Швидкість хімічної реакції

Основне поняття хімічної кінетики - швидкість хімічної реакції. Швидкість хімічної реакції є зміна концентрації реагуючих речовин в одиницю часу.

Математично визначення середньої швидкості реакції Vср в інтервалі часу # 916; t записується в такий спосіб:

Швидкість в хімії - величина скалярна, є позитивною, ставлення ж може бути як позитивним, таки негативним, залежно від того, чи розраховується DС по вихідним речовин або продуктів. Очевидно, що концентрації вихідних речовин в часі зменшуються (# 916; СІСХ <0), а концентрации продуктов реакции увеличиваются (ΔСпрод> 0). Тому при розрахунку по вихідним речовин в рівнянні (2.1.1) вибирається мінус, а по продуктам - плюс.

Справжня (або миттєва) швидкість реакції визначається як похідна концентрації по часу:

Графічне зображення залежності концентрації реагентів від часу називається кінетичної кривої (рис. 2.1.1).

Мал. 2.1.1Кінетіческіе криві для вихідних речовин (А) і продуктів реакції (В)

Істинну швидкість реакції можна визначити графічно, провівши дотичну до кінетичної кривої (рис. 2.1.2); справжня швидкість реакції в даний момент часу дорівнює по абсолютній величині тангенсу кута нахилу дотичної (кутовому коефіцієнту в даній точці):

Мал. 2.1.2. Графічне визначення wіст

Необхідно відзначити, що в тому випадку, якщо стехіометричні коефіцієнти в рівнянні хімічної реакції неоднакові, величина швидкості реакції буде залежати від того, зміна концентрації якого реагенту визначалося. Очевидно, що в реакції

концентрації водню, кисню і води змінюються в різному ступені. Швидкість хімічної реакції залежить від безлічі факторів: природи реагуючих речовин, їх концентрації, температури, природи розчинника і т.д.

Основний постулат хімічної кінетики # 8210; закон дії мас

В основі хімічної кінетики лежить основний постулат хімічної кінетики: швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих в деяких ступенях.

Т. е. Для реакції АА + BВ +. -> продукти можна записати:

Коефіцієнт пропорційності k є константа швидкості хімічної реакції. Константа швидкості чисельно дорівнює швидкості реакції при концентраціях всіх реагуючих речовин, рівних 1 моль / л. Константа швидкості залежить від природи реагуючих речовин, і від умов проведення реакції - температури, каталізатора і т.д.

Залежність швидкості реакції від концентрацій реагуючих речовин (рівняння 2.1.3) визначається експериментально і називається кінетичним рівнянням хімічної реакції. Очевидно, що для того, щоб записати кінетичне рівняння, необхідно експериментально визначити величину константи швидкості і показників ступеня при концентраціях реагуючих речовин. Показник ступеня при концентрації кожного з реагуючих речовин в кінетичному рівнянні хімічної реакції (в рівнянні (2.1.3) відповідно x і y) є приватний порядок реакції за компонентами А і В відповідно. Сума показників ступеня в кінетичному рівнянні хімічної реакції (2.1.3) являє собою загальний порядок реакції n

Слід підкреслити, що порядок реакції визначається з експериментальних даних і не пов'язаний в загальному випадку з стехиометрическими коефіцієнтами реагуючих речовин в рівнянні реакції.

Разом з тим, для елементарних реакцій (тобто реакцій, що йдуть в одну стадію) показники ступеня в кінетичному рівнянні часто збігаються зі стехиометрическими коефіцієнтами реагуючих речовин:

У хімічній кінетиці прийнято класифікувати реакції за величиною загального порядку реакції. Розглянемо кінетичні рівняння різних порядків.

Реакції нульового порядку

Для реакцій нульового порядку кінетичне рівняння має наступний вигляд:

Швидкість реакції нульового порядку постійна в часі і не залежить від концентрацій реагуючих речовин. Це характерно для тих процесів, швидкість яких менше швидкості доставки реагуючих речовин до місця поведінки реакції. Часто це має місце в гетерогенних реакціях, що йдуть на поверхні розділу фаз.

За нульового порядку йдуть і реакції, швидкість яких лімітується подачею енергії, необхідної для активації реагуючих молекул (наприклад, фотохімічні реакції, де визначальним фактором є, наприклад, кількість поглиненого світла, а не концентрація речовини). Крім того, часто в каталітичних реакціях швидкість визначається концентрацією каталізатора (ферменту) і не залежить від концентрації реагуючих речовин.

Реакції першого порядку

Розглянемо залежність від часу концентрації вихідної речовини А для випадку реакції першого порядку

Реакції першого порядку характеризуються кінетичним рівнянням виду

Рівнянням першого порядку можуть описуватися швидкості елементарних мономолекулярних реакцій (ізомеризація, термічний розклад та ін.), А також реакції з більш складним механізмом, наприклад, гідроліз сахарози з утворенням глюкози і фруктози. Ця реакція бімолекулярного, однак, через наявність великого надлишку води швидкість залежить тільки від концентрації сахарози.

Реакції другого порядку

Для реакцій другого порядку кінетичне рівняння має наступний вигляд:

Прикладом реакцій другого порядку є освіту й розкладання йодистого водню, тобто пряма і зворотна реакції в системі:

а також розкладання діоксиду азоту