Хімічна кінетика швидкість реакцій і методи її регулювання

Хімічна кінетика вивчає закономірності протікання хімічних процесів у часі.

Швидкість хімічної реакції (n) - це кількість речовини (Dn), що реагує або утворюється в результаті реакції в одиницю часу (Dt) в одиниці об'єму реакційного простору (V):

Кількість речовини в одиниці об'єму (Dn / V) - це молярна концентрація С.

Тоді швидкість реакції можна записати:

Одиницею вимірювання швидкості є моль • л-1 • с-1.

Для гетерогенної реакції швидкість залежить від площі поверхні розділу фаз (S):

Розмірність швидкості - моль • м-2 • с-1.

Розрізняють середню і миттєву швидкості.

Середня швидкість описується рівнянням

Про швидкість реакції можна судити, вимірюючи концентрацію вихідних речовин або продуктів. Концентрація вихідної речовини з плином часу поступово зменшується і DС має знак «-», а концентрація продукту збільшується і DС має знак «+».

Якщо взяти нескінченно малий відрізок часу dt, то отримаємо вираз для миттєвої швидкості в будь-який конкретний момент часу

На швидкість реакції впливають такі чинники:

1. Природа реагуючих речовин - характер хімічних зв'язків в сполуках, будова молекул.

2. Концентрація реагуючих речовин. Швидкість хімічної реакції, при інших рівних умовах, залежить від числа зіткнень реагуючих частинок в одиницю часу. Імовірність зіткнення залежить від кількості частинок в одиниці об'єму, тобто від концентрації. Залежність швидкості простий або елементарної реакції від концентрації реагуючих речовин виражається законом дії мас:

Швидкість реакції пропорційна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступенях, рівних стехиометрическим коефіцієнтами.

закон виражається рівнянням

де СА і СВ - молярні концентрації реагуючих речовин А і В, моль / л;

a і b - стехіометричні коефіцієнти в рівнянні реакції;

k - коефіцієнт пропорційності, званий константою швидкості.

Константа швидкості реакції залежить від природи реагуючих речовин, температури, присутності каталізатора, але не залежить від концентрацій реагентів і чисельно дорівнює швидкості реакції за умови СА = СВ = 1.

Якщо одне з реагуючих речовин знаходиться в твердому стані, то реакція відбувається на поверхні розділу і в рівняння закону дії мас концентрація твердої речовини не включається. Так, для реакції

Залежність швидкості реакції від температури описується правилом Вант-Гоффа: при підвищенні температури на кожні 10 ° швидкість більшості хімічних реакцій збільшується в 2-4 рази:

де і - швидкості реакції при температурах Т1 і Т2.

g - температурний коефіцієнт, значення якого для більшості реакцій лежать в межах 2-4.

Збільшення швидкості реакції з підвищенням температури пояснюється збільшенням числа активних молекул, тобто молекул, що володіють достатньою енергією для здійснення хімічної взаємодії при їх зіткненні. Та енергія, якою повинні володіти соударяющихся молекули, щоб між ними сталася реакція, називається енергіейактіваціі (Е а). Математичне співвідношення між швидкістю реакції, температурою і енергією активації називається рівнянням Арреніуса:

де k - константа швидкості реакції;

R - газова постійна, Дж / моль • К;

Т - абсолютна температура, К;

Еа - енергія активації, кДж / моль;

е - основа натурального логарифма;

А - предекспоненціальний множник, що не залежить від температури і концентрації.

Константа швидкості тим більше, чим менше Е а і чим вище температура.

Для розрахунків використовують рівняння Арреніуса, перетворене для двох температур:

де - константи швидкості при температурах Т1 і Т2.

4. Поверхня зіткнення реагентів.

У гетерогенних реакціях хімічну взаємодію відбувається на поверхні розділу фаз. Збільшення площі поверхні твердого речовини шляхом його подрібнення призводить до істотного прискорення реакції.

Каталізатори - це речовини, що збільшують швидкість реакції. Каталізатор утворює з одним з реагентів проміжне з'єднання, яке реагує з іншим вихідним речовиною, утворюючи продукти реакції і вивільняючи каталізатор. Прискорює дію каталізатора, як правило, полягає в зменшенні енергії активації каталізуються реакції.

Приклад 1. Як зміниться швидкість реакції

2NO (г) + О2 (г) ® 2NO2 (г),

коли прореагує 55% кисню, якщо початкові концентрації реагуючих речовин відповідно рівні:

Запишемо вираз закону дії мас для даної реакції:

1. Знайдемо швидкість реакції в початковий момент часу

2. Знайдемо кількість прореагировавшего кисню

3. Знайдемо поточну концентрацію кисню, тобто в момент, коли прореагує 55% О2

4. Знайдемо кількість прореагировавшего оксиду азоту (II). Відповідно до стехіометрією реакції

5. Знайдемо поточну концентрацію NO

З (NO) = 6 - 5,5 = 0,5 моль / л.

6. Знайдемо поточну швидкість реакції

n = k • 0,52 • 2,25 = 0,56k.

7. Знайдемо, у скільки разів зменшиться швидкість реакції, коли прореагує 55% кисню

Відповідь. Швидкість реакції зменшилася в 321 раз.

Приклад 2. Як зміниться швидкість реакції

4HCl (г) + О2 (г) ® 2Cl2 (г) + 2H2O (г), якщо збільшити в 3 рази: а) концентрацію кисню; б) концентрацію хлороводню; в) тиск?

1. Запишемо вираз закону дії мас для даної реакції

2. Після збільшення концентрації кисню в 3 рази вона буде дорівнює, тоді швидкість реакції буде

3. Якщо в 3 рази збільшити концентрацію HCl, то вона буде дорівнює 3С (HCl). Тому швидкість реакції буде

4. Збільшення тиску в 3 рази в стільки ж разів збільшує концентрацію газоподібних реагентів, тому

5. Знайдемо, як зміниться швидкість при:

а) збільшенні концентрації кисню в 3 рази

б) збільшенні концентрації HCl в 3 рази

в) збільшення тиску в 3 рази

Відповідь: а) при збільшенні концентрації кисню в 3 рази швидкість реакції зросла в 3 рази;

б) при збільшенні концентрації HCl в 3 рази швидкість реакції зросла в 81 разів;

в) при збільшенні тиску в 3 рази швидкість реакції зросла в 243 рази.

Приклад 3. При 353 К реакція закінчується за 20 с. Скільки часу триває реакція при 293 К, якщо температурний коефіцієнт цієї реакції дорівнює 2,5?

Між швидкістю протікання хімічної реакції і її тривалістю існує обратнопропорциональная залежність:

де - час протікання реакції при температурах Т1 і Т2.

1. Запишемо правило Вант-Гоффа

Відповідь. При температурі 293 до реакція закінчується за 1 год 21 хв 19 с.

Приклад 4. Розрахуйте енергію активації хімічної реакції, якщо константи швидкості реакції при 273 і 280 К відповідно рівні 4,04 • 10-5 і 7,72 • 10-5.

Енергію активації розраховують за рівнянням Арреніуса

Відповідь. Енергія активації реакції дорівнює 58,74 кДж / моль.