- •1. Основные понятия [1, §57; 2]
- •1.1. Химическая кинетика
- •1.2. Понятие скорости реакции
- •1.3. Контрольные вопросы и задания
- •2. Зависимость скорости гомогенной реакции от концентраций реагентов
- •2.1. Краткая теория [1, §58; 2]
- •2.2. Контрольные вопросы и задания
- •2.3. Лабораторная работа: определение порядка реакции тиосульфата натрия с кислотой в растворе
- •2.3.1. Постановка задачи
- •2.3.2. Зависимость скорости реакции от концентрации ионов водорода
- •2.3.3. Зависимость скорости реакции от концентрации ионов тиосульфата
- •3. Зависимость скорости реакции от температуры
- •3.1. Краткая теория [1, §59; 2]
- •3.2. Контрольные вопросы и задания
- •3.3. Лабораторная работа: влияние температуры на скорость реакции
1.2. Понятие скорости реакции
К сожалению, многие учебники химии построены не вполне логично, в частности, одно и то же слово может использоваться в разных смыслах, поэтому предлагается очень внимательно ознакомиться с разными определениями скорости и не путать их.
(а) Скорость реакции (на мИкроскопическом уровне) – это число её элементарных актов в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице площади контакта фаз (для гетерогенных)1.
(б) Скорость реакции (на мАкроскопическом уровне) – это количество вещества, расходующееся или образующееся в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице площади контакта фаз (для гетерогенных)1. (Из учебника Глинки [1]).
(в) Скорость гомогенной реакции (на мАкроскопическом уровне) – это изменение концентрации исходного вещества или продукта в единицу времени. (Тоже из учебника Глинки).
Определение (а) – самое строгое, но им очень трудно пользоваться, т.к. очень трудно считать элементарные акты. Поэтому на практике скорость обычно определяют через мАкроскопические параметры – измеримые на опыте количества или концентрации веществ, как в определениях (б) и (в).
Обычно в элементарном акте рождаются и гибнут одна или две частицы, поэтому скорость в смысле (а) получается умножением скорости в смысле (б) на NA или на NA/2 (NA – число Авогадро). Таким образом, скорости (а) и (б), хотя и разные, но связаны однозначно, поэтому закономерности, выведенные для одной, должны быть однозначно справедливы и для другой. Но заметьте: здесь неявно подразумевается, что данные частицы рождаются или гибнут в результате только одной реакции, а так бывает далеко не всегда. Обычно протекает одновременно две или несколько разных реакций.
Разные реакции, в которых одно и то же вещество расходуется или образуется, называются параллельными. Например, если в кислоте растворяется смесь оксида и карбоната кальция, то кислота расходуется в двух независимых процессах: СаО+2Н+→Са2++Н2О и СаСО3+2Н+→Са2++Н2О+СО2. Скорость расхода ионов водорода – это сумма скоростей этих реакций.
Если продукт одной реакции является исходным веществом для другой, такие реакции называются последовательными. Например, С2Н2+Н2→С2Н4, С2Н4+Н2→С2Н6. В этом случае скорость образования этилена С2Н4 есть разность скоростей первой и второй реакции.
Кроме того, почти все реакции обратимы, т.е. продукты реакции имеют шанс при новых столкновениях опять превратиться в исходные вещества, например, Н2+I2 ←→2HI. Здесь тоже скорость расходования водорода и образования иодоводорода есть разность скоростей прямой и обратной реакций. Позже мы будем изучать химическое равновесие, когда скорости прямой и обратной реакций становятся одинаковыми [1, §63]. При этом сколько вещества образуется, столько и расходуется, поэтому количество вещества не меняется, и скорость в смысле (б) равна нулю. Следовательно, когда говорят, что идут с одинаковыми скоростями прямая и обратная реакции, то подразумевают скорость в смысле (а), а не в смысле (б), как указано в одном из предыдущих параграфов.
