Химическая кинетика. Химическое равновесие. Катализ.
Системой в химии принято называть изолированную часть пространства, заполненную веществом или веществами, находящимися в химическом взаимодействии друг с другом. Различают гомогенные и гетерогенные системы. Отличительной особенностью гетерогенных систем является наличие поверхностей раздела между их компонентами. При взаимодействии газов или растворов различных веществ, а также в тех случаях, когда газы реагируют с растворами или растворы с твердым веществом, для определения скорости реакции достаточно знать, как меняются через определенные отрезки времени концентрации (моль/л) веществ, находящихся в газовой фазе или в растворе, и относить эти изменения к единице времени. Таким образом, скорость химической реакции определяетеся изменением, концентраций реагирующих веществ в единицу времени. Скорость реакции может быть найдена не только по убыли
концентрации одного из реагирующих веществ, но и по увеличению концетрации продукта реакции.
Скорость реакции не остается постоянной вследствие непрерывного изменения концентрации реагирующих веществ, следовательно, истинная скорость
реакции в данный момент времени выражается производной концентрации по времени:
v=dc/dτ
Производная берется со знаком минус, если С — концентрация исходного вещества убывает, и со знаком плюс, если С - концентрация продукта реакции возрастает.
Скорость химической реакции зависит от природы и концентрации реагирующих веществ, температуры, присутствия катализатора или ингибитора.
Зависимость скорости химической реакции от концентрации определяется законом действия масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степени, соот-
ветствующих стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.
Константа скорости химической реакции — постоянная для данной химической реакции величина, которая зависит от химической природы реагирующих веществ, температуры и катализатора.
Зависимость скорости химической реакции от температуры определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры на 10° скорость реакции возрастает примерно в 2—4 раза. Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость химической реакции, а следовательно, и константа скорости ее при повышении температуры на 10°, получило название температурного коэффициента скорости реакций обозначается символом γ:
γ =vt+10/vt = kt+10/kt
С повышением температуры на 100° скорость реакции возрастает в γ 10 раз. Увеличение скорости реакции с повышением температуры объясняется тем, что для химической реакции необходимо соударение активных молекул, т. е. молекул, обладающих запасом энергии, достаточным если не для полного разрыва связей, то по крайней мере, для их максимального ослабления. Только в этом случае возможно химическое взаимодействие, условием которого является разрыв связей в молекулах исходных веществ после чего образующиеся атомы или группы атомов, перегруппировываясь, образуют новые связи, дающие начало молекулам получающихся веществ. При повышении температуры число активных молекул возрастает в геометрической прогрессии, благодаря чему скорость реакции резко возрастает. Предварительной стадией любой химической реакции является поглощение реагирующими веществами определенного количества энергии, получившего название энергии активации и расходуемой на разрыв или ослабление связей в молекулах.
Каждое химическое равновесие устанавливается при определенном значении трех параметров, которые его характеризуют: 1) концентрация реагирующих веществ и продуктов реакции; 2) температура; 3) давление (для газов). При изменении любого из этих параметров равновесие может смещаться. Смещение равновесия определяется принципом Ле-Шателье: при всяком внешнем воздействии на систему, находящуюся в состоянии химического равновесия, в ней протекают процессы, приводящие к уменьшению оказанного воздействия.
Принцип Ле-Шателье следует из закона действующих масс. Если система находится при постоянной температуре, то константа равновесия при внешних воздействиях остается постоянной. Поэтому любое изменение равновесных концентраций одного или нескольких веществ должно приводить к такому изменению равновесных концентраций других веществ, чтобы соблюдалось постоянство константы равновесия.
ЛЕКЦИЯ 6