ТЕМА: Хімічна кінетика. Поляриметрія

Швидкість та механізм хімічної реакції, залежність швидкості від різних факторів вивчає розділ фізичної хімії – хімічна кінетика.

Змінюючи умови протікання реакцій, можна змінити швидкість реакції, тобто керувати хімічним процесом. Для збільшення кількості продукту, що виробляється за одиницю часу, необхідно максимально збільшити швидкість реакції, яка лежить в основі того чи іншого процесу. З іншої сторони, шкідливі, небажані процеси – прогорання жирів, корозія металу, гниття білків – необхідно затримати.

Тому вивчення законів хімічної кінетики відкриває шлях до керування хімічними процесами при зберіганні сировини та матеріалів.

Під швидкістю хімічної реакції розуміють зміну концентрації реагуючих речовин за одиницю часу. Це може бути одна з вихідних речовин, концентрація якої з часом зменшується, чи один з продуктів реакції, концентрація якого в ході реакції зростає.

У загальному вигляді представляють хімічну реакцію так:

А+В=С+Д.

Якщо концентрація речовини А (зазвичай моль/л) в якийсь момент часу τ₁ вимірюється величиною с₁ , а в момент τ₂ стає рівною с₂, тоді за проміжок часу ∆ τ = τ₂ – τ₁ змінена концентрація речовини складатиме ∆ с = с₁ – с₂ , тому середня швидкість реакції (V _серед) виражається:

.

Швидкість завжди позитивна. Зміна концентрації вихідних речовин – негативна, т.я. їх концентрація зменшується. Тоді у правій частині рівняння ставлять знак “-“. Для продуктів реакції позитивний знак “+”:

.

Визначена таким чином швидкість реакції не є справжньою, а деякою середньою за проміжок часу від τ₁ до τ₂ . Справжня швидкість у початковий момент часу τ₁ буде більша середньої, а середня - буде більша справжньої в момент часу τ₂ . Чим ближче між собою моменти τ₁ та τ₂ , тим менше значення ∆ τ ( проміжок часу) , тим більше значення наближене до справжнього значення швидкості реакції.

Тоді ми можемо написати: , (це означає , що , як до своєї межі).

Які ж фактори впливають на швидкість хімічної реакції:

- вплив природи реагуючих речовин – різні речовини мають різну реакційну здатність. Це можна спостерігати на прикладах реакцій різних металів з кислотами. Так, при однакових умовах магній реагує з соляною кислотою з більшою швидкістю, ніж залізо. Той же магній реагує з соляною кислотою з більшою швидкістю, ніж , наприклад, з оцтовою кислотою;

- вплив концентрації реагуючих речовин на швидкість реакції – для взаємодії між молекулами необхідне їх зіткнення. Чим більше молекул в одиниці об’єму, тобто чим вище концентрація реагуючих речовин, тим частіше вони стикаються один з одним.

На основі великих експериментальних матеріалів норвезьких вчених Гульберт і Вааге та незалежно від них російський вчений Бекетов у 1867 році сформулювали основний закон хімічної кінетики: залежність швидкості від концентрації – закон дії мас:

Швидкість хімічної реакції прямопропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступені, яка дорівнює стехіометричному коефіцієнтові, що стоїть перед формулою даної речовини в рівнянні реакції.

У загальному вигляді для реакції m A + n B = C математичний вираз має вигляд: , де k – константа швидкості; m, n – стехіометричні коефіцієнти в рівнянні.

Для реакції між газами добуток концентрації можна замінити добутком парціальних тисків, наприклад:

2NO + O₂ = 2NO₂ ;

.

Коефіцієнт пропорційності k – називають константою швидкості реакції. Величина його не залежить від концентрації, тиску (для газів), а залежить від природи реагуючих речовин, температури та присутності каталізаторів.

Однак всі висновки про залежність швидкості від концентрації реагуючих речовин не розповсюджуються на тверді речовини, які беруть участь у реакції. Якщо в реакції з газами чи розчинами приймають участь тверді речовини (гетерогенні системи), тоді в реакцію вступатимуть лише молекули речовини, яка знаходиться на його поверхні. Тому при взаємодії, наприклад, металу та кислоти чи горіння палива (газоподібна речовина та тверда) швидкість реакції залежить не тільки від концентрації, але й від площини поверхні твердих реагентів:

чи ,

де k^/ - константа швидкості з урахуванням поверхні твердої речовини.

- вплив температури на швидкість хімічної реакції – ,як правило, зі збільшенням температури швидкість хімічної реакції збільшується. Залежність цю сформулював Вант – Гоффа, згідно якому: