Розділ хімії, що вивчає швидкості хімічних реакцій, називають хімічної кінетикою
Завдання хімічної кінетики:
1. Розрахунок швидкостей хімічних реакцій і отримання кінетичних кривих, що показують зміну концентрацій реагуючих речовин в часі.
2. Визначення по кінетичним кривим механізму протікання реакції.
Більшість хімічних реакцій протікає не в одну, а в кілька стадій, частіше називаються елементарними реакціями.
Під елементарної реакцією зазвичай розуміють одиничний акт освіти або розриву хімічного зв'язку, що протікає через утворення проміжного продукту. Встановлення послідовності протікання елементарних стадій називають механізмом реакції.
Елементарні реакції бувають тільки трьох типів:
мономолекулярні (А → В + С +.),
бімолекулярні (А + В → D +.), (2А → А2),
тримолекулярного (А + В + С → D +.), (2А + В → D +.), (3А → В +.).
Доведено, що зіткнення більш ніж трьох молекул одночасно практично неможливо. Наявність в рівнянні хімічної реакції великих стехиометрических коефіцієнтів (коли їх сума перевищує 3) однозначно вказує на складний механізм реакції.
Основним поняттям в хімічній кінетиці є поняття про швидкість реакції, яка визначається зміною кількості речовини реагентів (або продуктів реакції) в одиницю часу в одиниці об'єму. Середню швидкість хімічної реакції (# 965;) визначають як зміна концентрації (c)] одного з речовин в часі (# 964;):
де # 8710; # 964; - # 959; ріращеніе часу, якому відповідає зміна концентрації # 8710; с.
Розмірність швидкості гомогенної реакції: моль / (л · с) або г / (л · с), а швидкості гетерогенної реакції - моль / (см 2 · с) або г / (см 2 · с).
Похідна береться зі знаком мінус, якщо з - концентрація вихідної речовини, і зі знаком плюс, якщо з - концентрація продукту реакції.
Хімічні реакції (або системи) бувають гомогенними (однорідними) і гетерогенними.
Гомогенні реакції протікають в системах, в яких немає поверхні розділу між фазами, і властивості системи (фізичні і хімічні) у всьому обсязі однакові, наприклад:
Гетерогенні реакції - системи, що містять кілька фаз. У гетерогенних системах є поверхня розділу між фазами:
Швидкість реакції залежить від природи реагуючих речовин і від умов, в яких реакція протікає. Найважливішими з них є: концентрація, температура і присутність каталізатора (а також - тиск. Якщо реакція протікає в газовій фазі).
Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації визначається законом діючих мас: швидкість хімічної реакції пропорційна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин, взятих у ступенях їх стехіометричних коефіцієнтів.
Для умовної реакції а A + в B →. закон діючих мас записується як:
Коефіцієнт пропорційності k називається константою швидкості реакції. Якщо СА = СВ = 1 моль / л, то # 965; = K, тобто константа швидкості k чисельно дорівнює швидкості реакції, коли концентрації реагуючих речовин дорівнюють одиниці.
Константа швидкості хімічної реакції не залежить від концентрації, але залежить від природи реагуючих речовин, температури і каталізатора.
Приклади гомогенних реакцій:
2Н2 (г) + О2 (г) = 2 Н2 О (г)
Швидкість реакції в газовій системі можна висловлювати не тільки через молярні концентрації реагентів, а й через парціальні тиску:
2NO (г) + O2 (г) = 2NO2 (г)
Гетерогенні реакції мають велике значення в техніці. Так як в гетерогенних реакціях реагують речовини і продукти реакції перебувають в різних фазах, то швидкість таких реакцій буде тісно пов'язана з величиною поверхні твердої фази і з процесами перенесення речовин. Чим більше поверхня реагуючих речовин і чим швидше буде здійснюватися підведення реагуючих речовин до поверхні і відведення продуктів реакції від поверхні, тим більше буде швидкість реакції. Тому поряд з перерахованими вище факторами, що впливають на швидкість гомогенної реакції, додатковими факторами, що впливають на швидкість гетерогенної реакції, є величина поверхні розділу між фазами і швидкість доставки реагентів до міжфазної поверхні. C урахуванням цих чинників в реальних технологічних умови для збільшення швидкості реакції вводиться:
а) подрібнення твердої речовини;
б) перемішування реакційної маси.
Приклади гетерогенних реакцій:
Fe (т) + 2HCl (р-р) → FeCl2 (р-р) + H2 (г) (враховується концентрація тільки рідкого компонента системи)
CO2 (г) + CaO (т) → CaCO3 (т) (враховується концентрація тільки газоподібного компонента системи)
Приклад 1. Запишіть вирази для швидкості наступної реакції:
через зміни молярних концентрацій кожного з речовин.
Рішення. В результаті протікання реакції кількості йоду і водню зменшуються на одну й ту ж величину. Кількість НI одночасно зростає в два рази. Тому, швидкість реакції, виміряна за иодоводорода, буде в два рази більше, ніж виміряна по иоду або водню:
Приклад 2. Розрахуйте середню швидкість реакції розкладання пероксиду водню (Н2 О2), якщо вихідна концентрація розчину була 0,3 моль / л, а протягом місяця (30 днів) концентрація розчину зменшилася вдвічі.
