Влияние концентрации на скорость реакции

Химическая кинетика

Одна из основных задач химии – изучение влияния различных факторов на скорость и механизм химических реакций. Этому посвящен особый раздел химии – химическая кинетика.

Реакции могут быть гомогенными и гетерогенными. Гомогенные реакции протекают в однородной среде (например, в газовой фазе или жидком растворе). Гетерогенные реакции протекают в неоднородной среде – между веществами, которые находятся в разных фазах (твердой и жидкой, газовой и жидкой и т. д.).

Таким образом, гомогенные реакции происходят равномерно во всем объеме, заполненном реагентами, гетерогенные – только на некоторых пограничных поверхностях – на границе раздела фаз.

Скоростью химической реакции называется число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела (для гетерогенных реакций).

Скорость реакции обычно характеризуют изменением концентрации какого-либо из исходных веществ или конечных продуктов реакции в единицу времени. Размерность – моль/(л ∙ с).

Если в момент времени т₁ и т₂ концентрации одного из исходных веществ равны С₁ и С₂, то средняя скорость v в интервале времени от т₁ до т₂ можно выразить как

Поскольку концентрация реагирующего вещества во времени уменьшается, то С₂ - С₁ < 0. Но скорость не может быть отрицательной величиной, поэтому в правой части уравнения ставится «- ». Если скорость определяют по увеличению концентрации продукта реакции, то она положительна. В общем случае

Эта формула выражает так называемую среднюю скорость реакции. Мгновенная скорость реакции выражается первой производной концентрации по времени

Иногда на практике применяется так называемая относительная скорость. Эта величина, обратная времени 1/т. Ее размерность 1/с.

Скорость реакции зависит от многих факторов. На нее влияют: природа и концентрация реагентов, давление (для реакции с участием газов), температура, катализатор и т. д.

Влияние концентрации на скорость реакции

Закон действия масс. Основным законом химической кинетики является открытый в 1864-67 гг. норвежским ученым Гульдбергом и Вааге закон действия масс.

Согласно этому закону скорость элементарной реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам.

Так, для реакции типа

закон действия масс выражается следующим образом:

где [A] и [B] – концентрации вступающих в реакцию веществ, а k – константа скорости реакции. Величина k численно равна скорости реакции, когда концентрации реагирующих веществ равны единице. Константа скорости реакции зависит от природы реагирующих веществ и от температуры.

В случае реакции, протекающей в гомогенной среде,

выражение скорости реакции запишется следующим образом:

Для гетерогенной реакции

выражение скорости реакции можно записать так: , , тогда .

В этом случае скорость реакции зависит только от изменения концентрации кислорода, а концентрация углерода входит в константу скорости реакции, т.к. представляет собой постоянную величину.

Таким образом, в выражение скорости гетерогенных реакцийвходят концентрации только тех веществ, которые находятся в газообразном или жидком состояниях.

Следует иметь в виду, что закон действия масс применим для элементарных реакций (в системе протекает толькоодин процесс, и уравнение реакции раскрывает ее механизм). Большинство реакций являютсясложными ипредставляют собой суммарный результат нескольких элементарных процессов. Обычная запись этихреакций, какправило, не отражает их реальный механизм, и закон действия масс применяется к ним формально.