Закон действия масс как выражение константы равновесия химической реакции. Требования к скорости реакции и скорости достижения равновесия в аналитической химии. Задачи по теме

Закон действия масс выражается 1) через скорость химической реакции; 2) через уравнения для константы равновесия.

В основе 1 варианта лежит постулат Гульдберга и Вааге: Скорость химической реакции пропорциональна концентрациям реагирующих веществ. Рассмотрим необратимую реакцию:

Н₂О_(г) + СО_(г) = СО₂ + Н₂ стехиометрическое уравнение.

J_прям = -dС_СО./dt = k[Н₂О][СО] – кинетическое уравнение

Для прямой реакции ставят знак минус, для обратной – плюс.

Если [Н₂О]=[СО]= 1 моль/л, то J_прям = k.

То есть константа скорости химической реакции есть скорость химической реакции при концентрации реагирующих веществ равных 1. С течением времени концентрация уменьшается, поэтому скорость прямой реакции уменьшается. Чем больше константа скорости химической реакции, тем быстрее протекает реакция.

Т.о. скорость химической реакции представляет собой изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени в единице объема. [J] = [моль/(л×сек)]. Размерность же концентрации любого реагирующего вещества [моль/л].

Н₂О + СО = СО₂ + Н₂

J = k×[Н₂О]×[СО]

[моль/(л×сек)] = [k] [моль/л] [моль/л]

Размерность константы скорости химической реакции: [k] = л/моль×с = л×моль^-1×с^-1.

Для реакции аА + bB ® продукты

J_прям = k×С_А^а×С_B^b (1)

[моль/(л×сек)] = [k] [моль^а/л^а] [моль^b/л^b]

[1/сек] = [k] [моль^a-1/л^a-1] [моль^b/л^b]

[k] = [л^а+b-1/моль^а-1моль^bс]

[k] = [л^а+b-1моль ^–(а+b-1) с^-1]

для р-и 1:показатель степени а – порядок реакции по веществу А,

b – порядок реакции по веществу B,

Порядком реакции по веществу называется показатель степени, с которым концентрация реагирующего вещества входит в кинетическое уравнение. Порядок по веществу может быть равен 0 если:

1) вещество не участвует в реакции; 2) концентрация одного вещества настолько велика и превышает концентрацию 2 - го, что практически не меняется в процессе реакции, или ею можно пренебречь. Например, концентрация воды при гидролизе в растворе.

Порядок по веществу может быть дробным (многостадийные процессы) и даже отрицательным, что указывает на то, что вещество является замедлителем, ингибитором реакции.

Порядком реакции называют сумму показателей степеней, с которыми концентрации реагирующих веществ входят в кинетическое уравнение. Для уравнения 1:
n = а + b.

Если а + b = 1 – это реакции 1-го порядка, 2 – второго порядка, 3 – третьего. 4-го не бывает, это стадийные процессы, т.к. сразу 4-м нужным молекулам столкнуться и прореагировать невозможно.

Скорость реакции зависит от температуры. Зависимость характеризуется уравнением Аррениуса.

k = z exp(-E_а/RT)

R = 8,31, ехр = 2,72

Т – абсолютная температура (К), Z – предэкспоненциальный множитель, для каждой реакции он свой и считается, что он не зависит от температуры.

Е_а – энергия активации, т.е. тот минимальный запас энергии, который должна иметь молекула (реагирующая частица) чтоб перейти в активное состояние для протекания реакции. Для необратимых реакций чем выше энергия активации, тем сильнее скорость процесса зависит от температуры.

Повышение температуры по-разному меняет скорости параллельных реакций, оно может увеличить скорость одной реакции (с большей энергией активации) по отношению к другой, поэтому можно избавиться от мешающей реакции либо навредить анализу.

Рассмотрим 2 вариант - закон действия масс через уравнения для константы равновесия.

В качестве базовой рассмотрим обратимую реакцию:

k₁

аА + bB « cC + dD

k_-1

J_прям = k₁×С_А^а×С_B^b

J_обр = k_-1×С_С^с×С_D^d

k_-1 – константа скорости обратной реакции, чем быстрее достигается равновесие, тем лучше.

В точке М в определенное время J_прям = J_обр и наступает равновесие.

Равновесие подчиняется правилу Ле-Шателье.

Для аналитической химии необходимо, чтобы равновесие было сдвинуто максимально вправо, а время достижения равновесия было как можно меньше, что уменьшает ошибку анализа и ускоряет процедуру проведения анализа.

Т.к. J_прям = J_обр, то

k₁×С_А^а×С_B^b = k_-1×С_С^с×С_D^d

k₁/k_-1 =С_С^с×С_D^d/С_А^а×С_B^b = К_р – концентрационная константа равновесия. Размерность ее меняется в зависимости от природы реакции (порядков реакций по веществам).

аА + bB « cC + dD

k_-1