Скорость химических реакций

Скорость химической реакции равна изменению количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства В зависимости от типа химической реакции (гомогенная или гетерогенная) меняется характер реакционного пространства. Реакционным пространством принято называть область, в которой локализован химический процесс: объем (V), площадь (S).

Реакционным пространством гомогенных реакций является объем, заполненный реагентами. Так как отношение количества вещества к единице объема называется концентрацией (с), то скорость гомогенной реакции равна изменению концентрации исходных веществ или продуктов реакции во времени. Различают среднюю и мгновенную скорости реакции.

Средняя скорость реакции равна:

, (3.1)

где с2 и с1 — концентрации исходных веществ в моменты времени t2 и t1.

Знак минус «-» в этом выражении ставится при нахождении скорости через изменение концентрации реагентов (в этом случае Dс < 0, так как со временем концентрации реагентов уменьшаются); концентрации продуктов со временем нарастают, и в этом случае используется знак плюс «+».

Скорость реакции в данный момент времени или мгновенная (истинная)скорость реакции vравна:

(3.2)

Скорость реакции в СИ имеет единицу [моль×м-3×с-1], также используются и другие единицы величины [моль×л-1×с-1], [моль×см-3 ×с-1], [моль×см –З×мин-1].

Скоростью гетерогенной химической реакции v называют, изменение количества реагирующего вещества (Dn) за единицу времени (Dt) на единице площади раздела фаз (S) и определяется по формуле:

(3.3)

или через производную:

(3.4)

Единица скорости гетерогенной реакции — моль/м2 ×с.

Пример 1. В сосуде смешали хлор и водород. Смесь нагрели. Через 5 с концентрация хлороводорода в сосуде стала равной 0,05 моль/дм3. Определите среднюю скорость образования хлороволорода (моль/дм3 с).

Решение. Определяем изменение концентрации хлороводорода в сосуде через 5 с после начала реакции:

Dс(HCl)=c2-c1,

где с2, с1 — конечная и начальная молярная концентрация HСl.

Dс (НСl) = 0,05 — 0 = 0,05 моль/дм3.

Рассчитаем среднюю скорость образования хлороводорода, используя уравнение (3.1):

Ответ: 7 = 0,01 моль/дм3 ×с.

Пример 2. В сосуде объемом 3 дм3 протекает реакция:

C2H2 + 2H2®C2H6.

Исходная масса водорода равна 1 г. Через 2 с после начала реакции масса водорода стала равной 0,4 г. Определите среднюю скорость образования С2Н6 (моль/дм’×с).

Решение. Масса водорода, вступившего в реакцию (mпрор (H2)), равна разнице между исходной массой водорода (mисх (Н2)) и конечной массой непрореагировавшего водорода (тк (Н2)):

тпрор.(Н2)= тисх (Н2)-mк(Н2); тпрор (Н2)= 1-0,4 = 0,6 г.

Рассчитаем количество водорода:

= 0,3 моль.

Определяем количество образовавшегося С2Н6:

— по уравнению: из 2 моль Н2 образуется ® 1 моль С2Н6;

— по условию: из 0,3 моль Н2 образуется ® х моль С2Н6.

;

n(С2Н6) = 0,15 моль.

Вычисляем концентрацию образовавшегося С2Н6:

Находим изменение концентрации С2Н6:

0,05-0 = 0,05 моль/дм3. Рассчитаем среднюю скорость образования С2Н6, используя уравнение (3.1):

Ответ: =0,025 моль/дм3 ×с.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Скорость химической реакции определяется следующими основными факторами:

1) природой реагирующих веществ (энергия активации);

2) концентрацией реагирующих веществ (закон действующих масс);

3) температурой (правило Вант-Гоффа);

4) наличием катализаторов (энергия активации);

5) давлением (реакции с участием газов);

6) степенью измельчения (реакции, протекающие с участием твердых веществ);

7) видом излучения (видимое, УФ, ИК, рентгеновское).

Зависимость скорости химической реакции от концентрации выражается основным законом химической кинетики — законом действующих масс.

Закон действующих масс. В 1865 г. профессор Н. Н. Бекетов впервые высказал гипотезу о количественной взаимосвязи между массами реагентов и временем течения реакции: «… притяжение пропорционально произведению действующих масс». Эта гипотеза нашла подтверждение в законе действия масс, который был установлен в 1867 г. двумя норвежскими химиками К. М. Гульдбергом и П. Вааге. Современная формулировка закона действия масс такова: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степе нях, равных стехиометрическим коэффициентам в уравненш реакции.

