Скорость химических реакций

При определении понятия скорости химической реакции необходимо различать гомогенные и гетерогенные реакции. Если реакция протекает в гомогенной системе, например, в растворе или в смеси газов, то она идет во всем объеме системы. Скоростью гомо­ген­ной реакции называется количес­тво вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате ре­ак­ции за единицу времени в единице объема системы. Поскольку отношение числа молей вещества к объему, в котором оно распределено, есть молярная концентрация вещества, скорость гомоген­ной реакции можно также определить как изменение концентрации в едини­цу времени какого-либо из веществ: исходного реагента или продукта реак­ции. Чтобы результат расчета всегда был положительным, независимо, от того, производится он по реагенту или продукту, в формуле используется знак «±»:

.

В зависимости от характера реакции время может быть выражено не только в секундах, как требует система СИ, но также в минутах или часах. В ходе реакции величина ее скорости не постоянна, а непрерывно изменяется: уменьшается, так как уменьшаются концентрации исходных веществ. Выше­при­веденный расчет дает среднее значение скорости реакции за некоторый интервал времени Δτ = τ2 – τ1. Истинная (мгновенная) скорость определяется как предел к которому стремится отношение ΔС/Δτ при Δτ → 0, т. е. истин­ная скорость равна производной концентрации по времени.

Для реакции, в уравнении которой есть стехиометрические коэффици­енты, отличающиеся от единицы, значения скорости, выраженные по разным веществам, неодинаковы. Например для реакции А + 3В = D + 2Е расход вещества А равен одному молю, вещества В – трем молям, приход вещества Е – двум молям. Поэтому υ(А) = ⅓υ(В) = υ(D) =½υ(Е) или υ(Е). = ⅔υ(В).

Если реакция протекает между веществами, находящимися в различ­ных фазах гетерогенной системы, то она может идти только на поверхности раздела этих фаз. Например, взаимодействие раствора кислоты и куска ме­талла происходит только на поверхности металла. Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени на единице поверхности раздела фаз:

.

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реаги­рую­щих веществ выражается законом действующих масс: при постоянной тем­пе­ратуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произве­де­нию молярных концентраций реагирующих веществ, возведенных в степе­ни, равные коэффициентам при формулах этих веществ в уравнении реакции. Тогда для реакции

2А + В → продукты

справедливо соотношение υ ~ ·СА2·СВ, а для перехода к равенству вводится коэффициент пропорциональности k, называемый константой скорости реакции:

υ = k·СА2·СВ = k·[А]2·[В]

(молярные концентрации в формулах могут обозначаться как буквой С с со­ответствующим индексом, так и формулой вещества, заключенной в квадрат­ные скобки). Физический смысл константы скорости реакции – скорость реакции при концентрациях всех реагирующих веществ, равных 1 моль/л. Размерность константы скорости реакции зависит от числа сомно­жи­телей в правой части уравнения и может быть с–1; с–1·(л/моль); с–1·(л2/моль2) и т. п., то есть такой, чтобы в любом случае при вычислениях скорость реакции выражалась в моль·л–1·с–1.

Для гетерогенных реакций в уравнение закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, представ­ляет постоянную величину и входит в константу скорости, например, для процесса горения угля С + О2 = СО2 закон действия масс записывается:

υ = kI·const·[O2]·= k·[O2],

где k = kI·const.

В системах, где одно или несколько веществ являются газами, скорость реакции зависит также и от давления. Например, при взаимодействии водо­рода с парами иода H2 + I2 =2HI скорость химической реакции будет определяться выражением:

υ = k·[H2]·[I2].

