Скорость химической реакции

ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

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

Химическая кинетика подробно изучается в курсе физиче­ской химии. Мы рассматриваем только те представ­ления и понятия, без которых нельзя правильно понять такие вещи как «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 земных 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:

Н₂ + I_{2 →} 2НI

бесцветный фиолетовый бесцветный

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 реакиию за единицу времени, или количе­ство вещества продукта, образовавшегося за единицу времени, в единице объема 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 с₁(I ₂)в момент времени t₁ и с₂(I ₂) в момент времени t₂, можно найти среднее значение скорости реакции по одному из реагентов, иоду, за отрезок вре­мени Δt=t₂-t₁:

(I₂) = [c₂(I₂)-c₁(I₂)] / [t₂-t₁] = Δc(I₂)/Δt

-

Рмс. 3.1. Изменение концентра- Рис. 3.2. Изменение концентра­
ций реагента с(I₂) в зависимости ции продукта реакции с(HI) в за-
от времени t реакции висимости от времени реакции t

Так как по мере протекания реакции концентрации реагентов убывают, т. е. с₂(I₂) меньше, чем с₁(I₂) (см. рис. 3.1), то их раз­ность Δс(I₂) — отрицательная величина. Поэтому отношение Δс(I₂)/Δt также оказывается отрицательной величиной (Δt — 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:

(HI) = [c₂(HI)-c₁(HI)]/[t₂-t₁] = Δc(HI)/Δt

где c₁(HI) и c₂(HI) — концентрации продукта реакции в момен­ты времени t₁ и t₂соответственно.

Из рис. 3.1 и 3.2 видно, 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 далее. Следовательно, среднее значение скорости зависит от то­го, в какой части кривой выбран промежуток времени Δt = t₂ - t₁ и насколько он велик. Чем меньше Δt, тем меньше различие между средней скоростью и истинным (мгновенным) значением скорости в данный момент времени. Мгновенное значение ско­рости может быть вычислено как предел, к которому стремит­ся средняя скорость при Δt → 0, т. е. как первая производная от концентрации по времени. Истинная скорость по реагенту (иоду):

Графически истинную ско­рость можно определить как тан­генс угла наклона α касательной к кривой, изображающей зави­симость концентрации от вре­мени, при данном времени t_i.

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

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. Зави­симость скорости химической реакции от концентраций ре­агентов, температуры и наличия катализатора рассматривает­ся далее.