Швидкість реакцій
Кількісною характеристикою швидкості течії хімічної реакції А + B> D + E є її швидкість, т. Е. Швидкість взаємодії частинок реагентів А і В або швидкість появи продуктів D і Е. Вивченням швидкості хімічних реакцій займається особливий розділ хімії – хімічна кінетика.
В гомогенних (однорідних) системах досліджується швидкість реакції між реагентами, що не мають межі розділу (газові реакції, реакції в розчинах). У гетерогенних системах вивчається швидкість реакції на поверхні розділу між реагують речовинами (наприклад, А – тверда речовина, В – газ або А – тверда речовина, В – речовина в розчині).
Для гомогенних систем швидкість реакції – це зміна концентрацій реагентів або продуктів в одиницю часу:
Де v – швидкість реакції, моль / (л с);
? Cреаг = (с’реаг – з “реаг)? Зменшення концентрації реагентів, моль / л, за проміжок часу?? =? 2 -? 1;
? Cпрод = (з “прод – с’прод) – збільшення концентрації продуктів, моль / л, за той же проміжок часу.
У початковий момент часу (? = 0) концентрація реагентів найбільша, а концентрація продуктів дорівнює нулю. В процесі реакції концентрація реагентів зменшується, а концентрація продуктів зростає.
До факторів, що впливає на швидкість реакції, відносяться природа реагентів, каталізатор, температура, концентрація реагентів.
1. Природа реагентів. Тут велику роль відіграє характер хімічних зв’язків в сполуках, будова їх молекул. Наприклад, виділення водню цинком з розчину хлороводню відбувається значно швидше, ніж з розчину оцтової кислоти, так як полярність зв’язку Н – Cl більше, ніж зв’язку О – Н в молекулі СН3СООН; інакше кажучи, через те, що НCl – сильний електроліт, а СН3СООН – слабкий електроліт у водному розчині.
Чим більше поверхня зіткнення реагуючих речовин, тим швидше протікає реакція. Поверхня твердої речовини може бути збільшена шляхом його подрібнення або розчинення (якщо речовина розчинно). Реакції в розчинах протікають практично миттєво.
2. Каталізатори. Великий вплив на швидкість реакції надають каталізатори – речовини, що збільшують швидкість реакції (часто від нуля до дуже великих значень), але не входять до складу продуктів. Збільшення швидкості реакції під впливом каталізаторів називається катализом. У багатьох випадках каталізатори утворюють з одним з реагуючих речовин проміжне з’єднання, яке реагує з іншим вихідною речовиною, в результаті виходить продукт і вивільняється каталізатор.
Іноді вживають негативні каталізатори – інгібітори, які, навпаки, уповільнюють небажані хімічні реакції (наприклад, корозію металів).
3. Температура. Для газових реакцій відомо, що при підвищенні температури на десять градусів (? Т = 10 К або? T = 10 ° C) швидкість реакції зростає в 2-4 рази (правило Вант-Гоффа). Для швидкості реакції? 2 і? 1 при значеннях температури t2 і t1 маємо:
? 2 =? 1? 0,1 (t2-t1),
де? – Температурний коефіцієнт швидкості реакції,? = 2-4.
Для реакцій в розчинах швидкість також збільшується із зростанням температури і часто в тій же мірі, як і для газових реакцій.
При підвищенні температури зростає число активних молекул, т. Е. Таких молекул, які в момент зіткнення володіють більшою енергією і можуть утворити продукти.
Як показують дослідження, активних молекул в реакційній середовищі при звичайних умовах дуже мало. Інакше всі реакції між газами протікали б миттєво, і в повітрі не було б, наприклад, вільного кисню, необхідного для дихання. Реакції між газами при звичайних умовах практично не йдуть (трапляються винятки, наприклад, при 20 ° C повністю протікає реакція 2NO + O2 = 2NO2).
4. Концентрація реагентів. Щоб відбулося взаємодія, частинки реагують речовин в гомогенної середовищі повинні зіткнутися. Число зіткнень пропорційно числу частинок реагуючих речовин в обсязі реактора, т. Е. Молярної концентрації цих речовин.
Чим більші кількості речовин взяті для реакції в даному обсязі системи, т. Е. Чим вище концентрація реагентів, тим більше число зіткнень частинок і тим більше швидкість реакції. Залежність швидкості реакції від концентрації реагентів поширюється на газові суміші і розчини.
Встановлено, що:
Швидкість хімічної реакції прямо пропорційна добутку молярних концентрацій реагентів
якщо для реакції необхідно зіткнення двох реагуючих молекул. Ця залежність називається кінетичного закону діючих мас (К. Гулльберг, П. Воге, 1867)
Для гомогенної реакції А + В> … цей закон зображується рівнянням
? = KcAcB,
де k – константа швидкості реакції [л / (моль с)], що залежить від природи реагентів, присутності каталізатора і температури, але не залежить від концентрації реагентів і чисельно рівна швидкість реакції за умови сАсв = 1.
Для гетерогенної реакції А + В (ж, т)> … взаємодія відбувається лише на поверхні конденсованого (рідкого, твердого) речовини, тому концентрація такої речовини не входить у вираз закону діючих мас:? = KcA.
Для реакцій, рівняння яких не відображають механізму протікання цих реакцій, необхідно розглядати кожну елементарну стадію окремо. Потрійні і більше зіткнення (А + В + В + …>) малоймовірні, тому такі реакції (наприклад, N2 + ЗН2 = 2NH3) протікають завжди в кілька елементарних стадій (А + В>). Кінетичний закон діючих мас застосовується лише до кожної з цих стадій, але не до рівняння хімічної реакції в цілому.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)