Скорость химических реакций. Зависимость скорости реакции от концентрации. Закон действующих масс. Константа скорости реакции

Под скоростью химической реакции понимается изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени. Концентрация вещества определяется числом молей в литре. При этом безразлично, о каком из участвующих в реакции веществ идет речь: псе они связаны между собой уравнениями реакции. По изменению концентрации одного из веществ можно судить о соответствующих изменениях концентраций всех остальных. При рассмотрении вопроса о скорости реакции необходимо различать гомогенные и гетерогенные реакции.Гомогенные реакции протекают в однородной среде, например в смеси газов или в водном растворе. Например:

2S0₂ + 0₂ -> 2SO_sгаз газ газ

Гетерогенные реакции идут на поверхности соприкосновения твердого вещества и газа, твердого вещества и жидкости и т. д. Например:

Fe + 2HCl-> FeCl₂ + H₂t

В связи с этим скорость гомогенной реакции и скорость гетерогенной реакции определяются различно.Скорость гомогенной реакции математически можно отразить так:

V =+,- дельта с/дельта t

v — скорость реакции в гомогенной системе; с,, с₂ — начальная и конечная концентрации одного из веществ, измеряемая числом молей в литре (моль/л);г,, t ₂ — моменты времени (секунды, минуты).Если речь идет о концентрации исходного вещества (концентрация которого с течением времени уменьшается), то берется знак «-». Если скорость оценить увеличением концентрации одного из продуктов реакции, то берется знак «+».Скорость реакции выражается в моль/л-с.Учитывая это, скорость гомогенной реакции можно определить так: Скорость гомогенной реакции определяется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема. Если реакция протекает между веществами в гетерогенной системе, то реагирующие вещества соприкасаются между собой не по всему объему, а только на поверхности. В связи с этим определение скорости гетерогенной реакции следующее. Скорость гетерогенной реакции определяется числом молей вещества, вступившего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице поверхности. В математической формуле это можно отразить так:

v гетерог= дельта v / S дельта t

v — скорость гетерогенной реакции;

Av — количество молей вещества, вступившего или образующегося в реакции (моль);

S — площадь поверхности соприкосновения (м );

t — промежуток времени (секунда, минута).

Скорость реакции выражается в моль/м –с

Факторы, влияющие на скорость химической реакцииРассмотрим важнейшие факторы, которые влияют на скорость химической реакции. Скорость химической реак ции зависит от следующих факторовПрирода реагирующих веществ. Под природой вещества понимают физическую природу, обусловленную строением его молекулы и взаимным влиянием атомов внутри ее, которое зависит от их электронного строения. Например, при равных условиях реакция более активного металла (цинка) с раствором соляной кислоты идет с бурным выделением водорода, менее активного (олово) — довольно медленно:

Zn + 2НС1 4 ZnCL, + Н₂Т

Sn + 2HC1 =nCl₂ + H₂t

Концентрация реагирующих веществ. При увеличении концентрации реагирующих веществ число столкновений между их молекулами увеличивается, поэтому увеличивается и скорость реакции. Например, горение угля в чистом кислороде происходит быстрее, чем в воздухе, где содержание кислорода составляет 20-21%:с + о₂ -> со₂ Площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Для твердых веществ скорость прямо пропорциональна поверхности реагирующих веществ, которую можно увеличить при измельчении и перемешивании.

Например, быстрее реагирует с соляной кислотой порошок алюминия, чем кусочек алюминия:

2А1 + 6НС1 =2А1С1₃ + ЗН₂Т

Температура. При повышении температуры скорость большинства реакций увеличивается. Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10° скорость реакции увеличивается в 2-4 раза. Например, водород и кислород при комнатной температуре практически не взаимодействуют, а при 600°С реагируют мгновенно (взрыв):2Н₂ + 0₂ Hi 2H₂0 Увеличение температуры приводит к увеличению числа активных молекул, обладающих достаточной энергией для взаимодействия.Катализатор. Катализаторами называют вещества, которые увеличивают скорости химических реакций, но сами при этом не расходуются. Явление такого ускорения реакций называется катализом. В зависимости от того, в одинаковых или различных агрегатных состояниях находится катализатор и реагирующие вещества, различают гомо генный и гетерогенный катализ. При гетерогенном катализе, когда катализатор представляет собой твердое вещество, а реакция проходит в растворе или газе, реагирующие вещества адсорбируются на поверхности катализатора, где и происходит собственно химическая реакция:

