2767

УДК 541.1

Скорость химических реакций

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Химия» для студентов 1 курса общетехнического факультета, направление270100-Строительство Н.Новгород, Издание ННГАСУ, 2012 г.,19 с.

В методических указаниях рассматривается понятие скорости химических реакций и основные факторы, влияющие на скорость

Составители: доц. С.В.Митрофанова доц. О.М.Захарова

М.А. Кочеткова

Под редакцией д.х.н., профессора В.А. Яблокова

© Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 2012

3

Целью настоящей лабораторной работы является изучение скорости гомогенной химической реакции и влияния на нее концентрации реагирующих веществ. Рассмотрим некоторые понятия и законы химической кинетики.

Химическая кинетика – раздел физической химии, занимающийся изучением скоростей химических реакций, механизма реакций.

Подавляющее число известных химических реакций являются сложными. Как правило, реакции протекают через ряд стадий прежде, чем получатся продукты реакции. Эти стадии называются элементарными реакциями и осуществляются непосредственным взаимодействием веществ, написанных в уравнении элементарной реакции. Сложными являются даже такие, простые на первый взгляд, реакции, как взаимодействие водорода с кислородом

2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г).

Это сложная химическая реакция. В уравнении стехиометрические коэффициенты указывают лишь соотношение между участниками процесса. Сложная реакция включает несколько простых (элементарных) реакций.

Простые реакции

Символ химического элемента с точкой означает, что атом или радикал содержит неспаренный электрон. Символами М и М* обозначены невозбужденные и возбужденные атомы, молекулы, которые обмениваются энергией с реагентами, но сами не претерпевают химических превращений

Знание всех элементарных реакций для данного процесса и их математическое описание и есть механизм химической реакции. Он изучен для очень небольшого количества важных химических реакций, и выяснение его представляет очень сложную проблему для ученых.

Различают гомогенные и гетерогенные химические реакции. В гомогенных реакциях все вещества находятся в одной фазе – газообразной или жидкой; в гетерогенных

– в разных фазах. В настоящей методической разработке рассматриваются только гомогенные реакции.

Скорость гомогенной химической реакции

Скорость химической реакции численно равна изменению концентрации

одного из исходных или продуктов реакции в единицу времени, например

А→ В

Ѵ =

5

Принято считать скорость реакций положительной величиной. Поэтому, если она определяется по исходному веществу, то dCA˂0 и в уравнении скорости нужно использовать знак минус. Если же она измеряется по продукту реакции, то dCB>0 и необходимо использовать знак плюс. Скорость любой реакции не является постоянной величиной и непрерывно уменьшается по мере протекания реакции, что является следствием закона действующих масс.

Можно определить среднюю скорость реакции. Для этого необходимо произвести два измерения концентрации вещества C1 и С2 в моменты времени t1 и t2 от начала реакции и рассчитать среднюю скорость по формуле:

Ѵ =

Cредняя скорость относится ко всему интервалу времени от t1 до t2 и не учитывает непрерывное уменьшение скорости реакции со временем, поэтому является неточной величиной.

Закон действующих масс

Закон действующих масс описывает зависимость скорости химических реакций от концентрации реагирующих веществ.

Сущность основного закона химической кинетики (закона действия масс) заключается в том, что скорость гомогенной элементарной химической реакции в каждый

6

момент времени прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Например, для элементарной реакции:

Для элементарных реакций применяется еще одна кинетическая характеристика – молекулярность реакции.

Молекулярные реакции первого порядка:

А = продукты;

Ѵ = k CА

Бимолекулярные реакции второго порядка:

Реакции первого порядка

К ним относятся, например, большое число реакций разложения химических соединений. Уравнение реакции имеет вид:

А продукты. Запишем кинетическое уравнение реакции

Ѵ = - k CА

После разделения переменных получим:

7

- k

Проинтегрируем это выражение от начального момента времени, когда

t = 0 и С = С0, до некоторого времени t. Получим

время должна получиться прямая линия, а тангенс еѐ наклона к оси времени есть константа скорости этой реакции (рис. 1).

lnС0/С

t, мин

Рис. 1. График зависимости lnС0/С от времени реакции

8

сА, моль/л

0.10

0.05

0.025

0.0125

0.00625

Рис. 2. График изменения концентрации вещества А от времени реакции

Влияние температуры на скорость реакций

Скорость реакции сильно зависит от температуры. Для большого количества жидкофазных реакций, протекающих при невысоких температурах, увеличение температуры на 10вызывает, как правило, увеличение скорости в 2-4 раза. Эта закономерность носит название правило Вант-Гоффа, а само увеличение скорости на каждые 10 называется температурный коэффициент скорости .

Влияние катализаторов на скорость реакций

Катализ является основным средством ускорения химических реакций в природе и в практической деятельности человека. Под катализом понимается

9

ускорение или замедление (отрицательный катализ) реакций под влиянием специальных веществ – катализаторов. При этом катализатор не расходуется в процессе реакции. Его молекулы многократно вступают в промежуточное взаимодействие с молекулами реагирующих веществ и восстанавливаются после каждого акта взаимодействия. Поэтому требуемое количество катализатора обычно во много раз меньше (в десятки и сотни тысяч раз и более), чем реагирующих веществ.

Суть влияния катализатора объясняется тем, что он с молекулами реагирующих веществ образует некое соединение, которое называется активированным комплексом. В последующем этот активированный комплекс очень быстро вступает в реакцию с образованием продукта реакции и свободного катализатора. Ускорение реакции в присутствии катализатора объясняется резким снижением энергии активации по сравнению с исходным, без участия катализатора, и, соответственно, увеличением доли активных молекул. Катализаторы – более мощное средство ускорения реакций, чем температура. Они могут ускорить реакцию в миллионы раз. Еще одно важное отличие этих двух способов ускорения реакций. Повышение температуры ускоряет все процессы. А катализаторы действуют обычно очень специфично.

10