Тема: скорость химических реакций

Химическая кинетика позволяет предсказать скорость реакции, механизм процесса взаимодействия веществ, стадии химического превращения и, следовательно, управлять химическим процессом в лабораторных и производственных условиях.

Основным понятием в химической кинетике является понятие «скорость реакции». Скорость химической реакции – это изменение количества вещества за единицу времени в единице объема. Так, для реакции

А + B → D + E

скорость расходования исходных веществ (иными словами, скорость по исходным веществам) определяется как

где

Δ п _A и Δ п _B– изменение количества реагирующих веществ А и В соответственно, моль;

Δ τ – время протекания реакции, с; V – объем реакционного пространства, дм³.

Скорость обратной реакции будет определяться следующим образом:

Поскольку скорость химической реакции – величина всегда положительная, а с учётом того что изменение отношения количества вещества к объёму системы (Δ n / V) есть изменение концентрации вещества (Δ с), основное уравнение кинетики примет вид:

Скорость реакции, найденная по данному уравнению, называется средней скоростью реакции, так как здесь используется большой промежуток времени. Мгновенная скорость реакции, вычисленная как дифференциал концентрации по времени, называется истинной скоростью химической реакции:

Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакций: концентрации (с), температуры (t °), присутствия катализаторов, а также от некоторых других причин (например, от радиоактивного облучения, от давления в случае газовых реакций, степени измельчения твердых веществ).

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ определяется основным законом химической кинетики (законом действующих масс): скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции.

Для реакции, записанной в общем виде

а A + в B = с C + d D

уравнение скорости химической реакции имеет вид

где а и в – стехиометрические коэффициенты реагирующих веществ;

k – коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости данной реакции.

Для гетерогенных реакций, когда взаимодействие веществ происходит на поверхности какой-либо фазы, решающее влияние на скорость оказывает площадь соприкосновения этих веществ. Следует отметить, что концентрация конденсированной (твердой) фазы в уравнение закона действия масс никогда не записывается. Например, для реакции

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

кинетическое уравнение по закону действия масс будет выглядеть следующим образом:

Скорость химической реакции также зависит и от температуры. Для оценки влияния температуры на скорость взаимодействия веществ можно использовать две зависимости: правило Вант-Гоффа и уравнение Аррениуса.

Правило Вант-Гоффа: при изменении температуры реакции на каждые 10 градусов скорость реакции изменяется в 2–4 раза.

где

– скорость химической реакции при температуре Т₁;

– скорость химической реакции при температуре Т₂;

γ – температурный коэффициент реакции.

Уравнение Аррениуса используют для более точных расчётов кинетических параметров реакций в зависимости от температуры:

k_T – константа скорости химической реакции;

А – предэкспоненциальный множитель (кинетический фактор Аррениуса);

Еа – энергия активации реакции, Дж;

R – универсальная газовая постоянная, R = 8,314 Дж / (моль·К);

Т – температура, К.

Например,в лабораторном практикуме для установления некоторых закономерностей химической кинетики проводят реакцию между тиосульфатом натрия и серной кислотой:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + S¯ + SO₂­ + H₂O

Предположим, что реакция проходит за 110 с при 20°С и за 45 с при 30°С (при одинаковых концентрациях реагентов). Вычислим энергию активации реакции:

Скорость реакции и константа скорости реакции пропорциональны величине, обратной времени реакции:

V₂: V₁ = k₂: k₁ =

Следовательно, в выражении для расчета Еа отношение k₂: k₁ можно заменить отношением t₁: t₂ и вычислить энергию активации:

65960 Дж/моль » 66 кДж/моль.

Энергия активации (Еа) – одна из важнейших характеристик реакции, показывающих количество энергии, которым должны обладать молекулы, вступающие в элементарный акт взаимодействия.

Вещества, которые понижают энергию активации реакции, увеличивая её скорость, называются катализаторами.

Вещества, которые уменьшают скорость химической реакции, называются ингибиторами.

Экспериментальная часть

Цель работы: ознакомиться с влиянием различных факторов на скорость химической реакции.