Химическая кинетика

Содержание темы: Понятие о скорости химической реакции в гомогенной и гетерогенной систе­мах. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Закон действия масс. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Энергия активации реакции. Уравнение Аррениуса. Скорость ге­терогенных реакций.

Необходимые умения: писать математические выражения закона действия масс для гомогенных и гетерогенных реакций; производить вычисления на основе закона действия масс. Решать расчетные задачи на правило Вант-Гоффа, уметь рассчитывать энергию активации реакции по уравнению Аррениуса.

Скорость химической реакции измеряется количеством вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени на единицу объема (для гомогенной системы) или на единицу поверхности раздела фаз (для гетерогенной системы).

В случае гомогенного процесса, протекающего при постоянном объеме, скорость реакции может быть определена изменением концентрации какого либо из реагирующих веществ за единицу времени.

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

u = -Δ с/Δ t, (1)

а для образующегося вещества:

u = Δ с/Δ t, (2)

где Δ с - изменение концентрации вещества за время Δ t.

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

Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и от присутствия в системе катализаторов. Зависимость скорости реакции от концентраций определяется законом действия масс: при постоянной температуре скорость химической реакции прямопропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ.

Так для реакции типа: А + B «AB

закон действия масс выражается следующим уравнением:

u = k[A][B],

где [A] и [B] - концентрации вступающих в реакцию веществ моль/л, k - константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ.

Для реакции типа: A + 2B «AB2 по закону действия масс можно записать:

υ = k[A][B]², (3)

П р и м е р 1. Во сколько раз изменится скорость прямой и обратной реакции в системе: 2SO₂(г) + O₂(г) = 2SO₃(г),

если объем газовой смеси уменьшить в три раза? В какую сторону сместится равновесие системы?

Решение: Обозначим концентрации реагирующих веществ:

[SO2] = a, [O2] = b, [SO3] = c.

Согласно закону действия масс скорости (υ) прямой и обратной реакции до изменения объема будут равны:

υ _пр1= ka²b; υ _обр1 = k₁c².

После уменьшения объема гомогенной системы в три раза концентрация каждого из реагирующих веществ увеличится в три раза:

[SO2] = 3a, [O2] = 3b; [SO3] = 3c.

При этих концентрациях скорости прямой (υ _пр) и обратной (υ _обр) реакции примут значения:

υ _пр2= k(3a)²(3b) = 27ka²b; υ _обр2 = k1(3c)² = 9k₁c².

Откуда:

υ _{пр2 /} υ _{пр1 =} 27ka²b / ka²b = 27; υ _{обр2 /} υ _{обр1 =} 9k₁c² / k₁c².

Так как, скорость прямой реакции увеличилась в 27 раз, а обратной - только в 9 раз, следовательно, равновесие системы сместилось в сторону образования SO₃.

При гетерогенных реакциях концентрации веществ, находящихся в твердой фазе, обычно не изменяются в ходе реакции и поэтому не включаются в уравнение закона действия масс.

П р и м е р 2. Напишите выражения закона действия масс для реакций:

а) 2NO(г) + Cl2(г) = 2NOCl(г);

б) СaCO3(кр) = CaO(кр) + CO2(г).