системи. Но тази стойност не отразява реалната възможност за възникване на реакцията, нейната скорости механизъм.

За да разберете напълно една химична реакция, трябва да знаете какви времеви модели съществуват по време на нейното осъществяване, т.е. скорост на химична реакцияи неговия подробен механизъм. Изследвайте скоростта и механизма на реакцията химична кинетика- наука за химичния процес.

От гледна точка на химичната кинетика реакциите могат да бъдат класифицирани на прости и сложни.

Прости реакции– процеси протичащи без образуване на междинни съединения. Според броя на участващите в него частици се делят на мономолекулни, бимолекулни, тримолекулни.Сблъсъкът на повече от 3 частици е малко вероятен, така че тримолекулните реакции са доста редки, а четиримолекулните реакции са неизвестни. Сложни реакции– процеси, състоящи се от няколко елементарни реакции.

Всеки процес протича с присъщата му скорост, която може да се определи от промените, които настъпват за определен период от време. Средно аритметично скорост на химична реакцияизразява се чрез промяна на количеството на веществото нконсумирано или получено вещество за единица обем V за единица време t.

υ = ± дн/ дт· V

Ако веществото се изразходва, поставяме знак „-“, ако се натрупва, поставяме знак „+“.

При постоянен обем:

υ = ± dC/ дт,

Единица за скорост на реакцията mol/l s

Като цяло υ е постоянна стойност и не зависи от това кое вещество, участващо в реакцията, наблюдаваме.

Във формуляра е представена зависимостта на концентрацията на реагент или продукт от времето на реакцията кинетична крива, което изглежда така:

По-удобно е да се изчисли υ от експериментални данни, ако горните изрази се трансформират в следния израз:

Закон за масовото действие. Ред и константа на скоростта на реакцията

Една от формулировките закон за масовото действиезвучи така: Скоростта на елементарна хомогенна химична реакция е правопропорционална на произведението на концентрациите на реагентите.

Ако процесът, който се изследва, е представен във формата:

a A + b B = продукти

тогава може да се изрази скоростта на химичната реакция кинетично уравнение:

υ = k [A] a [B] bили

υ = k·C a A ·C b B

Тук [ А] И [б] (C A ИC B) - концентрации на реагенти,

а иb– стехиометрични коефициенти на проста реакция,

к– константа на скоростта на реакцията.

Химическо значение на количеството к- Това бърза реакцияпри единични концентрации. Тоест, ако концентрациите на веществата А и В са равни на 1, тогава υ = к.

Трябва да се има предвид, че при сложни химични процеси коеф а иbне съвпадат със стехиометричните.

Законът за масовото действие е изпълнен, ако са изпълнени няколко условия:

• Реакцията се активира термично, т.е. енергия на топлинно движение.
• Концентрацията на реагентите се разпределя равномерно.
• Свойствата и условията на околната среда не се променят по време на процеса.
• Свойствата на околната среда не трябва да влияят к.

Към сложни процеси закон за масовото действие не може да се прилага. Това може да се обясни с факта, че един сложен процес се състои от няколко елементарни етапа и неговата скорост няма да се определя от общата скорост на всички етапи, а само от един най-бавен етап, който се нарича ограничаване.

Всяка реакция има своя собствена поръчка. Дефинирайте частна (частична) поръчкачрез реагент и общ (пълен) ред. Например, при изразяване на скоростта на химическа реакция за процес

a A + b B = продукти

υ = к·[ А] а·[ б] b

а– подреждане по реактив А

b — подреждане по реагент IN

Обща процедура а + b = н

За прости процесиредът на реакцията показва броя на реагиращите видове (съвпада със стехиометричните коефициенти) и приема цели числа. За сложни процесиредът на реакцията не съвпада със стехиометричните коефициенти и може да бъде произволен.

Нека определим факторите, влияещи върху скоростта на химичната реакция υ.

1. Зависимост на скоростта на реакцията от концентрацията на реагентите

   определя се от закона за масовото действие: υ = к[ А] а·[ б] b

Очевидно е, че с увеличаване на концентрациите на реагентите υ се увеличава, т.к нараства броят на сблъсъците между веществата, участващи в химичния процес. Освен това е важно да се вземе предвид редът на реакцията: ако тя n=1за някакъв реагент, тогава неговата скорост е право пропорционална на концентрацията на това вещество. Ако за някакъв реагент n=2, тогава удвояването на концентрацията му ще доведе до увеличаване на скоростта на реакцията с 2 2 = 4 пъти, а увеличаването на концентрацията с 3 пъти ще ускори реакцията с 3 2 = 9 пъти.

