Скорость химической реакции

В результате успешного освоения материала этой главы студент должен:

знать

• • определения понятий «скорость химической реакции», «константа скорости химической реакции»;
• • основные факторы, влияющие на скорость реакции;
• • закон действующих масс для элементарной стадии химической реакции, правило Вант-Гоффа, уравнение Аррениуса;

уметь

• производить простейшие расчеты средней скорости реакции;

владеть

• представлениями о механизме химической реакции, об энергии активации, активированном комплексе, о катализе и ферментах.

Скорость химической реакции

Скорость химической реакции — одно из ключевых понятий химической кинетики.

Химическая кинетика — раздел химии, изучающий скорость химических реакций, механизмы их протекания и факторы, влияющие на скорость.

Химическая кинетика подробно изучается в курсе физической химии. В этой главе рассматриваются только те представления и понятия, без которых нельзя правильно понять главы «Химическое равновесие», «Энергетика химических реакций», а также многие свойства химических элементов и их соединений.

Все химические реакции, подобно физическим, биологическим, геологическим и любым другим природным процессам, протекают во времени. Химическая кинетика изучает и очень быстрые, такие, как взрывы, и очень медленные реакции, такие, как геохимическое формирование и разрушение горных пород. Это возможно потому, что все химические реакции подчиняются общим законам.

Реакции делятся на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные реакции протекают равномерно во всем объеме жидкого раствора или газовой смеси. Гетерогенные реакции осуществляются на поверхности твердого вещества, взаимодействующего с жидкостью или газом, или на поверхности жидкости, реагирующей с газом.

Чтобы понять, что такое скорость химической реакции, рассмотрим, например, газовую смесь, состоящую из равных объемов водорода и паров иода, помещенную при температуре 723,15 К (450°С) и давлении 101,3 кПа в герметично закрытый сосуд. Пары иода окрашивают смесь в фиолетовый цвет. Наблюдая за этой смесью, можно заметить ослабление фиолетовой окраски, что свидетельствует о протекании гомогенной реакции:

Интенсивность окраски смеси тем меньше, чем меньше содержащееся в ней количество иода. Следовательно, о скорости реакции можно судить по изменению количества вещества реагента или продукта реакции.

Скорость химической реакции — это количество вещества реагента, вступившего в реакцию за единицу времени, или количество вещества продукта, образовавшегося за единицу времени, в единице обьема при гомогенной реакции или на единице поверхности при гетерогенной реакции.

Отношение количества вещества (моль) к единице объема (л) — это не что иное, как молярная концентрация вещества, поэтому скорость гомогенной реакции обычно характеризуют изменением концентрации вещества-реагента или вещества-продукта за единицу времени при постоянном объеме системы. Установив зависимость интенсивности окраски от концентрации иода, можно проследить за изменением его концентрации во времени (рис. 3.1). Зная концентрации иода С](1₂) в момент времени t и с₂(1₂) в момент времени t₂, можно найти среднее значение скорости реакции v по одному из реагентов, иоду, за отрезок времени At = t₂— t

Рис. 3.1. Изменение концентрации реагента с (1₂) в зависимости от времени реакции t.

Рис. 3.2. Изменение концентрации продукта реакции с (Н1) в зависимости от времени реакции t.

Так как по мере протекания реакции концентрации реагентов убывают, т. е. с₂(1₂) меньше, чем С|(1₂) (см. рис. 3.1), то их разность Дс*(1₂) — отрицательная величина. Поэтому отношение Ac (l₂)/At также оказывается отрицательной величиной (At — величина всегда положительная). Чтобы средняя скорость реакции по реагенту имела положительное значение, это отношение в уравнении (3.1) взято со знаком «минус».

Если существует возможность следить за изменением концентрации продукта реакции — иодоводорода (рис. 3.2), то среднюю скорость можно вычислить следующим образом:

где Cj (HI) и c₂(HI) — концентрации продукта реакции в моменты времени t и t₂ соответственно.

Из рис. 3.1 и 3.2 очевидно, что в начале реакции концентрации веществ изменяются быстро, затем эти изменения замедляются и, наконец, прекращаются совсем. (Неполное превращение иода и водорода в иодоводород и установление постоянных концентраций всех компонентов реакционной смеси объясняются достижением химического равновесия, которое будет рассмотрено в гл. 4.) Следовательно, среднее значение скорости зависит от того, в какой части кривой выбран промежуток времени At = t₂ — t и насколько он велик. Чем меньше At, тем меньше различие между средней скоростью и истинным (мгновенным) значением скорости в данный момент времени. Мгновенное значение скорости v может быть вычислено как предел, к которому стремится средняя скорость при At —? 0, т. е. как первая производная от концентрации по времени. Истинная скорость по реагенту (иоду):

истинная скорость по продукту реакции (иодоводороду):

Графически истинную скорость можно определить как тангенс угла наклона, а касательной к кривой, изображающей зависимость концентрации от времени, при данном времени t (рис. 3.3).

Главные факторы, определяющие скорость реакций, — это природа реагентов, их концентрации, температура, наличие катализаторов.

Очень важным фактором является химическая природа реагентов. Именно из-за химического разнообразия веществ одни реакции идут медленно, а другие — очень быстро. Зависимости скоростей от природы реагентов — это специальная, очень обширная область физической химии и химической физики. Они не могут быть рассмотрены в этом учебнике. Зависимость скорости химической реакции от наличия катализатора, концентраций реагентов и температуры и рассматривается в последующих параграфах этой главы.

Рис. 33. Графическое определение мгновенной скорости реакции:

t — момент времени, для которого определяется мгновенная скорость реакции; В — точка на кривой зависимости концентрации продукта от времени t, АС — касательная к кривой в точке В