Химическая кинетика

Скорость реакции - это изменение концентрации исходного вещества или продукта реакции в единицу времени. Средняя скорость реакции (v) в интервале времени от t₁ до t₂ определяется соотношением

v = ± (С₂ - С₁)/ (t₂ - t₁) = ± DС/Dt,

где С₁ и С₂ - молярная концентрация любого участка реакции в моменты времени t₁ и t₂; знак “-“ относится к концентрации исходных веществ, которые расходуются в результате протекания реакции (DС < 0), а знак “+“ - к концентрации продуктов реакции (DС > 0).

Истинная скорость - это скорость реакции в данный момент времени t. Она определяется соотношением

v = ± dc/dt.

Все вещества в уравнениях реакции связаны стехиометрическим соотношением, поэтому для реакции, записанной в общем виде

аА + bB ® cC + dD, (1)

получаем

-1/а× dC(А)/dt= -1/b× dC(B)/dt = 1/с× dC(С)/ dt =1/d× dC(D)/dt.

Пример 1

Через некоторое время после начала реакции

3А + В ® 2C + D

концентрации веществ составили [А] = 0, 03 моль/л; [В] = 0, 01 моль/л; [С] = 0, 08моль/л. Каковы исходные концентрации веществ А и В?

Решение

Запишем химическую реакцию и обозначим под ней концентрации веществ в начальный (t = 0) и текущий (t) моменты времени.

3А + В ® 2C + D

t = 0 x y 0 0

t 0, 03 0, 01 0, 08

Предположим, что за время t концентрация веществ [В] изменилась на величину Z. Тогда, в соответствии с уравнением химической реакции, за тот же промежуток времени должно было прореагировать в 3 раза больше вещества А, что, в свою очередь, привело бы к изменению его концентрации на величину, равную 3Z. При этом концентрация вещества С должна была бы возрасти на величину 2Z, а концентрация вещества D - на величину Z. Таким образом:

2Z = 0, 08 моль/л, откуда Z = 0, 04 моль/л;

х = 0, 03 + 3Z = 0, 03 + 3× 0, 04 = 0, 15 моль/л,

[А]_о = 0, 15 моль/л;

у = 0, 01 + Z = 0, 01 + 0, 04 = 0, 05 моль/л,

[В]_о = 0, 05 моль/л.

Основные факторы, влияющие на скорость химической реакции, - природа реагирущих веществ; их концентрация (давление, если в реакции участвуют газы); температура; присутсвие катализатора; площадь поверхности соприкосновения (для гетерогенных реакций).

Влияние концентрации (давления)

Зависимость скорости химической реакции от концентрации определяется законом дейстующих масс. Для реакции (1) кинетическое уравнение имеет вид

v = k× [A]^а× [B]^b,

где [A] и [B] - молярные концентрации реагирующих веществ А и В; k - константа скорости реакции; а, в - порядок реакции по отношению к веществам А и В. Порядок реакции определяет характер зависимости скорости от концентрации. Общий (суммарный) кинетический порядок реакции равен сумме показателей степеней при концентрациях реагирующих веществ. Для элементарных процессов порядок реакции совпадает со стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции.

Пример 2

Найти значение константы скорости реакции А + В ® АВ, если при концентрациях веществ А и В, равных соответственно 0, 05 и 0, 01 моль/л, скорость реакции равна 5× 10^-5 моль/л× сек.

Решение

Исходя из закона действующих масс

v = k × [A]¹ × [B]¹,

v = 5× 10^-5,

k = v/([А]× [В])= 5× 10^-5/(0, 05× 0, 01) = 1× 10^-1 л × моль^-1 × с^-1.

Пример 3

Написать выражение закона действующих масс для реакции

2NO(г) + O₂(г) ® 2NO₂(г).

Как изменится скорость реакции, если умень­шить объем реакционного сосуда в 3 раза?

Решение

а). v = k × [NO]²× [O₂].

б). Вследствие уменьшения объема концентрация каждого из реагирую­щих веществ возрастет в три раза. Следовательно, если до повышения давления скорость реакции была равна v₀, то после повышения

v = k × (3[NO])²× (3[O₂]) =27× k × [NO]²× [O₂] = 27× v₀.

Таким образом, скорость возрастет в 27 раз.

Пример 4

Как изменится скорость химической реакции, описываемой уравнением 2А + В ® С, если концентрацию вещества А увеличить в 4 раза, а концентрацию вещества В уменьшить в 2 раза.

Решение

Записываем выражение скорости химической реакции при начальных условиях:

v₀ = k × [A]²× [B].

После изменений концентраций

v = k × (4× [А])²× (1/2× [В])= 8× k × [А]²× [В] = 8× v₀.

Таким образом, скорость реакции возрастет в 8 раз.