Понятие о скорости химической реакции

Среднюю скорость реакции определяют как изменение концентраций (ΔС) одного из участников реакции во времени (∆τ):

= ± ∆С / ∆τ; г/л∙с или моль/л∙с.

Скорость химической реакции зависит от концентрации веществ, температуры и наличия катализатора. Химические реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. В гомогенных реакциях и исходные, и полученные вещества находятся в одной и той же фазе; при этом исходные вещества взаимодействуют по всему объёму. Фазой называется однородная часть системы, ограниченная от других частей системы поверхностью раздела. В гетерогенных реакциях и исходные вещества, и продукты реакции находятся в разных фазах, а взаимодействие реагентовпроисходит по поверхности раздела фаз.

3.2. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих

веществ. Закон действующих масс

Гомогенные элементарные химические реакции подчиняются закону действующих масс. При постоянных температуре и объёме скорость реакции пропор­циональна концентрациям реагирующих веществ в степенях, равных их стехиометрическим коэффициентам. Для элементарной, гомогенной реакции

a A + b B ® e E + d D.

Скорость выражается кинетическим уравнением = k С^а_А ∙ С^b_B. Здесь С_А и С_B – молярные концентрации реагирующих веществ (моль/л); a и b – стехиометрические коэффициенты; k – константа скорости.

Величина константы скорости k зависит от природы реагирующих веществ, температуры и не зависит от концентрации реагирующих веществ. Константа скорости численно равна скорости реакции при концентрацииреагирующих ве­ществ,равных единице.

В кинетическом уравнении газовых реакций вместо концентраций можно использовать парциальные давления (давление, которое создают молекулыданного компонента газовой смеси).

Пример 1. Как изменится скорость реакции 2NO _(г) + С1_{2 (г)} = 2NOCl _(г), если при постоянной температуре:

а) повысить концентрацию NO в 2 раза;

б) повысить давление в системе в 2 раза?

Решение.

1. Влияние концентрации на скорость реакции. Кинетическое уравнение дляданной реакции имеет вид: = k · . При повышении концентрации NО в 2 раза она станет 2C_NO и кинетическое уравнение принимает вид

₁ = k · , отсюда = 4.

Следовательно, скорость химической реакции возросла в 4 раза.

2. Влияние давления на скорость реакции. Исходные вещества газообразны, поэтому,используя их парциальные давления, получаем следующее кинетическое уравнение: = k . При повышении давления в системе в 2 раза парциальное давление каждого компонента возрастает в 2 раза и становится равным 2 р_NO и 2 . Следова­тельно, ₂ = k · = 8 k · .

Отсюда = 8.

Химические реакции по механизму протекания условно делят на простые исложные. Простые реакции, протекающие в одну стадию, называют элементар­ными. Реакции, протекающие в несколько стадий, называют сложными. Кроме того, реакции подразделяют по признаку молекулярности и порядку реакции. Общий порядок реакции определяют как сумму показателей степеней при концентрациях в кинетическом уравнении. Число молекул, принимающих участие в химической реакции, определяет молекулярность реакции.

Пример 2. Реакция 2 NO_{2 (г)} + F_{2 (г)} = 2 NO₂F _(г) протекает по стадиям:

1) NO_{2 (г)} + NO_{2 (г)} = N₂O_{4 (г)} (быстрая);

2) N₂O_{4 (г)} + F_{2 (г)} = 2NO₂F _(г) (медленная).

Какой стадией лимитируется процесс? Напишите кинетическое уравнение скорости реакции. Определите молекулярность, общий порядок реакции и поря­док реакции по веществу F₂.

Решение. Наиболее медленной стадией является реакция 2. Именно она определяет общую скорость всего процесса. Поэтому кинетическое уравнение можно записать в виде = k₂ · . Согласно этому уравнению сумма показателей степеней при концентра­циях реагирующих веществ равна двум. Следовательно, сложная трехмолекулярная реакция 2NO_{2 (г)} + F_{2 (г)} = 2NO₂F _(г) является реакцией второго порядка. Порядок реакции по веществу F_{2 (г)} равен 1, так как показатель степени при концентрации этого вещества ( ) в кинетическом уравненииравен 1.

Пример 3. Напишите кинетическое уравнение для гетерогенной реакции го­рения серы:S _(к) + O_{2 (г)} = SО_{2 (г)}.

Решение. Рассматриваемая реакция гетерогенная и протекает на поверхности раздела фаз. Поэтому скорость реакциипри постоянной температуре будет зависеть не только от концентрации кислорода, но и от поверхности раздела фаз. Концентрация твердой фазы (сера) до полного ее исчезновения остается постоянной. В процессе взаимодействия изменяется только количество ее. Поэтому, скорость реакции рассчитывается на единицу поверхности твердой фазы и в кинетическое уравнение реакции входит только концентрация кислорода

= k · .