Една от областите на физическата химия, химическата кинетика, изучава скоростта на химичната реакция и условията, които влияят върху нейната промяна. Той също така изследва механизмите на тези реакции и тяхната термодинамична валидност. Тези изследвания са важни не само за научни цели, но и за наблюдение на взаимодействието на компонентите в реакторите по време на производството на всякакви вещества.

Концепцията за скорост в химията

Скоростта на реакцията обикновено се нарича определена промяна в концентрациите на съединенията, които са влезли в реакцията (ΔC) за единица време (Δt). Математическата формула за скоростта на химичната реакция е следната:

ᴠ = ±ΔC/Δt.

Скоростта на реакцията се измерва в mol/l∙s, ако протича в целия обем (т.е. реакцията е хомогенна) и в mol/m 2 ∙s, ако взаимодействието възниква на повърхността, разделяща фазите (т.е. реакцията е хетерогенна). Знакът „-“ във формулата се отнася за промените в концентрациите на първоначалните реагенти, а знакът „+“ се отнася до променящите се концентрации на продуктите от същата реакция.

Примери за реакции с различни скорости

Химичните взаимодействия могат да протичат с различна скорост. По този начин скоростта на растеж на сталактитите, тоест образуването на калциев карбонат, е само 0,5 mm на 100 години. Някои биохимични реакции протичат бавно, като фотосинтезата и протеиновия синтез. Корозията на металите протича с доста ниска скорост.

Средната скорост може да се използва за описание на реакции, които изискват един до няколко часа. Пример може да бъде готвенето, което включва разлагането и трансформацията на съединенията, съдържащи се в храните. Синтезът на отделни полимери изисква нагряване на реакционната смес за определено време.

Пример за химични реакции, чиято скорост е доста висока, са реакциите на неутрализация, взаимодействието на натриев бикарбонат с разтвор на оцетна киселина, придружено от отделяне на въглероден диоксид. Можете също така да споменете взаимодействието на бариев нитрат с натриев сулфат, при което се наблюдава освобождаване на утайка от неразтворим бариев сулфат.

Голям брой реакции могат да се появят със светкавична скорост и са придружени от експлозия. Класически пример е взаимодействието на калий с вода.

Фактори, влияещи върху скоростта на химичната реакция

Струва си да се отбележи, че едни и същи вещества могат да реагират помежду си с различна скорост. Например, смес от газообразен кислород и водород може да не показва признаци на взаимодействие за доста дълго време, но когато контейнерът се разклати или удари, реакцията става експлозивна. Следователно химичната кинетика идентифицира определени фактори, които имат способността да влияят на скоростта на химичната реакция. Те включват:

• естеството на взаимодействащите вещества;
• концентрация на реагенти;
• промяна на температурата;
• наличие на катализатор;
• промяна на налягането (за газообразни вещества);
• зона на контакт между веществата (ако говорим за хетерогенни реакции).

Влияние на природата на веществото

Такава значителна разлика в скоростите на химичните реакции се обяснява с различни стойности на енергията на активиране (Ea). Разбира се като определено излишно количество енергия в сравнение със средната й стойност, необходима на молекула по време на сблъсък, за да настъпи реакция. Измерва се в kJ/mol и стойностите обикновено са в диапазона 50-250.

Общоприето е, че ако E a = 150 kJ/mol за всяка реакция, тогава при n. u. практически не тече. Тази енергия се изразходва за преодоляване на отблъскването между молекулите на веществата и за отслабване на връзките в изходните вещества. С други думи, енергията на активиране характеризира силата на химичните връзки във веществата. Въз основа на стойността на енергията на активиране можете предварително да оцените скоростта на химичната реакция:

• E а< 40, взаимодействие веществ происходят довольно быстро, поскольку почти все столкнове-ния частиц при-водят к их реакции;
• 40-<Е а <120, предполагается средняя реакция, поскольку эффективными будет лишь половина соударений молекул (например, реакция цинка с соляной кислотой);
• E a >120, само много малка част от сблъсъците на частици ще доведат до реакция и нейната скорост ще бъде ниска.

Ефект на концентрацията

Зависимостта на скоростта на реакцията от концентрацията се характеризира най-точно от закона за масовото действие (LMA), който гласи:

Скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, чиито стойности се вземат в степени, съответстващи на техните стехиометрични коефициенти.

Този закон е подходящ за елементарни едноетапни реакции или всеки етап от взаимодействието на вещества, характеризиращ се със сложен механизъм.

Ако трябва да определите скоростта на химическа реакция, чието уравнение може условно да бъде написано като:

αA+ bB = ϲС, тогава

в съответствие с горната формулировка на закона скоростта може да се намери с помощта на уравнението:

V=k·[A] a ·[B] b , където

a и b са стехиометрични коефициенти,

[A] и [B] са концентрациите на изходните съединения,

k е константата на скоростта на разглежданата реакция.

Значението на коефициента на скоростта на химичната реакция е, че неговата стойност ще бъде равна на скоростта, ако концентрациите на съединенията са равни на единици. Трябва да се отбележи, че за правилното изчисление с помощта на тази формула си струва да се вземе предвид състоянието на агрегиране на реагентите. Концентрацията на твърдото вещество се приема за единица и не се включва в уравнението, тъй като остава постоянна по време на реакцията. Така в изчисленията съгласно ZDM се включват само концентрациите на течни и газообразни вещества. По този начин, за реакцията на производство на силициев диоксид от прости вещества, описана с уравнението

Si (tv) + Ο 2(g) = SiΟ 2(tv) ,

скоростта ще се определя по формулата:

Типична задача

Как би се променила скоростта на химичната реакция на азотния оксид с кислорода, ако концентрациите на изходните съединения се удвоят?

Решение: Този процес съответства на уравнението на реакцията:

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2.

Нека запишем изразите за началната (ᴠ 1) и крайната (ᴠ 2) скорости на реакция:

ᴠ 1 = k·[ΝΟ] 2 ·[O 2 ] и

ᴠ 2 = k·(2·[ΝΟ]) 2 ·2·[Ο 2 ] = k·4[ΝΟ] 2 ·2[Ο 2 ].

ᴠ 1 /ᴠ 2 = (k·4[ΝΟ] 2 ·2[O 2 ]) / (k·[NΟ] 2 ·[O 2 ]).

ᴠ 2 /ᴠ 1 = 4 2/1 = 8.

Отговор: увеличен 8 пъти.

Ефект на температурата

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата е определена експериментално от холандския учен J. H. Van't Hoff. Той установява, че скоростта на много реакции се увеличава 2-4 пъти с всяко повишаване на температурата с 10 градуса. Има математически израз за това правило, който изглежда така:

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10, където

ᴠ 1 и ᴠ 2 - съответните скорости при температури Τ 1 и Τ 2;

γ - температурен коефициент, равен на 2-4.

В същото време това правило не обяснява механизма на влиянието на температурата върху скоростта на определена реакция и не описва целия набор от модели. Логично е да се заключи, че с повишаване на температурата хаотичното движение на частиците се засилва и това провокира по-голям брой сблъсъци. Това обаче не засяга особено ефективността на молекулярните сблъсъци, тъй като зависи главно от енергията на активиране. Също така, тяхното пространствено съответствие помежду си играе важна роля за ефективността на сблъсъците на частици.

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от температурата, като се вземе предвид естеството на реагентите, се подчинява на уравнението на Арениус:

k = A 0 e -Ea/RΤ, където

A o е множител;

E a - енергия на активиране.

Пример за проблем, използващ закона на van't Hoff

Как трябва да се промени температурата, така че скоростта на химична реакция, чийто температурен коефициент е числено равен на 3, да се увеличи 27 пъти?

Решение. Нека използваме формулата

ᴠ 2 = ᴠ 1 ·γ (Τ2-Τ1)/10.

От условието ᴠ 2 /ᴠ 1 = 27 и γ = 3. Трябва да намерите ΔΤ = Τ 2 -Τ 1.

Трансформирайки оригиналната формула, получаваме:

V 2 /V 1 = γ ΔT/10.

Заменяме стойностите: 27 = 3 ΔΤ/10.

От това става ясно, че ΔΤ/10 = 3 и ΔΤ = 30.

Отговор: температурата трябва да се увеличи с 30 градуса.

Ефект на катализаторите

Във физическата химия скоростта на химичните реакции също се изучава активно от раздел, наречен катализа. Той се интересува от това как и защо относително малки количества от определени вещества значително увеличават скоростта на взаимодействие на други. Веществата, които могат да ускорят реакцията, но не се изразходват сами в нея, се наричат ​​катализатори.

Доказано е, че катализаторите променят механизма на самото химично взаимодействие и допринасят за появата на нови преходни състояния, които се характеризират с по-ниска височина на енергийната бариера. Тоест, те помагат за намаляване на енергията на активиране и следователно увеличават броя на ефективните удари на частици. Катализаторът не може да предизвика реакция, която е енергийно невъзможна.

По този начин водородният пероксид може да се разложи, за да образува кислород и вода:

Н 2 О 2 = Н 2 О + О 2 .

Но тази реакция е много бавна и в нашите комплекти за първа помощ тя съществува непроменена доста дълго време. Когато отваряте само много стари бутилки с пероксид, може да забележите лек пукащ звук, причинен от налягането на кислорода върху стените на съда. Добавянето само на няколко зрънца магнезиев оксид ще провокира активно отделяне на газ.

Същата реакция на разлагане на пероксид, но под въздействието на каталаза, възниква при лечение на рани. Живите организми съдържат много различни вещества, които увеличават скоростта на биохимичните реакции. Те обикновено се наричат ​​ензими.

Инхибиторите имат обратен ефект върху хода на реакциите. Това обаче не винаги е лошо. Инхибиторите се използват за защита на метални продукти от корозия, за удължаване на срока на годност на храните, например за предотвратяване на окисляването на мазнините.

Контактна зона с веществото

В случай, че взаимодействието възниква между съединения, които имат различни агрегатни състояния, или между вещества, които не са способни да образуват хомогенна среда (несмесващи се течности), тогава този фактор също значително влияе върху скоростта на химичната реакция. Това се дължи на факта, че хетерогенните реакции протичат директно на границата между фазите на взаимодействащите вещества. Очевидно колкото по-широка е тази граница, толкова повече частици имат възможност да се сблъскат и толкова по-бърза е реакцията.

Например, той върви много по-бързо под формата на малки чипове, отколкото под формата на труп. За същата цел много твърди вещества се смилат на фин прах, преди да се добавят към разтвора. Така креда на прах (калциев карбонат) действа по-бързо със солна киселина, отколкото парче от същата маса. Но освен увеличаване на площта, тази техника води и до хаотично разкъсване на кристалната решетка на веществото и следователно повишава реактивността на частиците.

Математически, скоростта на хетерогенна химическа реакция се намира като промяната в количеството вещество (Δν), възникващо за единица време (Δt) на единица повърхност

(S): V = Δν/(S·Δt).

Ефект на натиска

Промяната в налягането в системата има ефект само когато в реакцията участват газове. Увеличаването на налягането се придружава от увеличаване на молекулите на веществото на единица обем, т.е. концентрацията му се увеличава пропорционално. Обратно, намаляването на налягането води до еквивалентно намаляване на концентрацията на реагента. В този случай формулата, съответстваща на ZDM, е подходяща за изчисляване на скоростта на химична реакция.

Задача. Как ще се увеличи скоростта на реакцията, описана от уравнението?

2ΝΟ + Ο 2 = 2ΝΟ 2,

ако обемът на затворена система се намали три пъти (T=const)?

Решение. Когато обемът намалява, налягането се увеличава пропорционално. Нека запишем изразите за началната (V 1) и крайната (V 2) скорости на реакция:

V 1 = k 2 [Ο 2 ] и

V 2 = k·(3·) 2 ·3·[Ο 2 ] = k·9[ΝΟ] 2 ·3[O 2 ].

За да намерите колко пъти новата скорост е по-голяма от първоначалната, трябва да разделите лявата и дясната страна на изразите:

V 1 /V 2 = (k 9[ΝΟ] 2 3[Ο 2 ]) / (k [ΝΟ] 2 [Ο 2 ]).

Стойностите на концентрацията и константите на скоростта се намаляват и това, което остава, е:

V 2 /V 1 = 9 3/1 = 27.

Отговор: скоростта се е увеличила 27 пъти.

Обобщавайки, трябва да се отбележи, че скоростта на взаимодействие на веществата, или по-точно, количеството и качеството на сблъсъци на техните частици, се влияе от много фактори. На първо място, това са енергията на активиране и геометрията на молекулите, които е почти невъзможно да се коригират. Що се отнася до останалите условия, за да се увеличи скоростта на реакцията, трябва:

• повишаване на температурата на реакционната среда;
• повишаване на концентрациите на изходните съединения;
• увеличаване на налягането в системата или намаляване на нейния обем, ако говорим за газове;
• доведете различни вещества до едно състояние на агрегация (например, като ги разтваряте във вода) или увеличете площта на техния контакт.

Скорост на химична реакция- промяна в количеството на едно от реагиращите вещества за единица време в единица реакционно пространство.

Скоростта на химичната реакция се влияе от следните фактори:

• естеството на реагиращите вещества;
• концентрация на реагенти;
• контактна повърхност на реагиращи вещества (при хетерогенни реакции);
• температура;
• действието на катализаторите.

Теория на активния сблъсъкни позволява да обясним влиянието на определени фактори върху скоростта на химичната реакция. Основните положения на тази теория:

• Реакциите възникват, когато частици от реагенти, които имат определена енергия, се сблъскат.
• Колкото повече реактивни частици има, колкото по-близо са една до друга, толкова по-вероятно е да се сблъскат и да реагират.
• Само ефективните сблъсъци водят до реакция, т.е. тези, при които „старите връзки” са разрушени или отслабени и следователно могат да се образуват „нови”. За целта частиците трябва да имат достатъчна енергия.
• Нарича се минималната излишна енергия, необходима за ефективен сблъсък на частиците на реагентите енергия на активиране Ea.
• Активността на химикалите се проявява в ниската енергия на активиране на реакциите, в които участват. Колкото по-ниска е енергията на активиране, толкова по-висока е скоростта на реакцията.Например, при реакции между катиони и аниони, енергията на активиране е много ниска, така че такива реакции възникват почти мигновено

Влиянието на концентрацията на реагентите върху скоростта на реакцията

С увеличаването на концентрацията на реагентите скоростта на реакцията се увеличава. За да настъпи реакция, две химически частици трябва да се съберат, така че скоростта на реакцията зависи от броя на сблъсъците между тях. Увеличаването на броя на частиците в даден обем води до по-чести сблъсъци и увеличаване на скоростта на реакцията.

Увеличаването на скоростта на реакцията в газовата фаза ще бъде резултат от повишаване на налягането или намаляване на обема, зает от сместа.

Въз основа на експериментални данни през 1867 г. норвежките учени К. Гулдберг и П. Вааге и независимо от тях през 1865 г. руският учен Н.И. Бекетов формулира основния закон на химичната кинетика, установявайки зависимост на скоростта на реакцията от концентрациите на реагентите -

Закон за масовото действие (LMA):

Скоростта на химичната реакция е пропорционална на произведението на концентрациите на реагиращите вещества, взети в степени, равни на техните коефициенти в уравнението на реакцията. („ефективна маса” е синоним на съвременната концепция за „концентрация”)

aA +bB =cС +дД,Където к– константа на скоростта на реакцията

ZDM се извършва само за елементарни химични реакции, протичащи в един етап. Ако реакцията протича последователно през няколко етапа, тогава общата скорост на целия процес се определя от най-бавната му част.

Изрази за скоростите на различни видове реакции

ZDM се отнася до хомогенни реакции. Ако реакцията е хетерогенна (реагентите са в различни състояния на агрегиране), тогава уравнението на ZDM включва само течни или само газообразни реагенти, а твърдите са изключени, засягайки само константата на скоростта k.

Молекулярност на реакциятае минималният брой молекули, участващи в елементарен химичен процес. Въз основа на молекулярността елементарните химични реакции се разделят на молекулярни (A →) и бимолекулни (A + B →); тримолекулярните реакции са изключително редки.