Таким образом, определение (б) эквивалентно определению (а) лишь при условии, что реакция необратима и никаких других реакций с участием данных веществ не происходит. Об этом часто забывают.
Эквивалентны ли определения (б) и (в) в случае гомогенной реакции? Концентрация – это количество вещества в единице объёма. Поэтому изменение количества вещества в единице объёма – это и есть изменение концентрации. Не так ли? Но в промышленных реакторах непрерывного действия все время вводятся реагенты и выводятся продукты, так что концентрации в определённой точке могут быть постоянны, хотя реакция идет. Скорость в смысле (б) может быть очень большой, а скорость (в) равна нулю.
Кроме того, все три определения предполагают, что объём системы не меняется. Если, например, газовая реакция идет с расширением, то и число элементарных актов, и количества веществ в единице объёма будут изменяться не только от свойств самой реакции по законам химической кинетики, но и от изменения объема.
Мы будем далее пользоваться традиционным определением: скорость гомогенной реакции - это изменение концентрации какого-то из реагентов или продуктов в единицу времени, но помня, что это величина верно характеризует данную конкретную реакцию только при следующих условиях:
– реакция необратима;
– исходные вещества и продукты не участвуют ни в каких других реакциях;
– объём системы постоянен;
– никакие вещества в систему не добавляются и из неё не выводятся.
Два последних условия легко обеспечить, а два первых не всегда очевидны.
Изменение концентрации исходного вещества отрицательно, поэтому, чтобы получить положительную скорость, перед ним нужно поставить минус, а если измерять по продуктам – то плюс.
vгом. = С/.
Попутно договоримся о символах. Чтобы не путать скорость с объёмом, пусть скорость будет малой v, а объём – заглавной V. Температура по Цельсию – t, время – (греческая тау), количество вещества – n, концентрация – С. Другое обозначение концентрации – формула вещества в квадратных скобках: Н+ – ион, [Н+] – цифра, его концентрация в моль/л. Обычно в квадратных скобках пишут концентрацию реальных частиц, например, ионов, образовавшихся при распаде электролита, а буквой С обозначают концентрацию вещества, введённого в раствор, независимо от того, что с ним там произошло. Например, С(H2SO4) = 0,1 моль/л означает, что в литр раствора введёно 0,1 моля серной кислоты, хотя там уже нет молекул H2SO4, а есть ионы Н+ и SO42- в концентрациях 0,2 и 0,1 моль/л соответственно. Символ – греческая дельта – обозначает изменение величины: С=С2-С1, =2-1.
Выше определена средняя скорость, а реально она все время меняется, поэтому для определения мгновенной скорости, как и в механике, нужно взять производную концентрации по времени:
vгом. = dC/d.
В гетерогенном процессе концентрация часто не имеет смысла, поэтому нужно контролировать изменение количества вещества n в единицу времени, отнесенное к площади контакта S или к массе смеси m, или к исходному количеству вещества:
vгет. = dn/(Sd) или v’гет.= dn/(md) или v’’гет.= dn/(n0d).
Эти определения совершенно разные. Можно пользоваться любым (если мы умеем определять S), но не нужно забывать, каким определением мы пользуемся. Например, в одном из школьных учебников было дано первое определение, а на следующей странице говорилось, что скорость пропорциональна S. Это нелепость. Ведь первая формула содержит S в знаменателе. Она для того и введена, чтобы избавиться от влияния площади. Если, например, у нас кусок мрамора СаСО3 растворяется в кислоте, и мы добавим второй такой же кусок, то площадь увеличится вдвое, количество СО2 в единицу времени увеличится вдвое, а v – их отношение – не изменится. Авторы учебника пишут первое определение, а фактически подразумевают второе или третье. Тогда, действительно, скорость пропорциональна S: если мы ту же массу мрамора измельчим, площадь контакта увеличится, и количество СО2 в единицу времени увеличится. Поскольку мы обычно не можем измерить S, будем пользоваться вторым или третьим определением.