398 = 1,831, тогда υ₆₆/ υ₂₀ = 67,7. Скорость ре­акции возрастает в 67,7 раз.

Пример 3. При 200 °С реакция заканчивается за 10 минут. Сколько времени будет длиться реакция при 100 °С, если темпера­турный коэффициент этой реакции равен 2.

12

Решение. Между скоростью протекания химических реакций и их продолжительностью существует обратно пропорциональная зависимость:

где ₁ и ₂ -время протекания реакции при температурах T₁ и T_2; υ₁ и υ₂ - скорости реакции при температурах T₁ и Т₂.