Вопрос 1. Понятие о скорости химических реакций

Тема: Кинетика химических процессов

 

О принципиальной осуществимости процесса судят по величине изменения энергии Гиббса системы. Однако эта величина ничего не говорит о реальной возможности протекания реакции в данных конкретных условиях, не дает никакого представления о скорости и механизме процесса. Например, реакция взаимодействия оксида азота (II) с кислородом

 

2 N0_{( г )} + 0_{2 ( г )} = 2 N0_{2 ( г )} DG⁰ ₂₉₈ = - 150 кДж/моль

 

проходит очень быстро при комнатной температуре. В то время как реакция

 

2 H_{2 (г)} + О_{2 (г)} = 2 Н₂О_(г)DG⁰₂₉₈ = - 476 кДж/моль

 

характеризуется значительно большим уменьшением энергии Гиббса, в обычных условиях не протекает, но в присутствии катализатора при t =700⁰С практически протекает мгновенно (со взрывом).

Таким образом, для полного описания химической реакции необходимо знать также закономерность ее протекания во времени, т.е. ее скорость и механизм. Раздел химии – химическая кинетика изучает скорость и механизм химических реакций. Одни химические реакции протекают быстро, а другие медленно. Например, нейтрализация кислоты основанием происходит сразу же после того, как мы смешаем их в одном сосуде. Также при смешивании раствора Ag⁺ с раствором Cl^- на глазах происходит выпадение осадка AgCl.

Другие реакции, например, сгорание бензина протекает быстрее или медленнее в зависимости от того, каким образом осуществляется контакт между реагентами. Если смешать пары

бензина с воздухом, то скорость так велика, что при этом происходит взрыв. Но если поджечь небольшое количество бензина, он будет гореть довольно медленно. Очень медленно протекают например, ржавление железа (окисление), переваривание пищи, сбраживание сахара в спирт и фотосинтез.

Раздел химии–-химическая кинетика изучает скорость и механизм химических реакций.

Скоростью химической реакции называется изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени при неизменном объеме системы.

Графически изобразим зависимость концентрации исходного вещества от времени.

 

Скорость реакции может быть установлена лишь для определенного промежутка времени. Так, концентрация исходного вещества в некоторый момент времени t₁ равна с₁, в момент t₂ – c_2., то за промежуток времени Dt = t₂ - t₁ изменение концентрации составит

D c = c₂ - c₁

Тогда средняя скорость реакции будет равна

с₂ – с_{1 D} c

V_ср = - -------- = - ---

t₂ – t₁ D t

Знак минус ставится потому, что хотя концентрация исходного вещества убывает, скорость может быть только положительной величиной.

Поскольку средняя скорость реакции изменяется в интервале D t , то в химической кинетике рассматривают только истинную скорость реакции, т.е. скорость в данный момент времени, которая определяется как первая производная от концентрации по времени. d с

V_ист. = ± -----

D t

Скорость химической реакции зависит от многих факторов, среди которых:

- природа и концентрация реагирующих веществ;

- температура;

- давление (для реакций с участием газов );

- присутствие катализаторов;

- среда (для реакций в растворах);

- интенсивность света (в фотохимических реакциях).

Скорость гомогенной реакции определяется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции в единице объема системы. Скорость гетерогенной реакции определяется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на поверхности фазы, например,

Fe + 2 HCl = FeCl₂ + H₂ ,

реакция металла идет только на поверхности металла, только здесь соприкасаются друг с другом реагирующие вещества.