5.2. Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Закон действующих масс

На скорость химических реакций оказывают влияние следующие факторы: природа и концентрации реагирующих веществ; температура, природа растворителя, присутствие катализатора и т.д.

Зависимость скорости химических реакций от концентрации устанавливает закон действующих (действия) масс, сформулированный Гульдбергом и Вааге (1867), этот закон и является основным законом кинетики: скорость химической реакции при постоянной температуре пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степени стехиометрического коэффициента данного вещества в уравнении реакции.

Для гомогенной реакции общего вида

аA + вB → сC + dD

_пр = k₁C_А^а C_В^в, (5.4)

_обр = k₂C_с^с C_D^d, (5.5)

где _пр – скорость прямой реакции;

_обр – скорость обратной реакции;

С_А,C_B,C_C и C_{D –} концентрации реагирующих веществ, например, моль/дм³;

а, в, с, и d – стехиометрические коэффициенты участников реакции;

k₁ и k₂ – коэффициенты пропорциональности, названные константой скорости химической реакции.

Для газов вместо концентрации можно использовать давления

_пр = k₁Р_А^а Р_В^в.

Определим физический смысл константы скорости. Примем концентрации веществ А и В равными 1 моль/дм³ (С_А = C_B = 1 моль/дм³), тогда _пр = k₁. Таким образом, константа скорости – это скорость реакции, если концентрации реагирующих веществ равны 1 моль/дм³. Константа скорости зависит от тех же факторов, что и скорость, за исключением концентрации веществ. Причем, чем больше величина константы скорости, тем больше скорость процесса. Константу скорости можно найти опытным путем или посчитать, используя уравнения, описывающие механизм химической реакции.

Зависимость константы скорости (и скорости) процесса от температуры определяет приближенное правило Вант-Гоффа: увеличение температуры на каждые 10 ^ОС увеличивает скорость процесса в 2 - 4 раза.

Аналитическое выражение этого правила в общем виде:

(5.6)

где k₁ и k₂ – константы скорости при температуре t₁ и t₂,

γ – температурный коэффициент Вант-Гоффа (γ = 2  4).

Правило Вант-Гоффа применяют при изменении температуры ниже 30 ºС. При более высоких изменениях температуры используют уравнение Аррениуса

lnk = B – , (5.7)

где А и В – постоянные величины для данной реакции.

Скорость гетерогенных реакций имеет ряд особенностей. Гетерогенные реакции идут на поверхности раздела фаз, которая и служит реакционным пространством (поверхностью). Поэтому первой особенностью кинетики этих реакций является влияние площади реакционной поверхности на скорость реакции. Вместо концентрации твердой фазы в уравнение вводят площадь поверхности этого вещества (S)

_пр = k₁C_А^а S_В (5.8)

Второй особенностью гетерогенных процессов является зависимость скорости реакции от скорости подвода реагента в зону химической реакции, то есть, от скорости диффузии реагентов. Скорость диффузии увеличивают перемешиванием реакционной среды.

Скорость гетерогенной обратимой реакции определяется разностью скоростей прямой и обратной реакции (_{реакции} = _пр - _обр) – это третья особенность гетерогенных процессов.