Лабораторная работа № 3. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Цель работы: на основании экспериментальных данных выявить зависимость скорости химической реакции от концентрации

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Закон действия масс

Различные химические реакции протекают с различными скоростями: быстро – выпадение осадка в реакциях ионного обмена; мгновенно – взаимодействие водорода и кислорода, происходит взрывообразно; медленно – коррозия металлов, которая протекает годами.

Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации реагирующих веществ с течением времени:

В уравнении знак «+» показывает, что с течением времени концентрация продуктов реакции увеличивается, знак «–», что с течением времени концентрация исходных веществ становится меньше. Время, как правило, выражается в секундах.

Рис. 3.1 Зависимость концентрации веществ от времени протекания реакции, а – исходные вещества; б – продукты реакции.

Для изучения кинетики химических реакций, большое значение имеет не только определение скорости реакции, но и определение механизма протекания реакции.

Уравнения химических реакций указывают только начальное и конечное состояние системы и являются символическим выражением материального баланса (закона сохранения массы веществ). В действительности реакция может протекать через ряд промежуточных стадий, так называемых элементарных актов реакции. Например, реакция окисления иодоводорода пероксидом водорода записывается следующим образом:

2HI + H₂O₂ ® I₂ + 2H₂O

Механизм этой реакции представлен следующими стадиями:

1) HI + H₂O₂ ® HIO + H₂O (медленная стадия)

2) HIO + HI ® I₂ + H₂O (быстрая стадия)

Скорость и общий порядок реакции определяется медленной стадией -лимитирующая стадия реакции. Такие реакции называются сложными.

К сложным реакциям также относятся цепные реакции (простые и разветвленные), например, реакция образования хлороводорода из простых веществ, которая на свету сопровождается взрывом:

H₂ + Cl₂ 2HCl

Для цепных реакций характерны 3 стадии:

1) стадия зарождения цепи

Cl₂ 2Cl·

2) стадия развития цепи

H₂ + Cl· ® HCl + H·

H· + Cl₂ ® HCl +Cl· и т.д.

3) стадия обрыва цепи

H· + H· ® H₂

Cl· + Cl·→ Cl₂

Cl· + H·→ HCl

Cl· + стенка → Cl

К сложным относятся и параллельные реакции:

4KCl + 6O₂

4KClO₃

3KClO₄ + KCl

Рис. 3.2 Зависимость концентрации продуктов реакции от времени протекания реакции.1 – обычная реакция; 2 – цепная реакция; I – первая стадия; II – вторая стадия; 3 – III – третья стадия.

Число молекул, участвующих в одном элементарном акте реакции, называется молекулярностью реакции. Одностадийная реакция, в которой участвует только одна молекула, называется мономолекулярной. Реакция, в которой участвуют две молекулы – бимолекулярная, реакции в которых участвуют три молекулы – тримолекулярная (так как вероятность одновременного столкновения трех разных молекул мала, то и тримолекулярные реакции очень редки).

Факторами, влияющими на скорость реакции, являются природа и концентрация реагирующих веществ, температура, давление (для газовой фазы), а для гетерогенной реакции еще и площадь соприкосновения.

Зависимость скорости реакции от концентрации выражается законом действия масс (ЗДМ), сформулированным в 1867 г. Гульдбергом и Вааге:

Скорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степень, равную коэффициентам в уравнении реакции.

Так, для гомогенной реакции

aA + bB = cC + dD

можно записать:

где С_A, C_B – текущие концентрации исходных веществ A и B;

a, b – коэффициенты в уравнении химической реакции;

k – константа скорости реакции,она равна скорости реакции при концентрациях веществ равных единице.

Константа скорости не зависит от концентрации реагирующих веществ, а определяется только природой реагирующих веществ и условиями протекания процесса.

Если эта реакция протекает в газовой фазе, то закон действия масс записывается следующим образом:

где p_A, p_B – текущие парциальные давления компонентов A и B.

Порядок реакции – это показатель степени, в которой входит концентрация этого вещества в уравнение скорости реакции. Но, как правило, порядок реакции и стехиометрические коэффициенты совпадает лишь для некоторых простых реакций. Для сложных реакций порядок реакции определяется экспериментально. Порядок реакции - величина формальная. Он может быть положительным, отрицательным, дробным, нулевым - это свидетельствует о многоступенчатом характере протекающей реакции.