Химическая кинетика. скорость химической реакции и факторы, влияющие на нее

ЛЕКЦИЯ № 5 ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НЕЕ

Химическая кинетика это раздел химии, изучающий:

1. Скорость химических реакций

2. Механизм химических реакций

3. Факторы, влияющие на скорость химических реакций

Различают реакции, протекающие в гомогенных и гетерогенных системах.

Система называется гомогенной если между ее фазами (компонентами) нет поверхности раздела например смеси газов, сплавы металлов, идеальные растворы веществ.

Реакции, протекающие в гомогенных системах, называются гомогенными:

NaOH (р) + H₂SO₄ (р) = Na₂SO₄ (р) + H₂O

2H₂ (г) + O₂ (г) = 2H₂O (г)

Гомогенные реакции протекают по всему объему системы реакционной смеси.

Гетерогенной, или неоднородной, называют систему, в которой между компонентами существует поверхность раздела. Например, лед и вода, воздух и пыль.

Реакции, протекающие в гетерогенных системах, называются гетерогенными. Например:

CaO (т) + CO₂( г) = CaCO₃ (т)

Zn (т) + HCl (р) = ZnCl₂ (р) + H₂↑(г)

Гетерогенные реакции протекают на поверхности твердой фазы.

Скорость химической реакции определяется изменением концентрации реагирующих частиц в единицу времени. Концентрация - это количество вещества, содержащееся в единице объема, размерность - моль/л.

Для гомогенной реакции средняя скорость химической реакции выражается соотношением:

V_гом.= ∆С / ∆t,

где ∆С – изменение концентрации

∆t = t₂ – t₁ – время протекания реакции

Скорость для гетерогенной реакции зависит еще и от площади твердой фазы S:

V_гетер. = ∆С / S ∆t

Факторы, влияющие на скорость химических реакций

1) Природа реагирующих веществ: под природой вещества понимают тип химической связи, полярность и поляризуемость молекулы. Вещества с сильно полярной и ионной связью взаимодействуют друг с другом с большими скоростями, чем соединения с малополярной и неполярной связью.

2) Агрегатное состояние. Гомогенные реакции, как правило, протекают гораздо быстрее чем гетерогенные реакции, т.к. в последнем случае контакт между веществами, а следовательно и химическая реакция происходит на границе раздела фаз.

3) Давление (только для газообразных веществ).

4) Температура. Зависимость скорости химической реакции от температуры описывается правилом Вант – Гоффа: при увеличении температуры на каждые 10С⁰ скорость химической реакции увеличивается в 2 - 4 раза. Математическое выражение этого правила имеет вид:

V_t2 = V_t1 γ ^{t2 – t1/10}

Где V_t2 – скорость реакции при температуре t₂; V_t1 – скорость реакции при температуре t₁, γ – температурный коэффициент скорости реакции, обычно равный 2 – 4

5) Наличие ускоряющего фактора (облучение, катализатор, инициатор).

Изменение скорости химической реакции под действием катализатора называется катализом. Катализаторы - это вещества, изменяющие скорость химической реакции, участвующие в ней, но остающиеся в неизменном виде после реакции.

Катализаторы увеличивающие скорость химической реакции называются положительными, а уменьшающие – отрицательными (ингибитор).

Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

При гомогенном катализе взаимодействующие вещества и катализатор находятся в одной фазе, т.е. не имеют поверхности раздела.

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах, и между ними существует поверхность раздела фаз.

Ускоряющее действие катализатора связано с тем, что он снижает энергию активации химической реакции.

Инициаторы - это вещества, увеличивающие скорость химической реакции, участвующие в ней, и полностью расходующиеся на ее начальной стадии.

6) Концентрация реагирующих веществ. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс (ЗДМ): Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени равные их стехиометрическим коэффициентам.

Для реакции общего вида между веществами А и В:

nA + mB → AnBm

математическое выражение скорости химической реакции согласно ЗДМ имеет вид:

V_х.р. = k [A]ⁿ[B]^m

Где, [A], [B] – молярные концентрации реагирующих веществ (моль/л)

n и m – стехиометрические коэффициенты,

k –коэффициент пропорциональности называемый константой скорости реакции, численно равный скорости реакции, при условии, что [A][B] = 1.

Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ, температуры, присутствия ускоряющего фактора, но не зависит от концентрации реагирующих веществ.

В уравнении ЗДМ учитываются концентрации веществ, которые находятся в газовой фазе или жидкой фазе.

N_2(г) + 3H_2(г) = 2NH_3(г),

V_х.р. = k [N₂]  [H₂]³

Если какое либо вещество находится в твердой фазе, то его концентрация в уравнении ЗДМ не учитывается.

СО_2(г) + С_(тв) = 2 СО_(г)

V_х.р. = k [СО₂]

5