Скорость химической реакции

Теоретическое введение

Скоростью реакции называется изменение концентрации какого-либо из веществ, вступающего в реакцию или образующегося при реакции, за единицу времени.

Скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, присутствия катализаторов.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. В общем случае для реакции

nA + mB = pАВ

зависимость скорости реакции от концентрации выражается уравнением

,

где k – константа скорости реакции; C_А и C_В – концентрации реагирующих веществ; n и m – коэффициенты перед веществами А и В.

Зависимость скорости реакции от температуры выражается правилом Вант-Гоффа: в гомогенной системе при повышении температуры на каждые 10 градусов скорость химической реакции увеличивается в 2−4 раза:

,

где V₂и V₁ – скорость реакции при температурах t₂ и t₁; γ – температурный коэффициент скорости реакции.

Примеры решения задач

Пример 7.1. Как изменится скорость реакции каждой из реакций:

2NO (г) + Cl₂ (г) = 2NOCl (г); (1);

СаО (к) + СО₂ (г) = СаСО₃ (к), (2),

если в каждой системе увеличить давление в 3 раза?

Решение. Реакция (1) гомогенная и, согласно закону действия масс, начальная скорость реакции равна ; реакция (2) гетерогенная, и ее скорость выражается уравнением . Концентрация веществ, находящихся в твердой фазе (в данной реакции СаО), не изменяется в ходе реакции, поэтому не включается в уравнение закона действия масс.

Увеличение давления в каждой из систем в 3 раза приведет к уменьшению объма системы в 3 раза и увеличению концентрации каждого из реагирующих газообразных веществ в 3 раза. При новых концетрациях скорости реакций рассчитываются по формулам:

(1) и (2).

Сравнивая выражения для скоростей V и V', находим, что скорость реакции (1) возрастает в 27 раз, а реакции (2) – в 3 раза.

Пример 7.2. Реакция между веществами А и В выражается уравнением

2А + В = D. Начальные концентрации составляют (моль/л): С_А = 5 , С_В = 3,5. Константа скорости равна 0,4. Вычислить скорость реакции в начальный момент и в тот момент, когда в реакционной смеси останется 60 % вещества А.

Решение. По закону действия масс . В начальный момент скорость V₁= 0,4×5²×3,5 = 35. По истечении некоторого времени в реакционной смеси останется 60 % вещества А, т. е. концентрация вещества А станет равной 5×0,6 = 3 моль/л. Значит, концентрация А уменьшилась на 5−3 = 2 моль/л. Так как А и В взаимодействуют между собой в соотношении 2:1, то концентрация вещества В уменьшилась на 1 моль и стала равной 3,5 – 1 = 2,5 моль/л.

Следовательно, V₂ = 0,4×3²×2,5 = 9.

Пример 7.3. Через некоторое время после начала реакции 2NO + O₂ = 2NO₂ концентрации веществ составляли (моль/л): = 0,06; = 0,12; = 0,216. Найти исходные концентрации NO и O₂.

Решение. Исходные концентрации NO и O₂ находим на основе уравнения реакции, согласно которому на образование 2 моль NO₂ расходуется 2 моль NO. По условию задачи образовалось 0,216 моль NO₂, на что израсходовалось 0,216 моль NO. Значит, исходная концентрация NO равна

= 0,06 + 0,216 = 0,276 моль/л.

По уравнению реакции на образование 2 моль NO₂ необходимо 1 моль О₂, а для получения 0,216 моль NO₂ требуется 0,216/2 = 0,108 моль О₂. Исходная концентрация О₂ равна = 0,12 + 0,108 = 0,228 моль/л.

Таким образом, исходные концентрации составляли:

= 0,276 моль/л; = 0,228 моль/л.

Пример 7.4. При 323 К некоторая реакция заканчивается за 30 с. Определить, как изменится скорость реакции и время ее протекания при 283 К, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2.

Решение. По правилу Вант-Гоффа находим, во сколько раз изменится скорость реакции: .

Скорость реакции уменьшается в 16 раз. Скорость реакции и время ее протекания связаны обратно пропорциональной зависимостью. Следовательно, время протекания данной реакции увеличится в 16 раз и составит 30×16 = 480 с = 8 мин.