Тема 7 Химическая кинетика и равновесие

Скорость гомогенных и гетерогенных химических реакций зависит от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры. Кроме того на скорость химических реакций существенное влияние оказывает физическое состояние реагентов и присутствие катализатора.

Скоростью гомогенной (гетерогенной) реакции называется количество вещества, вступающего или образующегося в процессе реакции за единицу времени в единице объема (на единице поверхности или на единицу массы или объема твердой фазы). Скорость реакции v обычно характеризуют изменением концентрации с какого-либо из исходных или конечных продуктов реакции в единицу времени τ, моль/см³•мин:

.

Мгновенная скорость гомогенной реакции . Если речь идет об убыли концентрации исходного вещества (с₂ – с₁) в интервале времени (τ₂ – τ₁), то (с₂ – с₁)<0. Скорость есть величина положительная, и в этом случае она берется со знаком минус. Если исходить из концентрации конечного продукта, то (с₂ – с₁)>0 и знак скорости положительный.

Согласно закону действующих масс скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Следовательно, в общем виде для реакции, идущей по уравнению

аA + bB = cC + dD ,

кинетическое уравнение этого закона имеет вид

V = k[A]^a ∙[B]^b.

При расчете скорости реакции в зависимости от температуры можно пользоваться формулой (правило Вант-Гоффа)

,

где V_t2 и V_t1 - скорости реакций при соответствующих температурах; γ- температурный коэффициент реакции, т. е. число, характеризующее увеличение скорости реакции при нагревании системы на 10°. Для большинства реакций при обычных условиях γ принимает значения от 2 до 4.

Не все столкновения молекул ведут к их взаимодействию. Чтобы произошла реакция, сталкивающиеся молекулы должны обладать энергией, превышающей среднее значение энергии всех молекул. Такие молекулы называют активными. Энергию, необходимую для активирования молекул, называют энергией активации данной реакции. Энергия активации выражается в кДж/моль. Чем больше энергия активации, тем меньше активных молекул при данной температуре и тем медленнее идет реакция.

От энергии активации зависит также температурный коэффициент скорости реакции . Значения его 2, 3, 4 при обычных температурах соответствуют энергии активации 60, 90 и 120 кДж/моль. С повышением температуры увеличивается число результативных столкновений молекул и уменьшается энергия активации.

Пример 1.Как изменится скорость реакции горения этилена

С₂Н₄ + 3О₂ = 2СО₂ + 2Н₂О

с увеличением концентрации кислорода в 3 раза?

Р е ш е н и е. Скорость реакции горения этилена до изменения концентрации кислорода равна V₁ = К₁[С₂Н₄][О₂]³. С увеличением концентрации кислорода в три раза скорость реакции равна V₂ = К₂3[С₂Н₄]3[ О₂ ]³ = 27 К₂[С₂Н₄][О₂]³, следовательно скорость реакции увеличится в 27 раз.

Пример 2. Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры от 40 до 70⁰, если температурный коэффициент равен 2?

Р е ш е н и е. По формуле

V₁ = V х γ^{Т2 – Т1 / 10}

Находим, что

V₁ = V х 2^{70 – 40 / 10} = V х 2³ = 8 V

Следовательно, скорость реакции увеличится в 8 раз.

Пример 3. Вычислить температурный коэффициент, зная, что при увеличении температуры на 40⁰ скорость реакции увеличится в 256 раз.

Р е ш е н и е. Температурный коэффициент γ – число, показывающее во сколько раз увеличится скорость химической реакции при увеличении температуры на 10 градусов. Следовательно, γ^{40 / 10} = 256, или γ⁴ = 256

Логарифмируя это выражение, находим

41g γ = 256 = 2,408,

1g γ = 0,602,

γ = 4