СН₂=СН₂ + Н₂ =СН₃-СН₃этилен этан

N₂ + 3H₂=NH₃ аммиак

При гомогенном катализе, когда катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе, катализатор ускоряет реакцию путем образования промежуточных веществ при взаимодействии с одним из исходных компонентов, например:

2SO, + О., =2SO, (NO, - катализатор)

2         2    3    2

Все вещества в газовой фазе.

СН₃СООН + С₂Н₂ОН -> СН₃СООС₂Н₅ + Н₂0

уксусная этанол 2 4 этиловый эфир. кислота  уксусной кислоты

Все реагенты в жидкой фазе.Особую роль играют биологические катализаторы — ферменты. При их участии протекают сложные химические процессы в растительных и животных организмах. Однако, кроме катализаторов, которые ускоряют реакции, есть вещества, которые замедляют химические реакции, то есть снижают скорость реакции. Их называют ингибито рами. Например соединения мышьяка, ртути, свинца, цианистые соединения и др.Влияние концентрации реагирующих веществ может быть объяснено из представлений, согласно которым химическое взаимодействие является результатом столкновения частиц. Увеличение числа частиц в заданном объеме приводит к более частым их столкновениям, т.е. к увеличению скорости реакции. Количественно зависимость между скоростью реакции и молярными концентрациями реагирующих веществ описывается основным законом химической кинетики — законом действующих масс. Скорость химической реакции при постоянной температуре прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.Для мономолекулярной реакции скорость реакции  определяется концентрацией молекул вещества А:v = k*[A]где k — коэффициент пропорциональности, который называется константой скорости реакции; [А] — молярная концентрация вещества А.В случае бимолекулярной реакции, ее скорость определяется концентрацией молекул не только вещества А, но и вещества В:v = k*[A]*[B]В случае тримолекулярной реакции, скорость реакции выражается уравнением: v = k*[A]2*[B]В общем случае, если в реакцию вступают одновременно т молекул вещества А и n молекул вещества В, т. е.тА + пВ = С, уравнение скорости реакции имеет вид:v = k*[A]m*[B]nЭто уравнение есть математическое выражение закона действующих масс в общем виде. Чтобы понять физический смысл константы скорости реакции, надо принять в написанных выше уравнениях, что [А] = 1 моль/л и [В] = 1 моль/л (либо приравнять единице их произведение), и тогда v = k. Отсюда ясно, что константа скорости k численно равна скорости реакции, когда концентрации реагирующих веществ (или их произведение в уравнениях скорости) равны единице. Общее выражение для скорости химической реакции получено для данной, фиксированной температуры. В общем же случае, поскольку скорость реакции зависит от температуры, закон действующих масс записывается как v(T) = k(T) *[A]m*[B]n де v и k являются функциями температуры Константа скорости химической реакции, ее зависимость от температуры Многочисленные опыты показывают, что при повышении температуры скорость большинства химических реакций существенно увеличивается, причем для реакций в гомогенных системах при нагревании на каждые десять градусов скорость реакции возрастает в 2—4 раза (правило Вант-Гоффа).Это правило связано с понятием температурного коэффициента скорости реакции г и определяется соотношением г = kТ+10 / kТ Значение температурного коэффициента г дает возможность рассчитать изменение скорости реакции при увеличении температуры на некоторое число градусов от Т1 до Т2 по формуле v(Т1)/v(Т2) = г(Т2-Т1)/10Очевидно, что при повышении температуры в арифметической прогрессии скорость реакции возрастает в геометрической.