1.2. Кинетика химических процессов

Раздел химии, изучающий факторы, влияющие на скорость химической реакции, называется химической кинетикой.

Разберем основные понятия в химической кинетике.

Система – вещество или совокупность веществ, реально или мысленно отделенных от окружающей среды.

Гомогенная система – система, состоящая из одной фазы (Воздух, состоящий из кислорода, азота и других веществ. Водный раствор метанола.).

Гетерогенная система – система, состоящая из двух и более фаз (Нефть, которая является смесью углеводородов и воды).

Фаза – одинаковая по своим свойствам часть системы, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно.

В гомогенной системе реакция протекает во всем объеме системы. Поэтому скорость гомогенной реакции это количество вещества, вступающего в реакцию (или образующегося при реакции) за единицу времени в единице объёма системы:

Vгомоген_. = ∆ m ⁄ t∙υ,

где ∆ m – изменение количества вещества,

t - время реакции,

υ -объём системы.

В гетерогенной системе реакция протекает на поверхности раздела фаз системы. Поэтому скорость гетерогенной реакции это количество вещества, вступающего в реакцию (или образующегося при реакции) за единицу времени на единице поверхности раздела фаз:

Vгетероген_.. = ∆m ∕ t∙S,

где ∆ m – изменение количества вещества,

t - время реакции,

S – площадь раздела фаз.

Скорость химической реакции зависит от:

- концентрации реагирующих веществ;

- температуры системы, в которой протекает реакция;

- природы реагирующих веществ.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ сформулирована в законе действующих масс: “При постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ в степенях, соответствующих их стехиометрическим коэффициентам”.

Например, для реакции сгорания метана в кислороде

СН₄ (г) + 2O₂ (г) = СO₂ (г) + 2H₂O (г)

зависимость скорости прямой реакции от концентрации исходных веществ запишется в виде следующего уравнения:

V = к ∙ [СН₄]¹ ∙ [O₂]²,

где к - константа скорости химической реакции,

[СН₄] и [O₂] - концентрации метана и кислорода в системе,

1 и 2 - стехиометрические коэффициенты.

Это уравнение зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ называется кинетическим уравнением реакции. Из данного уравнения следует, что при увеличении только концентрации метана в 2 раза скорость реакции возрастет в 2 раза, а при увеличении только концентрации кислорода в 2 раза скорость реакции возрастет уже в 4 раза.

Закон действующих масс справедлив для простейших реакций (общий порядок реакции до 3).

При концентрациях реагирующих веществ равных 1,0мол/л, скорость химической реакции равна константе скорости. Таким образом, константа скорости зависит только от природы реагирующих веществ и температуры и не зависит от концентрации реагирующих веществ.

Для гетерогенных реакций в кинетическое уравнение входят концентрации только тех веществ, которые находятся в системе в растворе или газовой фазе.

Для реакции С/тв/ + O₂/г/ = CO₂/г/ кинетическое уравнение запишется

V = к∙ [C] ∙ [O₂].

Так как для твердых веществ концентрация вещества на поверхности остается все время постоянной, кинетическое уравнение можно записать

V = к_эф ∙ [O₂],

где К_эф – эффективная константа скорости, равная К∙ [C].

Пример 7. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции, если концентрацию хлороводорода увеличить в 2 раза.

4HCL (г) + O₂ (г) = 2СL₂ (г) + 2H₂O (г)

Решение. Согласно закону действующих масс зависимость скорости прямой реакции от концентрации хлороводорода и кислорода запишется уравнением

V = к ∙ [HCL]⁴ ∙ [O₂].

После увеличения концентрации хлороводорода в 2 раза, уравнение скорости прямой реакции запишется V₁ = к ∙ [2HCL]⁴ ∙[O₂].

Отсюда

V₁ = к ∙ [2HCL]⁴ ∙ [O₂] = к ∙16 ∙ [HCL]⁴ ∙ [O₂] =16.

V к ∙ [HCL]⁴ ∙ [O₂] к ∙ [HCL]⁴ ∙ [O₂]

Ответ. Скорость прямой реакции увеличиться в 16 раз.

Пример 8. Во сколько раз изменится скорость прямой реакции, если давление в системе уменьшить в 3 раза.

2SO₂(г) + O₂(г) <=> 2SO₃(г)

Решение. Согласно закону действующих масс зависимость скорости прямой реакции от концентрации исходных веществ запишется уравнением

V = к ∙ [SO₂]² ∙ [O₂].

Так как вещества находятся в газообразном состоянии, то при уменьшении давления в системе в 3 раза концентрации веществ тоже уменьшились в 3 раза. После уменьшения давления в системе (концентрации SO₂ и O₂ уменьшилась в 3 раза), уравнение скорости прямой реакции запишется

V₁ = К ∙ [¹/₃ SO₂]² ∙ [¹/₃O₂].

Отсюда

V ₁ = к ∙ [SO₂]² ∙ [O₂] = к ∙ [SO₂]² ∙ [O₂] = 1/27.

V к ∙ [¹/₃ SO₂]² ∙ [¹/₃ O₂] к ∙ [¹/₃ SO₂]² ∙ [¹/₃ O₂]

Ответ. Скорость прямой реакции уменьшится в 27 раз.

Повышение температуры системы приводит к увеличению скорости реакции, так как увеличивается скорость движения молекул и возрастает число столкновений между молекулами.

Возрастание скорости реакции при нагревании в первом приближении подчиняется правилу Вант-Гоффа: « При повышении температуры на 10 градусов, скорость химической реакции возрастает на величину температурного коэффициента(γ)». Для большинства химических реакций температурный коэффициент составляет от 2 до 4.

t₂ – t₁/10

Vt₂ = Vt₁ • γ ,

где Vt₂ – скорость реакции при температуре t₂,

Vt₁ ­- скорость реакции при температуре t₁,

γ - температурный коэффициент.

Пример 9. Вычислить во сколько раз изменится скорость химической реакции, если температура системы повысилась от 30⁰С до 60⁰С. Температурный коэффициент реакции равен 3.

Решение. Согласно правилу Вант-Гоффа

Ответ корость реакции при температуре 60⁰С больше скорости реакции при температуре 30⁰С в 8 раз.