Скорост на хетерогенните реакции

• Зависи от повърхността на контакт между веществата, т.е. от степента на смилане на веществата и пълнотата на смесване на реагентите.
• Пример е изгарянето на дърва. Цял дънер гори относително бавно на въздух. Ако увеличите повърхността на контакт между дърво и въздух, разделяйки трупа на чипове, скоростта на горене ще се увеличи.
• Пирофорното желязо се изсипва върху лист филтърна хартия. По време на падането железните частици се нагорещяват и подпалват хартията.

Влияние на температурата върху скоростта на реакцията

През 19 век холандският учен Вант Хоф експериментално открива, че при повишаване на температурата с 10 o C скоростите на много реакции се увеличават 2-4 пъти.

Правилото на Вант Хоф

За всеки 10 ◦ C повишаване на температурата скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти.

Тук γ (гръцката буква "гама") - така нареченият температурен коефициент или коефициент на Ван Хоф, приема стойности от 2 до 4.

За всяка конкретна реакция температурният коефициент се определя експериментално. Той показва точно колко пъти се увеличава скоростта на дадена химическа реакция (и нейната константа на скоростта) с всяко повишаване на температурата с 10 градуса.

Правилото на Вант Хоф се използва за приближаване на промяната в константата на скоростта на реакцията с повишаване или понижаване на температурата. По-точна връзка между константата на скоростта и температурата е установена от шведския химик Сванте Арениус:

как Повече ▼ E специфична реакция, т.н по-малко(при дадена температура) ще бъде константата на скоростта k (и скоростта) на тази реакция. Увеличаването на T води до увеличаване на константата на скоростта, което се обяснява с факта, че повишаването на температурата води до бързо увеличаване на броя на „енергийните“ молекули, способни да преодолеят активационната бариера Ea.

Влияние на катализатора върху скоростта на реакцията

Можете да промените скоростта на реакцията, като използвате специални вещества, които променят механизма на реакцията и я насочват по енергийно по-благоприятен път с по-ниска енергия на активиране.

Катализатори- това са вещества, които участват в химична реакция и увеличават нейната скорост, но в края на реакцията остават непроменени качествено и количествено.

инхибитори– вещества, които забавят химичните реакции.

Промяната на скоростта на химическа реакция или нейната посока с помощта на катализатор се нарича катализа .

Химичните реакции протичат с различна скорост. Някои от тях са напълно завършени за малки части от секундата, други се извършват за минути, часове, дни; Известни са реакции, за които са необходими няколко години. Освен това същата реакция може да протича бързо при едни условия, например при повишени температури, и бавно при други, например при охлаждане; Освен това разликата в скоростта на една и съща реакция може да бъде много голяма.

Когато се разглежда скоростта на химическата реакция, е необходимо да се прави разлика между реакции, протичащи в хомогенна система (хомогенни реакции) и реакции, протичащи в хетерогенна система (хетерогенни реакции).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Системав химията е обичайно да се нарича въпросното вещество или колекция от вещества. В този случай системата се противопоставя на външната среда - веществата, заобикалящи системата.

Има хомогенни и разнородни системи. Хомогеннасе нарича система, състояща се от една фаза разнородни- система, състояща се от няколко фази. Фазае част от система, отделена от другите й части с интерфейс, по време на прехода през който свойствата се променят рязко.

Пример за хомогенна система е всяка газова смес (всички газове при не много високо налягане се разтварят един в друг неограничено) или разтвор на няколко вещества в един разтворител.

Примери за хетерогенни системи включват следните системи: вода с лед, наситен разтвор с утайка, въглища и сяра във въздушна атмосфера.

Ако реакцията протича в хомогенна система, тогава тя протича в целия обем на тази система. Ако възникне реакция между вещества, образуващи хетерогенна система, тогава тя може да се случи само на границата между фазите, образуващи системата. В това отношение скоростта на хомогенна реакция и скоростта на хетерогенна реакция се определят по различен начин.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Скорост на хомогенна реакцияе количеството вещество, което реагира или се образува по време на реакция за единица време на единица обем на системата.

Скорост на хетерогенна реакцияе количеството вещество, което реагира или се образува по време на реакция за единица време на единица повърхностна площ на фазата.