Для реакции аА + bВ = тМ + nN кинетическое уравнение за-кона действия масс имеет вид:

, (3.5)

где — скорость реакции;

k — коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости химической реакции (при = 1 моль/дм3 k численно равна ); — концентрации реагентов, участвующих в реакции.

Константа скорости химической реакции не зависит от концентрации реагентов, а определяется природой реагирующих веществ и условиями протекания реакций (температурой, наличием катализатора). Для конкретной реакции, протекающей при данных условиях, константа скорости есть величина постоянная.

Пример 3. Написать кинетическое уравнение закона действия масс для реакции:

2NO (г) + С12 (г) = 2NOCl (г).

Решение. Уравнение (3.5) для данной химической реакции имеет :ледующий вид:

Для гетерогенных химических реакций в уравнение закона действующих масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой или жидкой фазах. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно постоянна и входит в константу скорости.

Пример 4. Написать кинетическое уравнение закона действия масс для реакций:

a)4Fe(т) + 3O2(г) = 2Fe2O3(т);

б) СаСОз (т) = СаО (т) + СО2 (г).

Решение. Уравнение (3.5) для данных реакций будет иметь следующий вид:

a) 6)

Поскольку карбонат кальция — твердое вещество, концентрация которого не изменяется в ходе реакции, т. е. в данном случае скорость реакции при определенной температуре постоянна.

Пример 5. Во сколько раз увеличится скорость реакции окисления оксида азота (II) кислородом, если концентрации реагентов увеличить в два раза?

Решение. Записываем уравнение реакции:

2NO + О2= 2NO2.

Обозначим начальные и конечные концентрации реагентов соответственно с1(NO), cl(O2) и c2(NO), c2(O2). Точно так же обозначим начальную и конечную скорости реакций: vt, v2. Тогда, используя уравнение (3.5), получим:

По условию с2(NO) = 2c1 (NO), с2(О2) =2с1(О2).

Находим v2 =к[2c1(NO)]2 ×2cl(O2).

Находим, во сколько раз увеличится скорость реакции:

Ответ: в 8 раз.

Влияние давления на скорость химической реакции наиболее существенно для процессов с участием газов. При изменении давления в и раз в п раз уменьшается объем иn раз возрастает концентрация, и наоборот.

Пример 6. Во сколько раз возрастет скорость химической реакции между газообразными веществами, реагирующими по уравнению А + В = С, если увеличить давление в системе в 2 раза?

Решение. Используя уравнение (3.5), выражаем скорость реакции до увеличения давления:

Кинетическое уравнение после увеличения давления будет иметь следующий вид:

При увеличении давления в 2 раза объем газовой смеси согласно закону Бойля-Мариотта (рУ = const) уменьшится также в 2 раза. Следовательно, концентрация веществ возрастет в 2 раза.

Таким образом, с2(А) = 2c1(A), c2(B) = 2с1{В). Тогда

Определяем, во сколько раз возрастет скорость реакции при увеличении давления:

Ответ: в 4 раза.

При решении задач необходимо учитывать, что концентрации реагирующих веществ со временем уменьшаются, а концентрации продуктов растут.

Пример 7. Для реакции 4NH3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О начальные концентрации NH3 и О2 равны соответственно 2 моль/дм3 и 3 моль/дм3- Определите их концентрации в момент времени, когда прореагирует 30 % NH3.

Решение. В подобных задачах подразумевается, что объем реакционной системы со временем не изменяется. Пусть объем системы равен 1 дм3, тогда концентрации реагентов, как следует из формулы

численно равны их количествам, т. е. n(NH3) = 2 моль и n(О2) = 3 моль. Далее решаем задачу с использованием количества вещества, а затем определяем концентрации по формуле

Рассчитываем количество прореагировавшего аммиака:

nпрор(NH3) = n1(NH3) ×0,3 = 2×0,3 = 0,6 моль. Тогда количество оставшегося аммиака равно:

n2 (NH3 ) = 2 — 0,6 = 1,4 моль,

а его концентрация:

c2(NH3) = = l,4 моль /дм3.

Находим количество прореагировавшего кислорода. Согласно уравнению реакции 4 моль NH3 реагирует с 5 моль O2, а 0,6 моль прореагировавшего NH3 будет взаимодействовать с х моль О2.

4 моль МН3 — 5 моль О2;

0,6 моль NH3 — х моль О2.

Отсюда х = = 0,75 моль.