Скорость химической реакции

Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ (парциальных давлений газов), температуры, ускоряющего или замедляющего действия катализатора, а также от физических и химических свойств веществ, вступающих в химическое взаимодействие. На скорость химической реакции влияют механизм реакции, степень дисперсности реагентов, действие активирующего излучения и т. д.

Скоростью химической реакции называется число элементарных актов реакции, происходящих в единицу времени в единице объема (для гомогенных реакций) или на единице поверхности раздела фаз (для гетерогенной реакции). Скорость реакции обычно определяется изменением концентраций реагирующих веществ в единицу времени (сек.):

; C < 0, v > 0

где D С – изменение концентраций реагирующих или образующихся веществ; D t – промежуток времени, в который происходит изменение концентраций веществ

Поскольку скорость реакции может быть только положительной, то знак «–» перед дробью означает, что рассматривается D С исходных веществ. Концентрация продуктов реакции возрастает, поэтому в выражении скорости реакции перед дробью ставится знак «+».

Скорость химической реакции зависит от:

1) природы реагирующих веществ,

2) концентрации реагирующих веществ (давления, если вещества газообразные),

3) температуры,

4)присутствия катализатора.

Скорость химической реакции зависит от числа соударений

Влияние концентрации реагирующих веществ описывается законом действующих масс: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам. Например, для гомогенной реакции

a(A) + b(B) = c(C) + d(D)

,

где – молярные концентрации веществ, моль/л; k – константа скорости реакции. Константа скорости химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, температуры, наличия катализатора и не зависит от концентраций реагирующих веществ.

при =1 моль/л.

Выражение зависимости скорости реакции от концентрации называется кинетическим уравнением.

,

Для гетерогенных реакций закон действующих масс записывается без учета твердых веществ, в кинетическое уравнение входят концентрации газообразных и жидких веществ. Если в реакции участвует твердое вещество, то реакция протекает на его поверхности. Скорость реакции зависит от площади поверхности твердого вещества или от степени его измельчения, которая входит в константу скорости реакции. Например, для реакции

выражение для скорости реакции будет иметь вид

.

Если в реакции участвуют газообразные вещества, то скорость реакции зависит от давления. При повышении давления в несколько раз во столько же раз уменьшится объем, занимаемый газами, и во столько же раз увеличится концентрация каждого газообразного вещества.

Пример 1. Во сколько раз возрастет скорость реакции

при увеличении концентрации оксида азота (II) в 3 раза?

Решение. Скорость реакции связана с концентрацией реагирующих веществ законом действующих масс, который применительно к данной реакции можно записать так:

.

Пусть вначале концентрация NO равнялась С ₁, тогда скорость реакции была

.

После увеличения концентрации NO в 3 раза скорость реакции станет

.

Значит скорость реакции увеличилась в

раз.

Таким образом, скорость реакции увеличится в 9 раз.

 

Влияние температуры на скорость реакции определяется эмпирическим правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10° скорость реакции возрастает примерно в 2–4 раза. Число, показывающее, во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10°, называется температурным коэффициентом скорости реакции и обозначается g. Скорости реакции при разных температурах (t ₂ и t ₁) связаны следующим соотношением:

.

 

Пример 2. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры с 60 до 100°С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2,7?

Решение. Для решения задачи используем правило Вант-Гоффа. Если принять t ₂ = 100, а t ₁ = 60, то можно записать, исходя из соотношения:

Значит, скорость реакции увеличится в 53 раза.

 

С помощью правила Вант-Гоффа можно лишь приблизительно оценить влияние температуры на скорость реакции. Более точное описание зависимости скорости реакции от Т дает теория активации Аррениуса.

Молекулы находятся в постоянном движении, при этом происходят столкновения, но не всякое столкновение реагирующих веществ приводит к образованию продукта реакции. Для того, чтобы произошла реакция, т.е. чтобы образовались новые молекулы, необходимо сначала разорвать или ослабить связи между атомами в молекулах исходных веществ. На это надо затратить определенную энергию. Если сталкивающиеся молекулы не обладают такой энергией, то столкновение будет неэффективным – не приведет к образованию новой молекулы. Если же кинетическая энергия сталкивающихся молекул достаточна для ослабления и разрыва связей, то столкновение может привести к перестройке атомов и к образованию молекулы нового вещества.

(H₂) + (J₂) = 2(HJ) H – H H H H H

J – J J J

активир. компл.

Избыточная энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы столкновение привело к образованию нового вещества, называется энергией активации реакции. Энергия активации является характеристикой каждой реакции и определяет влияние на скорость химической реакции природы реагирующих веществ.

С ростом температуры число активных молекул возрастает. Влияние температуры на скорость реакции в теории активации отражается уравнением Аррениуса:

,

где k – константа скорости, А – постоянный множитель Аррениуса, Е_a – энергия активации, R – универсальная газовая постоянная, е – основание натурального логарифма.

Из уравнения Аррениуса следует, что снижение энергии активации приводит к значительному увеличению скорости реакции. Чтобы снизить энергию активации прибегают к использованию катализатора.

 

Влияние катализатора на скорость реакции.

 

Катализаторы – вещества, которые изменяют скорость химической реакции, участвуя в промежуточных взаимодействиях, но в результате реакции не расходуются, восстанавливают свой состав.

Чаще всего они ускоряют реакцию – положительные катализаторы, но иногда и замедляют (коррозия) – отрицательные катализаторы (ингибиторы).

Ускоряющее действие катализатора заключается в уменьшении энергии активации катализируемой реакции. Каждый из промежуточных процессов с участием катализатора протекает с меньшей Е_а, чем некатализируемая реакция.

Изменение скорости катализируемой реакции за счет снижения энергии активации ее отдельных стадий можно рассмотреть на следующем примере. Допустим, между веществами А и В возможно взаимодействие с образованием соединения АВ:

А + В А…D АВ

активир. компл.

Но в силу высокой энергии активации эта реакция протекает с очень малой скоростью. Пусть найдено такое вещество К (катализатор), которое легко вступает во взаимодействие с А (с меньшей энергией активации), образуя соединение АК:

A + K A…K AK

активир. компл.

Соединение АК легко взаимодействует с веществом В, образуя вещества АВ и К:

B + AK B…AK AB + K

активир. компл.

Суммируя два последних уравнения, получим

А + В АВ,

т.е. в результате реакции катализатор остался без изменения.

Различают два типа катализа: гомогенный – катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (H₂O₂ H₂ + O₂), гетерогенный – катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. В случае гетерогенного катализа образование промежуточного реакционноспособного соединения происходит на поверхности катализатора, поэтому чем больше поверхность катализатора, тем лучше идет реакция:

(SO₂) + (O₂) (SO₃).

Большинство химических реакций в пищеварительной системе, в крови и в клетках животных и человека являются каталитическими. Катализаторы – ферменты – это простые и сложные белки.