И двете дефиниции могат да бъдат записани в математическа форма. Нека въведем следните обозначения: υ хомогенна - скорост на реакция в хомогенна система; υ h eterogen - скорост на реакцията в хетерогенна система; V е обемът на системата; t-време; S е повърхността на фазата, върху която протича реакцията; Δ - знак за нарастване (Δn = n 2 -n 1; Δt = t 2 -t 1). Тогава

υ хомогенен = Δn / (V× Δt);

υ хетероген = Δn / (S× Δt).

Първото от тези уравнения може да бъде опростено. Съотношението на количеството вещество (n) към обема (V) на системата е моларната концентрация (c) на веществото: c=n/V, откъдето Δc=Δn/V и накрая:

υ хомогенен = Δc / Δt.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

При дефинирането на понятието скорост на химична реакциянеобходимо е да се прави разлика между хомогенни и хетерогенни реакции. Ако реакцията протича в хомогенна система, например в разтвор или в смес от газове, тогава тя протича в целия обем на системата. Скорост на хомогенна реакцияе количеството вещество, което реагира или се образува в резултат на реакция за единица време в единица обем на системата. Тъй като съотношението на броя молове на веществото към обема, в който то е разпределено, е моларната концентрация на веществото, скоростта на хомогенна реакция може също да се определи като промяна в концентрацията за единица време на някое от веществата: първоначалния реагент или реакционния продукт. За да се гарантира, че резултатът от изчислението е винаги положителен, независимо дали се основава на реагент или продукт, във формулата се използва знакът „±“:

В зависимост от естеството на реакцията, времето може да бъде изразено не само в секунди, както се изисква от системата SI, но и в минути или часове. По време на реакцията големината на нейната скорост не е постоянна, а непрекъснато се променя: тя намалява с намаляването на концентрациите на изходните вещества. Горното изчисление дава средната стойност на скоростта на реакцията за определен интервал от време Δτ = τ 2 – τ 1. Истинската (моментна) скорост се определя като границата, към която клони отношението Δ СЪС/ Δτ при Δτ → 0, т.е. истинската скорост е равна на производната на концентрацията по отношение на времето.

За реакция, чието уравнение съдържа стехиометрични коефициенти, които се различават от единица, стойностите на скоростта, изразени за различни вещества, не са еднакви. Например, за реакцията A + 3B = D + 2E, потреблението на вещество A е един мол, доставката на вещество B е три мола, а входът на вещество E е два мола. Ето защо υ (A) = ⅓ υ (B) = υ (D) =½ υ (E) или υ (E) . = ⅔ υ (IN) .

Ако възникне реакция между вещества, разположени в различни фази на хетерогенна система, тогава тя може да се случи само на границата между тези фази. Например взаимодействието между киселинен разтвор и парче метал се случва само на повърхността на метала. Скорост на хетерогенна реакцияе количеството вещество, което реагира или се образува в резултат на реакция за единица време на единица интерфейсна повърхност:

.

Зависимостта на скоростта на химичната реакция от концентрацията на реагентите се изразява чрез закона за масовото действие: при постоянна температура скоростта на химичната реакция е право пропорционална на произведението на моларните концентрации на реагиращите вещества, повишени до степен, равна на коефициентите във формулите на тези вещества в уравнението на реакцията. След това за реакцията

2A + B → продукти

съотношението е валидно υ ~ · СЪС A 2 · СЪС B, а за преминаване към равенство се въвежда коефициент на пропорционалност к, Наречен константа на скоростта на реакцията:

υ = к· СЪС A 2 · СЪС B = к·[A] 2 ·[B]

(моларните концентрации във формулите могат да бъдат обозначени с буквата СЪСсъс съответния индекс и формулата на веществото в квадратни скоби). Физическото значение на константата на скоростта на реакцията е скоростта на реакцията при концентрации на всички реагенти, равни на 1 mol/l. Размерът на константата на скоростта на реакцията зависи от броя на факторите от дясната страна на уравнението и може да бъде c –1; s –1 ·(l/mol); s –1 · (l 2 /mol 2) и т.н., така че във всеки случай при изчисленията скоростта на реакцията се изразява в mol · l –1 · s –1.

За хетерогенни реакции уравнението на закона за масовото действие включва концентрациите само на тези вещества, които са в газова фаза или в разтвор. Концентрацията на вещество в твърдата фаза е постоянна стойност и е включена в константата на скоростта, например, за процеса на изгаряне на въглища C + O 2 = CO 2, законът за масовото действие е написан:

υ = kI·const··= к·,

Където к= kIконст.

В системи, където едно или повече вещества са газове, скоростта на реакцията също зависи от налягането. Например, когато водородът взаимодейства с йодните пари H 2 + I 2 = 2HI, скоростта на химичната реакция ще се определя от израза:

υ = к··.

Ако увеличите налягането, например, 3 пъти, тогава обемът, зает от системата, ще намалее със същото количество и, следователно, концентрациите на всяко от реагиращите вещества ще се увеличат със същото количество. Скоростта на реакцията в този случай ще се увеличи 9 пъти

Зависимост на скоростта на реакцията от температуратаописано от правилото на Вант Хоф: при всяко повишаване на температурата с 10 градуса скоростта на реакцията се увеличава 2-4 пъти. Това означава, че когато температурата се повишава в аритметична прогресия, скоростта на химичната реакция се увеличава експоненциално. Основата във формулата за прогресия е температурен коефициент на скорост на реакциятаγ, показващ колко пъти се увеличава скоростта на дадена реакция (или, което е същото, константата на скоростта) с повишаване на температурата с 10 градуса. Математически правилото на Вант Хоф се изразява с формулите:

или

където и са скоростите на реакцията, съответно, в началото T 1 и окончателно T 2 температури. Правилото на Вант Хоф може да се изрази и чрез следните отношения:

; ; ; ,

където и са съответно скоростта и константата на скоростта на реакцията при температура T; и – същите стойности при температура T +10н; н– брой „десетградусови” интервали ( н =(T 2 –T 1)/10), с което се е променила температурата (може да бъде цяло или дробно число, положително или отрицателно).

Примери за решаване на проблеми

Пример 1.Как ще се промени скоростта на реакцията 2CO + O 2 = 2CO 2, протичаща в затворен съд, ако налягането се удвои?

Решение:

Скоростта на тази химична реакция се определя от израза:

υ начало = к· [CO] 2 · [O 2 ].

Увеличаването на налягането води до 2-кратно увеличение на концентрацията на двата реагента. Като вземем това предвид, ние пренаписваме израза на закона за масовото действие:

υ 1 = к· 2 · = к·2 2 [CO] 2 ·2[O 2 ] = 8 к·[СО] 2 ·[О 2 ] = 8 υ начало

Отговор:Скоростта на реакция ще се увеличи 8 пъти.

Пример 2.Изчислете колко пъти ще се увеличи скоростта на реакцията, ако температурата на системата се повиши от 20 °C на 100 °C, като стойността на температурния коефициент на скоростта на реакцията се приеме равна на 3.

Решение:

Съотношението на скоростите на реакцията при две различни температури е свързано с температурния коефициент и температурната промяна по формулата:

Изчисление:

Отговор:Скоростта на реакция ще се увеличи с 6561 пъти.

Пример 3.При изследване на хомогенната реакция A + 2B = 3D беше установено, че за 8 минути от реакцията количеството на веществото А в реактора намалява от 5,6 mol на 4,4 mol. Обемът на реакционната маса е 56 l. Изчислете средната скорост на химичната реакция за изследвания период от време за вещества A, B и D.

Решение:

Използваме формулата в съответствие с дефиницията на понятието „средна скорост на химическа реакция“ и заместваме числените стойности, получавайки средната скорост за реагент А:

От уравнението на реакцията следва, че в сравнение със скоростта на загуба на вещество А, скоростта на загуба на вещество В е два пъти по-голяма, а скоростта на увеличаване на количеството на продукта D е три пъти по-голяма. Следователно:

υ (A) = ½ υ (B) = ⅓ υ (Д)

и тогава υ (B) = 2 υ (A) = 2 2,68 10 –3 = 6,36 10 –3 mol l –1 min –1 ;

υ (D) = 3 υ (A) = 3 2,68 10 –3 = 8,04 10 –3 mol l –1 min –1

Отговор: υ(A) =2,68·10 –3 mol·l –1 ·min –1 ; υ (B) = 6,36·10–3 mol·l–1 min–1; υ (D) = 8,04·10–3 mol·l–1 min–1.

Пример 4.За да се определи константата на скоростта за хомогенната реакция A + 2B → продукти, бяха проведени два експеримента при различни концентрации на вещество B и беше измерена скоростта на реакцията.