Рішення. Швидкість реакції - це зміна концентрації розчину в одиницю часу. Зміна концентрації за 30 днів (# 8710; # 964;) склало:
# 8710; c = 0,3. 2 = 0,15 моль / л.
# 965; = - = 0,005 моль / (л · добу)
Відповідь. швидкість розкладання пероксиду водню дорівнює 0,005 моль / (л · добу)
Приклад 3. Визначте чисельне значення швидкості реакції
якщо константа швидкості реакції дорівнює 0,75, а початкові концентрації хлороводню і кисню рівні по 2 моль / л.
Рішення. Реакція є гомогенною. Запишемо вираз закону діючих мас:
Підставляємо числові значення константи швидкості реакції і концентрацій реагентів і підраховуємо значення швидкості:
# 965; = 0,75 · 2 4 · 2 = 24 моль / (л · с)
Відповідь. 24 моль / (л · с)
Приклад 4. У скільки разів зросте швидкість реакції
при збільшенні тиску в 3 рази?
Рішення. Згідно із законом діючих мас швидкість гомогенної хімічної реакції пропорційна добутку молярних концентрацій реагуючих речовин, зведених в ступені їх стехіометричних коефіцієнтів:
Якщо тиск збільшити в три рази, у стільки ж разів збільшаться концентрації кожного з реагуючих речовин. Вираз швидкості після збільшення тиску буде мати вигляд:
Відповідь. швидкість реакції зросте у 27 разів.
Приклад 5. У скільки разів слід збільшити концентрацію оксиду вуглецю (II) в системі 2СО = СО2 + С, щоб швидкість реакції збільшилася в чотири рази?
Рішення. Згідно із законом діючих мас швидкість реакції описується наступним виразом:
Щоб збільшилася швидкість реакції, необхідно збільшити концентрацію чадного газу (СО) в кілька разів.
Припустимо, що збільшуємо концентрацію (СО) в (х) разів. Тоді вираз швидкості реакції матиме вигляд:
За умовою завдання відношення. отже
Відповідь. концентрацію оксиду вуглецю (II) треба збільшити в 2 рази.
1.2 Вплив температури Швидкість хімічної реакції сильно залежить від температури і, як правило, збільшується з ростом температури. Збільшення швидкості з підвищенням температури пояснюється тим, що зростає енергія частинок, що стикаються і підвищується ймовірність того, що при зіткненні відбудеться хімічне перетворення. Існує емпіричне правило Вант-Гоффа, згідно з яким зі збільшенням температури на кожні 10 градусів швидкість реакції зростає в 2-4 раза.Математіческі це записується таким рівнянням: Число, що показує, у скільки разів збільшується швидкість хімічної реакції, називається температурним коефіцієнтом швидкості реакції і позначається # 947; (# 947; = 2. 4) .Право Вант-Гоффа є приблизними і може бути застосовано тільки в дуже обмеженому інтервалі температур. (Вант-Гофф - нідерландський физикохимик, 1852-1911 р.р.) Точне співвідношення між швидкістю реакції та температурою встановив шведський хімік Арреніус в 1899 р Це співвідношення, що отримало назву рівняння Арреніуса, описує температурну залежність константи швидкості і має вигляд:. де R - універсальна газова постійна (Дж / (моль · К); А - предекспоненціальний множник (не залежить від температури, визначається тільки видом реакції); ЕА - енергія активації (Дж / моль). Енергія активації (ЕА) - це надлишкова енергія (в порівнянні з середньою величиною), якою повинні володіти молекули для ефективного зіткнення. ЕА не залежить від температури. відповідно до рівнянням Арреніуса збільшення температури призводить до збільшення числа активних молекул. Активні молекули- це молекули, що володіють деякою надлишковою енергією, перевищує середню енергію всіх молекул. З рівняння Арреніуса слід, що чим більше енергія активації, тим повільніше буде протікати хімічна реакція. Енергія активації визначається природою реагуючих речовин. Якщо її значення знаходиться в межах 40 - 50 кДж / моль, то речовини реагують один з одним в помітних кількостях з достатньою швидкістю. при енергії активації більше 120 кДж / моль речовини при звичайних температурах реагують вкрай повільно. Приклад 1. У скільки разів збільшиться швидкість реакції при підвищенні температури від 40 до 80 ° С, якщо температурний коефіцієнт швидкості дорівнює 2? Рішення. Згідно з правилом Вант-Гоффа: Підставляючи в цю формулу числові значення вихідних даних отримаємо: Відповідь. швидкість реакції збільшиться в 16 разів. Приклад 2. Визначте температурний коефіцієнт швидкості реакції, якщо при зниженні температури на 60 ° С реакція сповільнилася в 64 рази. Рішення. Згідно з правилом Вант-Гоффа: За умовою задачі швидкість реакції зі зниженням температури сповільнилася, значить # 965; 2 буде менше # 965; 1 в 64 рази, тобто Так як температура знизилася, то t2 - t1 = # 8710; t = -60 °. Cледовательно: Звідси # 947; = = 2 Відповідь. температурний коефіцієнт швидкості реакції (# 947;) = 2.