Влияние различных факторов на скорость химических реакций

Раздел физической химии, который изучает течение химического процесса во времени, т.е. скорость и механизм химической реакции, называется химической кинетикой.

Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации реагирующих веществ в единицу времени. На основе обширного экспериментального материала норвежские учёные Гульдберг и Ваге сформулировали основной закон химической кинетики – закон действия масс. Он имеет следующую формулировку: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, в степенях их стехиометрических коэффициентов.

Для простой реакции

aA + bB = cC + dD

кинетическое уравнение имеет вид:

v = kc ,

где с_А, с_В – концентрации веществ А и В в данный момент времени, моль/дм³; k – коэффициент пропорциональности.

Сумма (a + b) равна молекулярности. Коэффициент пропорциональности k называется константой скорости химической реакции. Константа скорости представляет собой скорость реакции, когда концентрации всех исходных реагентов равны 1моль/дм³. Она не зависит от концентрации реагирующих веществ.

Сложная реакция состоит из нескольких стадий, и её скорость определяется скоростью самой медленной стадии – лимитирующей. Для параллельно протекающих реакций скорость определяется по наиболее быстрой из них.Скорость сложной реакции

aA + bB = cC + dD

также зависит от концентраций А и В, но характер этой зависимости может быть определен только опытным путём. Кинетическое уравнение для сложной реакции имеет вид:

v = kc .

Величины l и m называют частными порядками реакции по веществам А и В, а сумма n = l + m – общий порядок реакции.

Порядок реакции – это сумма показателей степеней при концентрациях в кинетическом уравнении реакции.

Порядок сложной реакции может быть величиной как целой, так и дробной (0 ≤ n ≤ 3) и может быть найден только экспериментальным путём. Для простых реакций порядок совпадает с молекулярностью и может быть только целой величиной.

Все выводы относительно зависимости скорости реакции от концентрации реагентов не распространяются на участвующие в реакции твёрдые вещества, т.к. в реакцию вступают только молекулы вещества, находящиеся на поверхности. Поэтому в случае гетерогенных реакций скорость зависит не только от концентрации жидких или газообразных веществ, но и от величины поверхности раздела твёрдых реагентов. Её увеличение ведёт к увеличению скорости реакции. Рассмотрим это на опыте.

Зависимость реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа, согласно которому при повышении на каждые десять градусов скорость реакции увеличивается в 2-4 раза.

Математически правило Вант-Гоффа можно выразить следующей математической зависимостью:

,

где v₁ – cкорость реакции при температуре t₁; v₂ – скорость реакции при температуре t₂; γ – температурный коэффициент скорости, равный 2-4 для разных реакций.

Более точно зависимость константы скорости от температуры описывается уравнением Аррениуса:

k = P·Z·e ,

где k – константа скорости реакции; Z – частота столкновений (число столкновений в единице объёма за единицу времени), измеряется в единицах константы скорости; R – газовая постоянная, кДж/моль∙ К; Т – абсолютная температура, К; Е_а – энергия активации, кДж/моль.

Под энергией активации понимают минимальный избыток энергии (по сравнению с величиной средней энергии молекул), которым должны обладать молекулы для того, чтобы реакция между ними стала возможной. Такие молекулы называются активными.

Множитель e называют экспоненциальным; он характеризует долю активных столкновений молекул от их общего числа. Из уравнения Аррениуса вытекает, что доля активных столкновений, а, значит, и константа скорости тем больше, чем меньше энергия активации и чем выше температура. С увеличением температуры повышается кинетическая энергия молекул, а, следовательно, и доля активных молекул.

В уравнение Аррениуса введён также поправочный множитель Р (стерический фактор), учитывающий ориентацию сложных молекул в пространстве в момент столкновения по отношению друг к другу. Чем сложнее участвующие в реакции молекулы, тем меньше Р, а значит, и скорость реакции.

Уравнение Аррениуса можно представить также в виде:

,

где k₁, k₂ – константы скорости соответственно при температурах Т₁ и Т₂.

Уравнение Аррениуса используют для вычисления константы скорости реакции при заданной температуре, если известна величина её для другой (близкой) температуры и величина Е_а. Интервал температур Т₁ и Т₂ необходимо брать близким, так как в широком диапазоне Е_а заметно изменяется. Можно также по двум константам скоростей, измеренным при двух близких температурах, вычислить энергию активации данной реакции.

Цельработы: изучить влияния концентрации реагентов, температуры и величины поверхности раздела на скорость химических реакций.

Оборудование и реактивы:

1. Пробирки 6 шт.

2. Термометр лабораторный

3. Химический стакан

4. Весы технохимические

5. Секундомер

6. 2н раствор H₂SO₄

7. 1н раствор Na₂S₂O₃

8. CaCO₃

Ход работы: