Гомогенные химические реакции

В замкнутой системе, в которой объем не меняется, отношение количества вещества к объему системы представляет собой молярную концентрацию.

Скорость гомогенной реакции равна изменению концентрации какого-либо из веществ, вступающих в реакцию, или образующихся в результате ее, в единицу времени.

Зависимости концентраций исходных веществ или продуктов реакции от времени называются кинетическими кривыми.

Пусть за промежуток времени от t ₁ до t ₂ молярная концентрация некоторого реагирующего исходного вещества уменьшилась от С ₁ до С ₂ (рис. 1).

Рис. 1. Средняя и истинная скорости реакции для исходного вещества

Скорость реакции в данный промежуток времени будет равна

.

В ходе реакции количества исходных веществ во времени убывают, количества продуктов реакции увеличиваются. Скорость является положительной величиной, поэтому перед отношением в правой части уравнения ставят знак «минус», если ее определяют по расходу исходного вещества, и знак «плюс», если ее определяют по увеличению концентрации продукта реакции.

В общем случае

.

(2.1)

Отношение изменения концентрации одного из реагирующих веществ к промежутку времени выражает среднюю скорость реакции.

В ходе реакции изменяются концентрации реагирующих веществ и соответственно скорость реакции. Средняя скорость реакции тем ближе к истинной скорости, чем меньше промежуток времени D t. За бесконечно малый промежуток времени dt концентрация изменится на бесконечно малое значение dC.

Скорость реакции в данный момент времени или, мгновенная (истинная) скорость реакции, представляет собой первую производную концентрации реагирующего вещества по времени

.

(2.2)

Производные концентрации по времени, входящие в выражение для мгновенной скорости реакции, находятся как тангенсы углов наклона касательных к кинетическим кривым в точках, соответствующих различным моментам времени от начала химической реакции (рис.2).

Из определения скорости и анализа уравнения (2.1) следует, что скорость реакции имеет единицу измерения [моль∙ л^-1·с^-1] (иногда [моль∙ м^-3·с^-1], [моль· л^-1·ч^-1] и т.п.).

Рис. 2. Кинетические кривые:

1 - для исходного вещества; ; 2 – для продукта реакции;

При описании кинетического процесса необходимо указывать вещество, по отношению к которому была измерена скорость («скорость по веществу»). Рассмотрим в качестве примера следующую реакцию:

N₂ + 3H₂ = 2NH_3.

Из уравнения реакции видно, что если за какой-то период времени D t в реакцию вступит n молей N₂, то за это же время прореагирует 3 n молей Н₂ и образуется 2 n молей NH₃. Следовательно, скорости реакции по каждому из веществ различны, однако, разделив эти скорости на стехиометрический коэффициент, соответствующий этому веществу в уравнении реакции, получим одну и ту же величину - просто «скорость реакции»

.