Химическая кинетика

Скорость и механизм химических превращений изучает особый раздел химии - химическая кинетика.

Изучение скоростей реакций позволяет выяснить истинный механизм протекания сложных химических превращений. Это в свою очередь создает перспективы для нахождения путей управления химическим процессом, т.е. его скоростью и направлением.

Реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. Гомогенные реакции протекают в однородной среде (например, в газовой фазе или жидком растворе). Гетерогенные реакции протекают в неоднородной среде - между веществами, которые находятся в разных фазах (твердой и жидкой, газовой и жидкой и т.п.). Таким образом, гомогенные реакции происходят равномерно во всем объеме, заполненном реагентами, гетерогенные - только на некоторых пограничных поверхностях - на границе раздела фаз.

Скоростью химической реакции называется число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (в случае гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз (в случае гетерогенной реакции). Скорость реакции обычно характеризуют изменением концентрации какого-либо из исходных или конечных продуктов реакции в единицу времени.

Средняя скорость реакции.

V_гомог. = D n /VDt или V_гомог. = DС /Dt [V] = моль/см³ * мин.

V _гетор = D n /S Dt,

где V - скорость реакции; n - количество вещества; С - молярная концентрация;

V - объем; t - время; S - площадь поверхности раздела.

О скорости реакции можно судить также по скорости изменения какого-либо свойства системы, например окраски, электрической проводимости, давления, спектра и т.д.

В ходе химических процессов концентрации веществ меняются непрерывно. Поэтому важно знать величину скорости реакции в данный момент времени, т.е. мгновенную скорость реакции. Последняя выражается первой производной концентрации по времени:

V = ± dC /dt

Скорость химических превращений зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, присутствия катализатора, давления (для газовых систем), площади поверхности соприкосновения (для гетерогенных реакций).

Скорость гомогенных реакций зависит от числа встреч реагирующих частиц в единицу времени в единицу объема. Вероятность одновременного соударения взаимодействующих частиц в свою очередь пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Таким образом, скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Это одна из формулировок закона действующих масс.

Для двухмолекулярной реакции

А (г) + В (г) = АВ (г)

скорость реакции выражается в виде следующего кинетического уравнения:

V = k [А] [В],

где V - скорость реакции; [А] и [В] - концентрации реагентов А и В. Кинетическое уравнение для трехмолекулярной реакции

2А + В = АВ₂

будет V = k [А]² [В].

Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости реакции. Величина его равна скорости реакции, когда концентрация реагентов равны единице. Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ и от температуры.

Задача 1. Написать выражение закона действующих масс для реакций:

а) 2NO (г) + Cl₂ ® 2NOCl (г),

б) CaCO₃ (к) ® CaO (к) + CO₂ (г)

При гетерогенных реакциях концентрации веществ находящихся в твердой фазе обычно не изменяются и поэтому не включаются в уравнение закона действующих масс!

Задача 2

Как изменится скорость реакции: 2NO(г) + O₂(г) = 2NO₂(г), если уменьшить объем реакционного сосуда в 3 раза? Ответ: в 27 раз