17. Предмет и методы химической кинетики. Скорость и константа скорости химической реакции. Закон действующих масс. Зависимость скорости реакции от температуры.
Химическая кинетика – раздел физической химии, изучающий закономерности протекания химических реакций во времени, зависимости этих закономерностей от внешних условий, а также механизмы химических превращений.
Целью исследований химической кинетики является:
1) экспериментальное определение скорости реакции и её зависимости от различных факторов;
2) выявление механизма реакции, то есть числа стадий и природы образующихся в этих стадиях промежуточных веществ;
3) разработка наиболее эффективных путей проведения реакций.
Химическая кинетика состоит из двух разделов:
1) формальная кинетика, дающая математическое описание скорости
реакции без учета механизма самой реакции;
2) молекулярная кинетика – учение о механизме химического взаимо-
действия.
Основные понятия химической кинетики
Механизм химической реакции – детальное описание пути, ведущего от реагентов к продуктам реакции, включающее наиболее полную характеристику состава, строения, энергии и других свойств промежуточных соединений и переходных состояний.
Вещества, вступающие в процесс химического превращения, называются исходными веществами или реагентами.
Вещества, образующиеся в процессе химического превращения и не претерпевающие в ходе этого процесса дальнейших химических изменений, называются продуктами реакции.
Вещества, образующиеся в одних стадиях процесса химического превращения и расходующиеся в других стадиях этого же процесса, называются промежуточными веществами.
Скорость химической реакции – это число актов превращения в единице объема в единицу времени.
Для гомогенной системы средняя скорость химической реакции определяется изменением концентраций реагирующих веществ в единицу времени:
где С – изменение молярной концентрации, (моль/л); t – интервал времени, (с, мин).
Истинная скорость гомогенной реакции, то есть, скорость реакции в данный момент времени, рассчитывается по уравнению:
Если время измерять в секундах, то размерность скорости гомогенной реакции: [моль·л-1·с-1].
Для гетерогенной системы скорость химической реакции измеряется количеством веществ, вступивших в реакцию или образующихся в результате реакции за единицу времени на единице поверхности раздела фаз:
где Δn – изменение количества вещества, (моль); S – площадь поверхности раздела фаз, (см2, м2).
Размерность скорости гетерогенной реакции: [моль·м-2·с-1].
Закон действующих масс (основное уравнение кинетики): скорость элементарной химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагентов в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
Так как в состоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции равны, то, используя закон действующих масс, выразим значение скоростей прямой (υпрям) и обратной реакций (υобр):
Уравнение Вант-Гоффа
Повышение температуры, как правило, увеличивает константу скорости. Первая попытка учесть влияние температуры была сделана Вант-Гоффом, который сформулировал следующее эмпирическое правило:
При повышении температуры на каждые 10 градусов константа скорости элементарной химической реакции увеличивается в 2–4 раза.
Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается константа скорости при повышении температуры на 10 градусов, есть температурный коэффициент константы скорости реакции γ. Математически правило
Вант-Гоффа можно записать следующим образом:
