Химическая кинетика. Скорость химической реакции в гомогенной и гетерогенной системах.

19. Скорость химических реакций в гомогенных и гетерогенных процессах. Факторы, изменяющие скорость химических реакций.

При рассмотрении вопроса о скорости химических реакций необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе (гомогенные реакции), и реакции протекающие в гетерогенной системе (гетерогенные реакции). Системой принято называть рассматриваемое вещество или совокупность веществ. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной – система состоящая из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отдельная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком. Примером гомогенной системы может служить любая газовая смесь, р-р нескольких в-в в одном растворителе. Система состоит только из одной фазы газовой или из водного р-ра.

Примером гетерогенных систем: вода со льдом, уголь и сера в атмосфере воздуха.

С коростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы. v_гомог= n/(V t)

С коростью гетерогенной реакции называется ко-во вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы. V_гетер= n/( S t)

Скоростью реакции в гомогенной системе называется изменение концентрации какого-либо из веществ, вступающих в реакцию или образующихся при реакции, происходящее за единицу времени.

К важным факторам, влияющим на скорость реакции, относятся следующие: природа реагирующих веществ, их концентрация, температура, присутствие в системе катализаторов. Скорость некоторых гетерогенных реакций зависит также от интенсивности движения жидкости или газа около поверхности, на которой происходит реакция.

Скорость реакции пропорциональна числу соударений, которые претерпевают молекулы реагирующих веществ. Число соударений тем выше, чем больше концентрация каждого из исходных веществ. v=k[A][B] k – коэффициент пропорциональности - константа скорости. Полученное соотношение выражает закон действующих масс для химической реакции, протекающей при столкновении двух частиц: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрацией реагирующих веществ.

В случае гетерогенных реакций в уравнения закона действия масс входят концентрации только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно представляет собою постоянную величину и поэтому входит в константу скорости v=k`const[O2], k=k`const.

Для того, чтобы произошла реакция, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами молекул исходных веществ. избыточная энергия, которой должны обладать молекулы для того, чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества называется энергией активации данной реакции. Энергия активации выражается в кДж/моль. Молекулы обладающие такой энергией называются активными.

Сростом температуры число активных молекул возрастает. Скорость химической реакции возрастает с повышением температуры. Возрастание скорости реакции с ростом температуры принято характеризовать температурным коэффициентом скорости реакции – числом, показывающим во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры на 10 градусов. При обычных температурах значение коэффициента для большинства реакций лежит в пределах от 2 до 4.

Энергия активации различных реакций различна. Ее величена является тем фактором, посредством которого связывается влияние природы реагирующих в-в на скорость реакции. Если ЭА очень мала (меньше 40), то значит, что значительная часть столкновений между частицами реагирующих веществ приводит к реакции. Скорость таких реакций велика. Если ЭА очень велика (больше 120), то значит что лишь малая часть столкновений приводит к протеканию реакции. Скорость подобной реакции очень мала.

Вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции, но влияющие на ее скорость называются катализаторами. Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ называется катализом. Действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу или р-р. в случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазе.

Гетерогенные реакции имеют большое значение в технике. Рассматривая гетерогенные реакции, нетрудно заметить, что они тесно связаны с процессами переноса вещества. В ходе гетерогенной реакции можно выделить три стадии:

1.
подвод реагирующего вещества к поверхности

2.
химическая реакция на поверхности

3.
отвод продукта реакции от поверхности

при установившемся режиме все три стадии проходят с равными скоростями. Во всех случаях скорость гетерогенных реакций определяется скоростью переноса вещества.