Лабораторная работа

Скорость химических реакций теоретическое введение

Для рассмотрения вопроса о скорости химических реакций необходимо различать:

Гомогенные системы – однородные системы, не имеющие границ раздела. Реакции в них протекают во всем объеме. Такие реакции протекают в растворах и в газовых смесях, когда реагенты находятся в одинаковых агрегатных состояниях.

Гетерогенные системы – неоднородные системы, имеющие границу раздела. Реакции в них протекают на поверхности раздела фаз. Такие реакции протекают между веществами, находящимися в разных агрегатных состояниях.

Скорость химической реакции υ – изменение концентрации веществ (С) в единицу времени (t) при постоянном реакционном объеме системы (для гомогенных систем).

υ =	ΔС	=	(С2 – С1)	[υ] = моль/л∙с
	Δt		(t2 – t1)

Для гетерогенных систем скорость реакции определяется как изменение количества вещества в единицу времени на единице поверхности фазы.

Скорость химической реакции зависит от следующих факторов:

1. Природа реагентов;

2. Концентрация реагирующих веществ;

3. Температура реакционной системы;

4. Наличие катализатора в системе;

5. Площадь поверхности твердого вещества (в гетерогенной системе).

Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ выражается Законом действующих масс:

При постоянной температуре скорость химической реакции прямопропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам при этих веществах.

Математическое выражение Закона действующих масс:

aA + bB = cC + dD

Combin = k[A]^a[B]^b

где k – константа скорости химической реакции, [A] и [B] – концентрации реагентов А и В.

Если [A] = [B]= 1 моль/л, тогда k = υ.

Таким образом, константа скорости химическое реакции – это скорость химической реакции при концентрациях реагирующих веществ 1 моль/л.

Пример: 2SO₂(г) + O₂(г) = 2SO₃(г)

Combin = k[SO₂]²[O₂]

Combin = k[SO₃]²

Концентрация твердых веществ остается постоянной, поэтому на скорость реакции она не влияет и в выражение Закона действующих масс не записывается:

Пример: CaCO₃(тв) + H₂O(ж) + CO₂(г) = Ca(HCO₃)₂(водн)

Combin = k[H₂O][CO₂]

Combin = k[Ca(HCO₃)₂]

Пример: CaO(тв) + CO₂(г) = CaCO₃(тв)

Combin = k[CO₂]

Combin = k

Зависимость скорости химической реакции от температуры реакционной системы приближенно выражается правилом Вант-Гоффа:

При повышении (понижении) температуры на каждые 10 градусов скорость большинства химических реакций увеличивается (уменьшается) в 2‑4 раза.

υ₂ = υ₁·γ\s\up 15(\x\bo(T2-T1= υ₁·γ\s\up 15(\x\bo(ΔT

где υ₁ и υ₂– скорости химической реакции при соответствующих температурах T₁ и T₂; γ – температурный коэффициент.

Если ΔT = T₂ – T₁ = 10, тогда υ₂ = υ₁·γ

Температурный коэффициент показывает, во сколько раз изменяется скорость химической реакции при изменении температуры на 10 градусов . Для большинства химических реакций γ принимает значение от 2 до 4.

Правило Вант-Гоффа выполняется лишь в очень небольших интервалах температур.

Более точно зависимость скорости реакции от температуры отражает уравнение Аррениуса:

k = A_o·

где k – константа скорости реакции, с^-1

A_o – предэкспоненциальный множитель

Е_а – энергия активации, Дж/моль

R – универсальная газовая постоянная. R = 8,31 Дж/моль·К

Т – абсолютная температура, К

Предэкспоненциальный множитель A_o учитывает вероятность правильной ориентации реагирующих частиц в пространстве Р_ор , а также частоту столкновений Z. С ростом числа и сложности реагирующих молекул А_о уменьшается.

Энергия активации Е_а – минимальная энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы их столкновение привело к химическому взаимодействию.

Измеряется Е_а в Дж/моль и для большинства реакций принимает значения 40-400 кДж/моль.

Молекулы, обладающие такой энергией, называются активными.

Чем меньше Е_а, тем большее число молекул в системе будут обладать такой энергией, и, следовательно, больше столкновений приведет к образованию продуктов реакции. То есть, чем меньше энергия активации, тем больше скорость реакции.

Чем больше Е_а, тем меньше в системе активных молекул и, следовательно, меньше скорость реакции.

Энергию активации можно рассчитать с помощью уравнения Аррениуса, зная значения констант скоростей реакции при разных температурах:

Ea =	R T1 T2 ln\s\up 7(\x\bo(k2
	T2-T1

Или зная значение температурного коэффициента γ :

Ea =	R T1 T2 lnγ
	T2-T1

где E_a – энергия активации, Дж/моль ,

R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль·K),

T₁ и T₂ – значения абсолютной температуры реакции, K

k₁ и k₂ – константы скорости реакции при температурах T₁ и T₂ , с^-1

γ – температурный коэффициент