Если увеличить давление, например, в 3 раза, то во столько же раз уменьшится объем, занимаемый системой, и, следовательно, во столько же раз увеличатся концентрации каждого из реагирующих веществ. Скорость реакции в этом случае возрастет в 9 раз

Зависимость скорости реакции от температуры описывается прави­лом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость реакции увеличивается в 2‑4 раза. Это означает, что при повыше­нии темпера­туры в арифметической прогрессии скорость химической реакции возрастает в геометрической прогрессии. Основанием в формуле прогрессии является температурный коэффициент скорости реакции γ, показывающий, во сколько раз увеличива­ется скорость данной реакции (или, что то же самое – константа скорости) при росте температуры на 10 градусов. Математически правило Вант-Гоффа выражается формулами:

или

где и – скорости реакции соответственно при начальной t1 и конечной t2 температурах. Правило Вант-Гоффа может быть также выражено следую­щими соотношениями:

; ; ; ,

где и – соответственно скорость и константа скорости реакции при тем­пературе t ; и – те же величины при температуре t +10n; n – число «десятиградусных» интервалов (n =(t2–t1)/10), на которые изменилась температура (может быть числом целым или дробным, положительным или отрицательным).

Примеры решения задач

Пример 1. Как изменится скорость реакции 2СO + О2 = 2СО2 , протекающей в закрытом сосуде, если увеличить давление в 2 раза?

Решение:

Скорость указанной химической реакции определяется выражением:

υнач = k·[СО]2·[О2].

Увеличение давления приводит к увеличению концентрации обоих реагентов в 2 раза. С учетом этого перепишем выражение закона действующих масс:

υ1 = k·[2СО]2·[2О2] = k·22[СО]2·2[О2] = 8k·[СО]2·[О2] = 8 υнач .

 

Ответ: Скорость реакции увеличится в 8 раз.

Пример 2.Вычислить, во сколько раз увеличится скорость реакции, если повысить температуру системы от 20 °С до 100 °С, приняв значение температурного коэффициента скорости реакции равным 3.

Решение:

Отношение скоростей реакции при двух разных температу­рах связано с температурным коэффициентом и изменением температуры формулой:

Вычисление:

Ответ: Скорость реакции увеличится в 6561 раз.

Пример 3. При изучении гомогенной реакции А + 2В = 3D установле­но, что в течение 8 минут протекания реакции количество вещества А в реак­торе уменьшилось с 5,6 моль, до 4,4 моль. Объем реакционной массы состав­лял 56 л. Вычислить среднюю скорость химической реакции за исследован­ный промежуток времени по веществам А, В и D.

Решение:

Используем формулу в соответствии с определением понятия «средняя скорость химической реакции» и подставляем численные значения, получая среднюю скорость по реагенту А:

.

Из уравнения реакции следует, что по сравнению со скоростью убыли вещества А скорость убыли вещества В вдвое больше, а скорость увеличения количества продукта D – втрое больше. Следовательно:

υ(А) = ½υ(В) =⅓υ(D)

и тогда υ(В) = 2υ(А) = 2·2,68·10–3 = 6, 36·10–3 моль·л–1·мин–1;

υ(D) = 3υ(А) = 3·2,68·10–3 = 8, 04·10–3 моль·л–1·мин–1

Ответ: υ(А) =2,68·10–3 моль·л–1·мин–1; υ(В) = 6, 36·10–3 моль·л–1·мин–1; υ(D) = 8, 04·10–3 моль·л–1·мин–1.

Пример 4. Для определения константы скорости гомогенной реакции А + 2В → продукты было проведено два опыта при различных концентрациях вещества В и измерена скорость реакции.

СВ, моль/л 0,1 0,3
υ ×106, моль·л–1·с–1 1,050 9,540

Концентрация вещества А поддерживалась постоянной и равной 1 моль/л. Вычислить среднее значение константы скорости реакции и указать размерность константы скорости.

Решение:

Скорость указанной химической реакции определяется выражением:

υ = k·[А]·[В]2,

откуда константа скорости:

k = υ /[А]·[В]2.

Производим расчет по данным двух измерений:

k1=1,050·10–6 моль·л–1·с–1/(1 моль/л·(0,1 моль/л)2) = 1,050·10–8 л2·моль–2·с–1;

k2=9,540·10–6 моль·л–1·с–1/(1 моль/л·(0,3 моль/л)2) = 1,060·10–8 л2·моль–2·с–1;

и определяем среднее значение константы скорости реакции:

k = (k1+ k2)/2= (1,050·10–8 + 1,060·10–8)/2 = 1,055·10–8 л2·моль–2·с–1.

Ответ: k = 1,055·10–8 л2·моль–2·с–1.