Скорость химических реакций

 

Под скоростью химической реакции понимается изменение количества вещества за какой-то промежуток времени:

.

Различают скорость реакции в гомогенных (однородных) и гетерогенных (неоднородных) системах. В гомогенных системах реакции протекают по всему объему:

 

.

В гетерогенных системах реакции протекают на границе фаз, поэтому изменение количества вещества относят к площади раздела фаз:

.

 

Скорость реакции зависит от следующих факторов:

• природа реагирующих веществ;

• концентрация реагирующих веществ;

• газовое давление;

• температура.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ подчиняется закону действия масс.

Запишем химическую реакцию в общем виде:

 

.

Если считать, что реакция протекает в гомогенной среде, то закон действия масс для неё выглядит следующим образом:

 

,

где

[А] и [В] - молярные концентрации веществ А и В; а и в - показатели степеней, соответствующие количеству моль веществ А и В; к - константа скорости реакции, зависящая от температуры, но не зависящая от концентрации реагирующих веществ.

Рассмотрим закон действия масс для конкретных реакций:

 

.

Цинк - твердое вещество, его участие в реакции учитывается константой скорости химической реакции.

Влияние температуры на скорость химической реакции подчиняется уравнению Вант-Гоффа:

 

где

ν - начальная скорость реакции; ν'- измененная скорость; γ- температурный коэффициент; Δt⁰- изменение температуры реакции.

При изменении температуры на 10^oС, скорость реакции изменяется в 2÷4 раза, т. е. температурный коэффициент находится в пределах от 2 до 4.

Зависимость константы скорости реакции от температуры также подчиняется уравнению Вант-Гоффа:

 

 

Пример решения задачи

При 20^oС скорость реакции составляет 0,5. Чему равна скорость той же реакции при 70^oС, если температурный коэффициент равен 2?

Решение

.

Обратимые реакции

Обратимыми называются реакции, в которых ни одно из исходных веществ до конца не расходуется. Обратимые реакции с определенного момента протекают в обоих направлениях - прямом и обратном:

.

В обратимых реакциях устанавливается состояние равновесия, которое выражается в равенстве скоростей прямой и обратной реакций:

Состояние равновесия характеризуется константой равновесия (К_р):

.

Индекс "р" означает равновесные концентрации веществ.

Состояние равновесия устойчиво и может сохраняться как угодно долго, пока на систему не будет оказано какое-либо внешнее воздействие:

• изменение концентрации реагирующих веществ;

• изменение газового давления;

• зменение температуры.

Нарушение состояния равновесия обратимой реакции означает, что скорости прямой и обратной реакций не равны друг другу. В зависимости от этого, равновесие обратимой реакции смещается либо в прямом , либо в обратном направлении.

Направление смещения обратимой реакции подчиняется принципу Ле Шателье: "Если на систему, находящуюся в равновесии, оказать какое-либо внешнее воздействие, то равновесие сместится в таком направлении, чтобы ослабить оказанное воздействие".

Рассмотрим примеры смещения равновесия. Дана система:

.

Если увеличить концентрацию одного из исходных веществ (или одновременно обоих), то скорость прямой реакции превысит скорость обратной, и равновесие сместится в прямом направлении. Другими словами, система должна понижать повышенную концентрацию исходных веществ и смещаться в сторону образования продуктов реакции.

На примере этой же реакции рассмотрим смещение равновесия при изменении давления.

При увеличения давления равновесие смещается в сторону уменьшения числа молей.

При уменьшении давления равновесие сдвигается в сторону возрастания числа молей газообразных веществ, т. е. в сторону увеличения давления.

Следовательно, относительно рассматриваемой реакции при увеличении давления равновесие смещается в прямом направлении, в сторону образования аммиака, при понижении давления - в обратном направлении, в сторону исходных веществ.

Фактором, который определяет направление смещения равновесия при изменении температуры, является тепловой эффект реакции. Реакция является эндотермической, если протекает с поглощением тепла. Реакция, протекающая с выделением тепла, называется экзотермической.

Реакция синтеза аммиака:

является экзотермической; реакция разложения аммиака на водород и азот - эндотермическая.

При повышении температуры усиливается эндотермическая реакция, при понижении температуры - экзотермическая реакция.

В рассматриваемой реакции при повышении температуры равновесие смещается в обратном направлении, а при понижении температуры - в прямом, в сторону образования аммиака.