Закон діючих мас

Вплив концентрації речовин на швидкість реакції визначається законом діючих мас: при постійній температурі швидкість гомогенної хімічної реакції пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, зведених в ступені, рівні стехиометрическим коефіцієнтам в рівнянні реакції.

Закон діючих мас для прямої гомогенної реакції,

протікає зліва направо в однорідному середовищі (суміш газів, розчин) (), має вигляд:

Для гетерогенної реакції, що протікає на кордоні розділу фаз (твердої і рідкої, твердої і газоподібної) концентрації речовин, що знаходяться в конденсованому стані, постійні і включаються в константу швидкості реакції. Тоді для прямої реакції

якщо речовина тверде, закон діючих мас запишеться:

Для оборотних хімічних реакцій, які можуть протікати як в прямому, так і в зворотному напрямках, швидкості реакції (5) запишуться:

- константи швидкостей прямої і зворотної реакцій, відповідно. Фізичний сенс константи швидкості: при концентрації всіх реагуючих речовин, рівних 1 моль / л, константа швидкості дорівнює швидкості реакції.

Константа швидкості реакції залежить від природи реагуючих речовин, температури і присутності каталізатора. Для кожної реакції при постійній температурі константа швидкості величина постійна.

Використовуючи закон діючих мас, можна визначити, як буде змінюватися швидкість реакції при зміні параметрів системи:. . .

Приклад 1. Для гомогенної газофазной реакції

визначити: а) у скільки разів зміниться швидкість прямої реакції, якщо концентрацію азоту зменшити в 2 рази, а концентрацію водню збільшити в 2 рази; б) тиск в системі збільшити в 3 рази.

Рішення. а) Відповідно до закону діючих мас, швидкість прямої хімічної реакції описується рівнянням

Після зміни концентрації реагентів дорівнюватимуть

Зміна швидкості прямої реакції по відношенню до первісної:

т. е. швидкість прямої реакції збільшиться в 4 рази.

б) З рівняння стану газів (рівняння Менделєєва-Клапейрона)

слід з урахуванням (2):

що (при) прямо пропорційно молярної концентрації газоподібних речовин.

Отже, збільшення (або зменшення) тиску в системі в раз призводить відповідно до збільшення (або зменшення) концентрації всіх газів-учасників реакції також в раз.

Тоді за умовою задачі при збільшенні тиску в 3 рази нові концентрації речовин ():

т. е. швидкість прямої реакції збільшиться в 81 разів.

Приклад 2. Для реакції визначте: а) як був змінений обсяг системи, якщо швидкість прямої реакції зменшилася в 4 рази? б) у скільки разів при цьому змінилася швидкість зворотної реакції?

Рішення. а) Пряма реакція гетерогенна, концентрація твердого вуглецю не входить у вираз швидкості реакції, тому:

Позначимо новий обсяг; так як кількість в системі не змінюється, то

За умовою завдання. звідки

Отже, обсяг системи збільшився в 2 рази ().

б) Оскільки молярна концентрація речовини обернено пропорційна обсягу системи (рівняння 2), то при збільшенні обсягу в раз концентрації газоподібних і розчинених речовин зменшуються в раз, а при зменшенні обсягу системи в раз концентрації цих речовин збільшуються в раз.

Якщо обсяг системи збільшився в 2 рази, то для зворотного гомогенної реакції закон діючих мас запишеться:

до зміни обсягу:

після збільшення обсягу в 2 рази:

І тоді відношення швидкостей дорівнюватиме:

Таким чином, швидкість зворотної реакції зменшилася в 8 разів.