Скорость химической реакции

Химическая кинетика

Модуль 3. Химическая кинетика. Окислительно-восстановительные процессы

Кинетикой химических реакций называется учение о скорости их протекания, механизме химического взаимодействия и зависимости их от различных факторов. Эти вопросы представляют большой практический и теоретический интерес. Разные реакции совершаются с самыми различными скоростями.

Предсказания химической термодинамики наиболее верны в своей «запрещающей» части. Если, например, для реакции N₂+O₂ = 2NO DG⁰ = +176кДж, то эта реакция не пойдет самопроизвольно, и никакой катализатор ей не поможет. Известный заводской процесс получения NO из воздуха требует огромных затрат энергии и неравновесного процесса («закалка» продуктов быстрым охлаждением после пропускания смеси газов через электрическую дугу).

С другой стороны, далеко не все реакции, для которых DG < 0, «спешат» осуществиться на практике. Куски каменного угля могут веками лежать на воздухе, хотя для реакции:

C+O₂ = CO₂ DG⁰ = - 395 кДж.

Химические реакции протекают с различными скоростями. Некоторые из них полностью заканчиваются за малые доли секунды, другие осуществляются за минуты, часы, дни, известны реакции, требующие для своего протекания несколько лет, десятилетий и еще более длительных отрезков 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; при этом различие в скорости одной и той же реакции может быть очень большим.

Знание скоростей химических реакций имеет очень большое научное и практическое значение. Например, в химической про­мышленности при производстве того или иного вещества от ско­рости реакции зависят размеры и производительность аппаратуры, количество вырабатываемого продукта.

Предсказание скорости химической реакции, а также выяснение зависимости этой скорости от условий проведения реакции осуществляет химическая кинетика – наука о химическом процессе, его механизме и закономерностях протекания во времени.

При рассмотрении вопроса о скорости реакции необходимо различать реакции, протекающие в гомогенной системе (гомогенные реакции), и реакции, протекающие в гетерогенной си­стеме (гетерогенные реакции).

Системой в химии принято называть рассматриваемое вещество или совокупность веществ. При этом системе противопоставляется внешняя среда — вещества, окружающие систему. Обычно система физически отграничена от среды.

Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы, гетерогенной — система, состоящая из нескольких фаз. Фазой называется часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.

Если реакция протекает в гомогенной системе, то она идет во всем объеме этой системы. Например, при сливании (и перемеши­вании) растворов серной кислоты и тиосульфата натрия помутне­ние, вызываемое появлением серы, наблюдается во всем объеме раствора:

H₂SO₄ + Na₂S₂O₃ = Na₂SO₄ + H₂O + SO₂+ S.

Если реакция протекает между веществами, образующими гетерогенную систему, то она может идти только на поверхности раздела фаз, образующих систему. Например, растворение металла в кислоте

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

может протекать только на поверхности металла, потому что только здесь соприкасаются друг с другом оба реагирующие вещества. В связи с этим скорость гомогенной реакции и скорость гетерогенной реакции определяются различно.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени в единице объема системы.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество веще­ства, вступающего в реакцию или образующегося при реакции за единицу времени на единице площади поверхности фазы:

_гомог = /(V τ); _{гетерог} = /(S τ). (13.1)

Скорость химической реакции можно определить как изменение концентрации одного из участвующих в реакции веществ (исходное вещество или продукт реакции) в единицу времени.

А®В

(13.2)

где С_А, С_В – изменение концентрации исходного вещества и продукта реакции.

В любой реакции реагенты расходуются, она замедляется (см. рисунок 1).

Поэтому можно говорить только о скорости в данный момент времени. Очевидно, что скорость зависит от концентрации реагирующих веществ.

Рисунок 13.1 - Изменение концентрации исходного вещества

в ходе реакции

Если хотя бы одно из реагирующих веществ – газ, то удобно следить за скоростью по изменению объема или давлению в закрытом сосуде при постоянной температуре. Иногда можно наблюдать за изменением окраски, за появлением осадка, за изменением электропроводности и спектральных данных.

От чего зависит скорость химической реакции?

К важнейшим факторам, влияющим на скорость реакции, от­носятся следующие: природа реагирующих веществ, их концентрации, температура, присутствие в системе катализаторов. Скорость некоторых гетерогенных реакций зависит также от интенсивности движения жидкости или газа около поверхности, на которой происходит реакция.

Дата добавления: 2014-01-04