Скорость химических реакций

Химические реакции протекают с различными ско­ростями. Скорость и механизм химических превращений изучает особый раз­дел химии - химическая кинетика. Знание законов химической кине­тики имеет большое научное и практическое значение.

Химические реакции могут протекать в однородных системах, состоящих из одной фазы, и неоднородных, состоящих из нескольких фаз.

Системой в химии принято называть вещество или совокупность веществ, физически ограниченных от внешней среды.

Фаза - однородная часть системы, обладающая на всем протяжении одинаковыми свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела.

Система, состоящая из одной фазы, называется гомо­ген­ной (газовая смесь - воздух, смесь воды и спирта).

Реакция, протекающая в такой системе, называется гомогенной.

Система, состоящая из нескольких фаз, называется гете­роген­ной (вода со льдом).

Реакция, протекающая в такой системе, называется гетерогенной.

В гомогенной системе реакция идет во всем объеме этой системы. Например, при сливании растворов серной кислоты и гидроксида натрия реакция идет во всем объеме раствора:

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O.

В гетерогенных системах реакция протекает только на по­верхности раздела фаз, образующих систему. Например, растворение металла в кислоте протекает на поверхности металла, потому что только здесь соприкасаются друг с другом реагирующие вещества:

Zn + 2НСl = ZnCl₂ + Н₂ .

В связи с этим скорость гомогенной и гетерогенной реакции определяются различно.

Скорость гетерогенной реакции определяется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице поверхности раздела фаз.

Скорость гомогенной реакции определяется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Если реакции в гомогенной системе протекают при постоянном объеме, то ее скорость может быть определена через изменение концентрации реагирующих веществ за единицу времени.

Для вещества, вступающего в реакцию, это определение может быть выражено уравнением:

n = -DC / Dt , моль/л _* сек

а для образующегося вещества

n = DC / Dt , моль/л _* сек

где DC - изменение концентрации вещества за время Dt, моль/л.

Знаки в правой части этих уравнений различны, так как в ходе реакции концентрации исходных веществ убывают (DC < 0), а для образующихся продуктов – возрастают (DC > 0).

Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и от присутствия в системе катализатора.

В тех случаях, когда при протекании реакции необходимо столкновение двух реагирующих частиц (молекул, атомов), зави­симость скорости реакции от концентрации определяется законом действия масс:

при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени их стехиометрических коэффициентов.

Например, если реакция протекает по уравнению:

2NO_газ + O_{2 газ} = 2NO_{2 газ} .

то выражение закона действия масс запишется следующим образом:

V= К [NO]² _* [О₂],

где V- скорость реакции,

К- константа скорости.

Величина константы скорости К зависит от природы реагирующих веществ, от температуры и от присутствия ката­лизатора, но не зависит от концентрации веществ.

В случае гетерогенных реакций в уравнении закона действия масс входит концентрация только тех веществ, которые находятся в газовой фазе или в растворе. Концентрация вещества, находящегося в твердой фазе, обычно представляет собой постоянную величину и поэтому входит в константу скорости.

Например, для реакции горения угля

C _тв + O_{2 газ} = CO_{2 газ},

закон действия масс пишется так:

V = К _* [O₂].

Зависимость скорости химической реакции от температуры подчиняется эмпирическому закону Вант-Гоффа:

при повышении температуры на каждые 10°С скорость химических реакции, увеличивается примерно в 2-4 раза

,

где g - температурный коэффициент скорости реакции, значение которого лежит в пределах 2-4; - скорость реакции при температуре t₂ ⁰C; - cкорость реакции при температуре t₁ ⁰C.