Скорость химических реакций

ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

Москва 2007

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра химии

ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Утверждено редсоветом МАДИ(ГТУ)

Москва 2007

УДК 544.4

ББК 24.1

Болячевская К. И., Литманович А. А., Остаева Г. Ю.,

Панасенко А.А., Полякова Е.В.

Основы химической кинетики: Учебное пособие / Под ред.

И. М. Паписова. – М.: МАДИ (ГТУ), 2007. – 80 с.

В пособии рассмотрены кинетические закономерности протекания химических реакций. Изложены основные понятия катализа.

Пособие содержит теоретический материал, экспериментальную часть, примеры решения типовых задач, предлагаемых студентам МАДИ (ГТУ) на контрольных и экзаменационных работах, вопросы для самоконтроля. Приведены варианты домашних заданий по теме «Химическая кинетика» общего курса химии, изучаемого студентами МАДИ (ГТУ).

Пособие предназначено для студентов всех специальностей дневного отделения МАДИ (ГТУ), изучающих тему «Химическая кинетика» в общем курсе химии на кафедре химии МАДИ (ГТУ).

ã Московский автомобильно-дорожный институт

(государственный технический университет), 2007

Введение

Любая химическая реакция протекает во времени. Некоторые реакции заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются за минуты, часы, дни; известны реакции, требующие для своего протекания нескольких лет, десятилетий и большего времени. Кроме того, одна и та же реакция может в одних условиях, например при повышенных температурах, протекать быстро, а в других - например при охлаждении, - медленно.

Интенсивность протекания процесса характеризует скорость химической реакции, которая зависит от многих факторов.

На скорость реакции влияют:

· природа реагирующих веществ;

· реакционная среда;

· концентрации реагентов;

· давление;

· температура;

· присутствие в системе катализаторов;

· размер поверхности раздела (гетерогенные системы);

· внешние воздействия, например, излучения и др.

Весьма важно не только знать, с какой скоростью будет протекать реакция в тех или иных условиях, но и как нужно изменить эти условия для того, чтобы реакция протекала с требуемой скоростью.

Раздел химии, изучающий скорости и механизмы химических реакций, называется химической кинетикой.

Основные понятия химической кинетики

Различают гомогенные и гетерогенные химические реакции. Гомогенной называется реакция, протекающая в одной фазе. Гомогенная реакция осуществляется во всем объеме системы (в газовой фазе или жидком растворе), например:

H₂ (г) + I₂ (г) ®2 HI (г)

HCl (р-р) + NaOH (р-р) ®NaCl (р-р) + H₂O (ж).

Гетерогенной называется реакция, протекающая на границе раздела фаз (твердой и жидкой, твердой и газообразной), например:

Fe (тв) + 2 HCl (р-р) ®Fe Cl₂ (р-р) + H₂ (г)

FeO (тв) + H₂ (г) Fe (тв) + H₂O (г).

Все реакции подразделяют на простые и сложные.

Простой (элементарной) называется реакция, протекающая в одну стадию (элементарный акт).

Количество частиц (молекул, атомов, ионов), принимающих участие в элементарной реакции, определяет ее молекулярность.

Мономолекулярная реакция - реакция с участием одной частицы. Например, реакция, связанная с распадом молекулы:

H₂ ® 2H

SO₂Cl₂ ® SO₂ + Cl_2.

Бимолекулярная реакция – реакция, протекающая в результате взаимодействия в элементарном акте двух молекул:

H₂ + I ₂ ® 2HI

2NO ® N₂O_2.

Тримолекулярные реакции – реакции, требующие одновременного столкновения трех частиц:

2NO + H₂ ® N₂O + H₂O.

Чаще всего встречаются мономолекулярные и бимолекулярные реакции. Реакции с молекулярностью больше трех неизвестны, что связано с крайне малой вероятностью одновременного столкновения четырех и более частиц.

Большинство химических реакций являются сложными.

Сложные реакции – это многостадийные реакции, протекающие через ряд элементарных (простых) реакций.

К сложным реакциям относятся последовательные, параллельные, цепные, фотохимические и некоторые другие реакции.

В последовательных реакциях

A B C

продукт, образованный в предыдущей стадии, является одновременно исходным веществом для последующей стадии. Общая скорость процесса определяется скоростью наиболее медленной стадии, которая называется лимитирующей.

В параллельных реакциях исходные вещества претерпевают превращение одновременно в двух или нескольких направлениях по следующей схеме:

В

A

D

Общая скорость процесса определяется скоростью наиболее быстрой стадии.

Совокупность элементарных реакций, из которых складывается сложная химическая реакция, называется механизмом реакции.

Скорость химических реакций

Существуют различные химические и физические методы определения скорости реакции. За ходом химической реакции можно наблюдать по изменению какого-нибудь свойства вещества: вязкости раствора, его оптической плотности, потенциала электрода, теплопроводности, объема выделяющегося газа и др. Но все способы выражения скорости реакции в конечном итоге сводятся к изменению количества вещества.

Скорость химической реакции равна изменению количества вещества в единицу времени в единице реакционного пространства. Для гомогенных процессов реакционное пространство представляет собой объем, заполненный реагентами, для гетерогенных процессов - поверхность раздела фаз.