Швидкість хімічних реакцій
Хімічна кінетика - вчення про швидкостях і механізми хімічних реакцій.
Вивчення швидкостей протікання реакцій, отримання даних про фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції, а також вивчення механізмів хімічних реакцій здійснюють експериментально.
Швидкість хімічної реакції - зміна концентрації одного з реагуючих речовин або продуктів реакції в одиницю часу при незмінному обсязі системи.
Швидкість гомогенної і гетерогенної реакцій визначаються по-різному.
Визначення міри швидкості хімічної реакції можна записати в математичній формі. Нехай - швидкість хімічної реакції в гомогенної системі, nB - число молі будь-якого з утворюються при реакції речовин, V - об'єм системи, - час. Тоді в межі:
Це рівняння можна спростити - відношення кількості речовини до об'єму є молярна концентрація речовини nB / V = cB. звідки dnB / V = dcB і остаточно:
На практиці вимірюють концентрації одного або декількох речовин в певні проміжки часу. Концентрації вихідних речовин з часом зменшуються, а концентрації продуктів - збільшуються (рис. 1).
Мал. 1. Зміна концентрації вихідної речовини (а) і продукту реакції (б) з часом
Фактори, що впливають на швидкість хімічної реакції
Факторами, що впливають на швидкість хімічної реакції, є: природа реагуючих речовин, їх концентрації, температура, присутність в системі каталізаторів, тиск і об'єм (в газовій фазі).
З впливом концентрації на швидкість хімічної реакції пов'язаний основний закон хімічної кінетики - закон діючих мас (ЗДМ): швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, зведених в ступені їх стехіометричних коефіцієнтів. ЗДМ не враховує концентрацію речовин у твердій фазі в гетерогенних системах.
Для реакції mA + nB = pC + qD математичний вираз ЗДМ буде записуватися:
= K × CA m × CB n
= K × [A] m × [B] n.
де k - константа швидкості хімічної реакції, що представляє собою швидкість хімічної реакції при концентрації реагуючих речовин 1моль / л. На відміну від швидкості хімічної реакції, k не залежить від концентрації реагуючих речовин. Чим вище k, тим швидше протікає реакція.
Залежність швидкості хімічної реакції від температури визначається правилом Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа: при підвищенні температури на кожні десять градусів швидкість більшості хімічних реакцій збільшується приблизно в 2 - 4 рази. Математичний вираз:
(T2) = (T1) × (T2-T1) / 10.
де - температурний коефіцієнт Вант-Гоффа, що складає скільки разів збільшилася швидкість реакції при підвищенні температури на 10 o С.
Молекулярність і порядок реакції
Молекулярність реакції визначається мінімальним числом молекул, одночасно вступають у взаємодію (що беруть участь в елементарному акті). розрізняють:
- мономолекулярні реакції (прикладом можуть служити реакції розкладання)
= K × C, -dC / dt = kC
Однак, не всі реакції, що підкоряються цим рівнянням мономолекулярної.
= K × C1 × C2. -dC / dt = k × C1 × C2
- тримолекулярного (зустрічаються дуже рідко).
Молекулярність реакції визначається її істинним механізмом. За записом рівняння реакції визначити її молекулярної не можна.
Порядок реакції визначається по виду кінетичного рівняння реакції. Він дорівнює сумі показників ступенів концентрації в цьому рівнянні. наприклад:
= K × C1 2 × C2 - третій порядок
Порядок реакції може бути дробовим. В такому випадку він визначається експериментально. Якщо реакція протікає в одну стадію, то порядок реакції і її молекулярної збігаються, якщо в кілька стадій, то порядок визначається самою повільною стадією і дорівнює молекулярної цієї реакції.
Приклади розв'язання задач
Реакція протікає за рівнянням 2А + В = 4С. Початкова концентрація речовини А 0,15 моль / л, а через 20 секунд - 0,12 моль / л. Обчисліть середню швидкість реакції.
Запишемо формулу для обчислення середньої швидкості хімічної реакції:
= ± δс / δt
= ± (0,15 - 0,12) / (20-0) = 0,144 моль / лс