Скорость и константа скорости химической реакции. Основной постулат химической кинетики

Предмет химической кинетики.

Термодинамика учитывает только начальное и конечное состояние системы, позволяет с большой точностью предсказать принципиальную возможность протекания процесса, однако она не дает никаких сведений о механизме протекания процесса, об изменениях его во времени.

Все эти вопросы физической химии рассматриваются в разделе химической кинетики.

Раздел физической химии, посвящённый закономерностям протекания химических процессов во времени, называется химической кинетикой.

Задачи химической кинетики:

1. экспериментальное исследование скоростей реакций и их зависимость от условий протекания (концентрации реагирующих веществ, температуры, присутствия других веществ и т.д.);

2. установление механизма реакции, то есть числа элементарных стадий и состава образующихся промежуточных продуктов.

Количественное описание зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ базируется на основном постулате химической кинетики и составляет предмет формальной кинетики.

В общем виде химическую реакцию можно записывать следующим образом:

ν₁А₁+ ν₂А₂+…+ ν_iА_i ν₁´А₁´ + ν₂´А₂´ +…+ν_n´А_n´,

где ν_i и ν_n´ – стехиометрические коэффициенты исходных веществ и продуктов реакции соответственно; А_i и А_n´ – исходные вещества и продукты реакции.

Скоростью химической реакции υ называется изменение количества реагирующих веществ в единицу времени в единице объёма (измеряется в моль/(л∙с)).

Так как количество реагирующих веществ изменяется во времени, то скорость реакции является функцией времени. Можно ввести понятие средней скорости реакции, рассматривающейся в определённый промежуток времени:

где n₁ и n₂ - концентрация одного из исходных веществ в начальный t₁ и конечный t₂ момент времени.

Скорость реакции определяется по убыли количества одного из реагирующих веществ (со знаком «-») или по нарастанию количества одного из образующихся веществ (со знаком «+») в единицу времени в единице объёма.

При уменьшении часового интервала, когда, получаем выражение для истинной скорости в данный момент времени:

Если объем системы постоянен (V=const), то можно использовать понятие концентрации:

Это уравнение рассматривают для реакций в растворах, когда изменением объёма можно пренебречь.

Химические реакции протекают, как правило, через несколько стадий. Скорость суммарной реакции определяется скоростью наиболее медленной стадии, называемой лимитирующей.

Скорость реакции зависит от многих факторов: природы и концентрации реагирующих веществ, температуры, присутствия других веществ (катализаторов, ингибиторов) и т.д.

В общем случае, согласно закону действующих масс, можно записать, что скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в некоторых степенях, равных порядку реакции по данному веществу:

,

(1)

где - это скорость химической реакции;

k - константа скорости химической реакции;

[A_i] - концентрации реагирующих веществ;

n_i – порядок реакции по данному веществу.

Выражение (1) называется основным постулатом химической кинетики. При этом ν_i = n_i в тех случаях, когда реакция протекает в одну стадию, а также для всех реакций, которые протекают в условиях равновесия (независимо от того, что в условиях, далёких от равновесия, они могут протекать через ряд промежуточных стадий). В большинстве случаев порядок реакции не равен стехиометрическому коэффициенту (для многостадийных реакций) и определяется экспериментально.

Коэффициент пропорциональности в основном постулате химической кинетики называется константой скорости реакции k. Физический смысл коэффициента k можно установить, если принять концентрации реагирующих веществ равными 1, тогда константа скорости химической реакции будет равна величине скорости реакции. Константа скорости k зависит от природы реагирующих веществ, температуры, но не зависит от концентрации исходных веществ.

Дата добавления: 2014-01-06