Тема 4. Химическая кинетика

Кинетика химических реакций – это учение о скорости химических процессов.

Скоростью химической реакции называют изменение концентрации какого-либо из реагирующих веществ в единицу времени.

Скорость реакции определяется природой реагирующих веществ и зависит от условий протекания процесса, а именно: концентрации реагирующих веществ, температуры, наличия катализаторов и др.

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях , равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для реакции

2NO + O₂ → 2NO₂ закон действия масс может быть записан

v = k [NO]²[O₂],

где v – скорость химической реакции,

k – константа скорости,

[NO], [O₂] – концентрации реагирующих веществ.

Реакция в гетерогенной системе, где реагирующие вещества находятся в разных фазах, осуществляется на поверхности раздела между фазами. Поэтому скорость гетерогенной реакции при постоянной температуре зависит от площади поверхности раздела, а не от концентрации твердого вещества. В этом случае для реакции
С (тв) + О₂ → СО₂ (г)

Закон действия масс может быть записан

v = k [O₂]

Пример 1. Как изменится скорость реакции N₂+3H₂ →2NH₃ при увеличении давления в системе в 2 раза?

Так как исходные вещества газообразные, то изменение давления и объема влияют на концентрации этих веществ: увеличение давления пропорционально концентрации этих веществ, а увеличение объема, наоборот, уменьшает концентрацию этих веществ.

Запишем выражение закона действия масс для данной реакции:

v₁= k [N₂][H₂]³,

При увеличении давления в два раза концентрация обоих реагирующих веществ также увеличится в два раза. Тогда

v₂ = k [2N₂][2H₂]³

Следовательно, скорость реакции увеличится в 16 раз.

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа:

v_t2 = v_t1∙γ^(t2-t1)/10 , где

v_t2 и v_t1 скорости реакций при t₁ и t₂;

γ – температурный коэффициент, показывающий во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10°, может принимать значения от 2 до 4.

Причиной роста скорости реакции от температуры является увеличение доли молекул, имеющих энергию активации, т. е. долю активных молекул. Энергия активации это та энергия, которая необходима чтобы произошла химическая реакция, она всегда больше чем средняя энергия молекул данной системы.

Пример 2. Как изменится скорость реакции при повышении температуры реакции с 25° до 75°, если температурный коэффициент равен 2?

v_t2/ v_t1 = γ^(t2-t1)/10 = 2^(75-25)/10 = 2⁵ = 32

Скорость реакции возрастет в 32 раза.

Скорость химической реакции возрастает в присутствии катализатора, который снижает энергию активации, благодаря образованию нестабильных промежуточных соединений.

Контрольные вопросы

1. Как следует изменить температуру, чтобы скорость реакции возрасла в 100 раз, если температурный коэффициент равен 2?
2. Как изменится скорость реакции 2NO + O₂ = 2NO₂ при уменьшении давления в 3 раза?
3. Как изменится скорость реакции при изменении температуры с 70° до 30° С если
   γ = 3?
4. Как следует изменить давление, чтобы увеличить скорость реакции

С₂Н₄ + Н₂ = С₂Н₆ в 30 раз?

1. Как изменится скорость реакции С₂Н₄ + НBr = C₂H₅Br при уменьшении объема в 5 раз?
2. Во сколько раз увеличится скорость прямой реакции 2SO₂ + O₂ = 2SO₃, если концентрацию оксида серы (IV) увеличить в три раза?
3. Как изменится скорость горения этилена , если концентрацию кислорода увеличить в три раза?
4. Определите изменение скорости реакции С₄Н₆ + 2Н₂ = С₄Н₁₀ при уменьшении давления в системе в три раза?
5. Как изменится скорость горения метана при уменьшении концентрации кислорода в два раза?
6. Скорость реакции при 0° С равна 1 моль/л∙с. Вычислите скорость этой реакции при 30°С, если температурный коэффициент равен 3.
7. Определите изменение скорости гетерогенной реакции 2C(тв) + 3H2(г) = C2H6 (г) при увеличении концентрации водорода в 4 раза.
8. Во сколько раз изменится (увеличится или уменьшится) скорость прямой реакции 4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O при уменьшении давления в два раза.
9. Реакция идет по уравнению 2NO + O₂ = 2NO₂. Концентрация исходных веществ соответственно равна 0,02 моль/л и 0,03 моль/л. Как изменится скорость реакции при увеличении концентрации обоих исходных веществ до 0,04 моль/л?
10. Напишите выражение закона действия масс для реакции 2СО + О₂ = 2СО₂. Как изменится скорость этой реакции, если объем системы увеличить в 3 раза?
11. Как изменится скорость прямой реакции 2SO₂ + O₂ = 2SO₃, при увеличении концентрации обоих веществ в два раза?
12. При увеличении температуры на 30° скорость реакции возросла в 64 раза. Вычислите температурный коэффициент реакции.
13. Во сколько раз возрастет скорость химической реакции при повышении температуры с 20°С до 50° С, если температурный коэффициент скорости реакции γ = 3?
14. Во сколько раз уменьшится скорость реакции при понижении температуры от 100° С до 60 °С, если при охлаждении системы на 10°С скорость реакции уменьшается в два раза?
15. Для реакции А + 2В = С + 2D константа скорости К = 10^-6л²/ моль²∙с, концентрации веществ А и В равны соответственно 0,6 моль/л, 1 моль/л. Вычислите скорость этой реакции.
16. Для реакции А + В = 2С константа скорости равна 1∙10^-8 л/моль∙с, концентрации веществ А и В равны соответственно 1,0 моль/л и 0,5 моль/л. Вычислите скорость этой реакции.