Химическая кинетика. ?орость реакции - это изменение концентрации исходного вещества или продукта реакции в единицу времени

 

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.