Понятие о скорости химического процесса

Скорость химической реакции определяется числом молекул, реагирующих в единицу времени в единице объема.

Так как это число эквивалентно изменению количества вещества (исходного или продукта) , то можно записать:

Однако, для реакции N₂ + 3H₂→ 2NH₃ убыль водорода превышает убыль азота втрое ,поэтому точнее следует говорить не о скорости химического процесса вообще, а о скорости превращения какого либо компонента или о скорости по некоторому компоненту:

Изучение различных реакций показывает, что скорость превращения может меняться в ходе реакции, т.е.скорость является функцией времени:

W = f (τ). Поэтому вместо средней величины W применяют более точную характеристику быстроты химического превращения – истинную скорость (W ист.)

Такой подход к определению скорости справедлив как для гомогенных, так и для гетерогенных реакций. Однако быстроту гомогенных превращений удобнее характеризовать величиной:

где - производная концентрации по времени. Единицы измерения скорости реакции (W) в CИ 1моль/(л ∙с). В биохимической практике мг/(100мл ∙с).

В химической кинетике широко используется графический метод изображения функциональных зависимостей. Кривая, отражающая изменение какого-либо вещества во времени в ходе химического превращения, называется кинетической кривой.

Рис.1 Кинетическая кривая для продуктов реакции. Рис.2 кинетическая кривая для реагентов

Получив кинетическую кривую для какого-либо компонента, можно легко определить скорость его накопления или расходования графическим дифференцированием кинетической кривой.

Например, среднюю скорость накопления продукта в интервале времени и можно выразить как:

Чтобы выражение для скорости было всегда положительным при убывающей концентрации реагента, необходимо правую часть уравнения записывать с отрицательным знаком:

Величина скорости в каждый момент времени определяется как:

Скорость химической реакции зависит от целого ряда факторов: природы реагирующих веществ, их фазового состояния, текущих концентраций исходных и конечных веществ, температуры и др. Последовательность перечисления факторов соответствует степени их важности.

ОСНОВНОЙ ЗАКОН ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

Количественно связь между скоростью реакции и концентрациями реагирующих веществ определяется законом действующих масс:

При постоянной температуре, давлении, реакционной среде скорость химической реакции прямо пропорциональна действующим массам – молярным концентрациям реагирующих веществ, взятым в степени соответствующих стехиометрических коэффициентов.

Этот основной постулат химической кинетики вытекает из физически очевидного предположения о том, что реагируют те молекулы, которые сталкиваются. Число столкновений зависит от концентрации молекул, поэтому и скорость химической реакции должна определятся теми же факторами .Применение этого принципа приводит к общему выражению для скорости реакции, протекающей по уравнению.

аА + вВ → продукты.

,где

k- константа скорости, она зависит от природы реагирующих веществ и температуры.

Размерность константы скорости зависит от порядка реакции и выражается в следующих единицах: ; β-общий порядок;

Показатели степени а и вназывают порядком реакции по веществу АиВ.

Сумма порядков а+в называют общим порядком реакции. Это стехиометрический порядок. Кроме стехиометрического порядка имеет место кинетический порядок, который определяется только экспериментально. Поэтому для выше приведенной реакции следует записать:

;

Для большинства реакций кинетические порядки не совпадают со стехиометрическими.

Порядок реакции может быть любым числом: целым, дробным, положительным и отрицательным. Возможны реакции и нулевого порядка, когда скорость реакции не зависит от концентрации. Порядок реакции зависит от механизма реакции, поэтому факторы, влияющие на механизм процесса (конц, темпер.), могут влиять на величину порядка реакции.

Важной характеристикой реакции является ее молекулярность. Для простой реакции молекулярность- это число частиц, которые согласно установленному механизму( а не по написанному уравнению) участвуют в одном элементарном акте.

Реакции бывают:

- мономолекулярнымиJ₂→J+J

- бимолекулярнымиCH₃Br +KOH→CH₃OH + KBr

- тримолекулярными 2NO + O₂→2NO₂

Участие в элементарном акте более трех частиц крайне маловероятно.

Кинетический порядок элементарной реакции равен ее молекулярности.

Поэтому предоставленные в качестве примера реакции соответственно будут реакциями первого, второго и третьего порядка.

Для сложных реакций, протекающих в несколько стадий, нет смысла говорить о молекулярности в целом, т. к. это понятие применимо только к отдельным стадиям.