Зависимость скорости химической реакции от температуры

Примеры.

1. Записать математическое выражение закона действующих масс для гомогенной реакции:

2NO_(г) + O_2(г) = 2NO_2(г).

Решение:

V = k·С_NO²·С_O2 или V = k·Р_NO²·Р_O2.

2. Как изменится скорость химической реакции:

2NO_(г) + Сl_2(г) = 2NOCl_(г),

если концентрацию первого реагирующего вещества увеличить в 3 раза?

Решение: до изменения условий скорость данной химической реакции выражалась уравнением

V = k · С_NO²·С_Cl.

Концентрации веществ и скорость химической реакции при изменении условий выделим штрихом ('). При изменении условий: С'_NO = 3· С_NO, тогда

V' = k ·(С'_NO)²· С_Cl= k ·(3· С_NO)²· С_Cl= 9· k · С_NO²· С_Cl.

Найдем, во сколько раз изменилась скорость химической реакции при увеличении концентрации первого реагирующего вещества в 3 раза:

Ответ: скорость химической реакции увеличится в 9 раз.

3. Как изменится скорость химической реакции:

2S_(тв.) + 3О_2(г.) = 2SO_3(г.),

если давление в системе уменьшить в 2 раза?

Решение: до изменения условий (уменьшение давления) скорость данной гетерогенной химической реакции выражалась уравнением

V = k · (С_O)³ = k · (Р_O)³.

После уменьшения давления в системе в 2 раза парциальное давление кислорода, как и его молярная концентрация, также уменьшается в 2 раза: Р'_O= 1/2 Р_O, тогда

V' = k · (Р'_O)³ = k ·(1/2Р_O)³ = 1/8 k ·(Р_O)³;

отсюда

Ответ: скорость химической реакции уменьшится в 8 раз.

Зависимость скорости химической реакции от температурыопределяется правилом Вант-Гоффа и уравнением Аррениуса.

Правило Вант-Гоффа: при увеличении температуры на каждые 10⁰ скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза.

Математически это запишется следующим образом:

(7)

где: V_t и k_t – скорость и константа скорости химической реакции при температуре t; V_t+10 и k_t+10 – скорость и константа скорости химической реакции при температуре t+10; g – температурный коэффициент скорости химической реакции; для большинства реакций значения g = 2 ÷ 4.

В общем случае, когда температура процесса изменилась на Dt, уравнение (7) можно преобразовать к виду

. (8)

Уравнение Аррениуса. Уравнения (7) и (8) лишь приближенно оценивают зависимости V = f(t) и k = f(t). Функциональная зависимость константы скорости химической реакции (скорости химической реакции) от температуры была установлена шведским ученым Св. Аррениусом (1889 г.). Она выражается уравнением, названным в его честь уравнением Аррениуса:

k = A e^-Ea/RT, (9)

где: А – предэкспоненциальный множитель; Е_А – энергия активации химической реакции.

А и Е_А являются важными характеристиками каждой химической реакции. Выясним физический смысл этих величин.

Предэкспоненциальный множитель

А = р·z, (10)

где z – число соударений молекул реагирующих веществ в единице объема за единицу времени; р – стерический (вероятностный) фактор, учитывает влияние пространственной ориентации молекул на скорость реакции (или константу скорости). Значения р = 10^-9 ÷1. Малые значения р отвечают реакциям между сложными по своей структуре органическими соединениями.

Энергия активации химической реакции. Не все сталкивающиеся молекулы взаимодействуют с образованием продуктов реакции, а только те активные молекулы, которые обладают достаточной энергией, чтобы разорвать или ослабить связи в исходных молекулах, создав возможность образования новых молекул.

Например, при химическом взаимодействии: H₂ + I₂ = 2HI должны разорваться связи Н-Н и I-I и образоваться связи Н- I. В некоторый момент времени возникает переходное состояние, когда одни связи не полностью разорвались, а другие уже начали формироваться. Такой нестабильный ассоциат называется активным (активированным) комплексом. Его образование можно представить следующей схемой:

Н I Н · · · I Н-I

| + | → ∶ ∶ →

Н I H · · · I Н-I

Дата добавления: 2013-12-11