Химическая кинетика. Скорость химических реакций

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

Скорость химических реакций Раздел химии, изучающий скорость и механизм химических реакций, называется химической кинетикой. Скорость химической реакции — это количество элементарных актов взаимодействия в единицу времени в единице реакционного пространства. Это определение справедливо как для гомогенных, так и для гетерогенных процессов.

В первом случае реакционным пространством является объем реакционного сосуда, а во втором — по-верхностьу на которой протекает реакция. Так как при взаимодействии изменяются концентрации реагентов или продуктов реакции в единицу времени. При этом нет необходимости следить за изменением концентрации всех веществ, участвующих в реакции, поскольку стехиомет-рическое уравнение ее устанавливает соотношение между концентрациями реагентов.

Концентрацию реагирующих веществ чаще всего выражают количеством молей в 1 литре (моль/л). Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, концентрации, температуры, величины поверхности соприкосновения веществ, присутствия катализаторов и других. [TJ Увеличение концентрации реагирующих веществ приводит к увеличению скорости химической реакции вследствие того, что любая химическая реакция протекает через столкновение между реагирующими частицами (атомами, молекулами, ионами), а их тем больше, чем больше частиц в единице реакционного пространства (чем больше концентрация).

Химическая реакция может протекать через один или несколько элементарных актов (элементарных стадий взаимодействия). Совокупность элементарных актов отражает механизм реакции. Для реакций, отвечающих какому-либо^ элементарному акту, можно записать выражение зависимости скорости реакции от концентрации на основании уравнения реакции. В том случае, когда в элементарном акте участвует лишь одна молекула (например, реакция разложения).

Зависимость имеет вид: и = к[А], и говорят о мономолекулярной реакции; когда в элементарном акте происходит соударение двух разных молекул, зависимость имеет следующий вид: и - к[А][В], и говорят о бимолекулярной реакции; когда в элементарном акте происходит соударение трех молекул, для зависимости скорости от концентрации справедливо: v — к[А] • [В] • [С], и говорят о тримолекулярной реакции.

Во всех разобранных зависимостях: v— скорость реакции; [А], [В], [С] — концентрации реагирующих веществ; к — коэффициент пропорциональности; называемый константой скорости реакции. v = к, когда концентрации реагирующих веществ или их произведение равны единице. Константа скорости зависит от природы реагирующих веществ и от температуры. Зависимость скорости простых реакций (т. е. реакций, протекающих через один элементарный акт) от концентрации описывается законом действующих масс, установленным К. Гульдбергом и П. Вааге в 1867 г.:

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в степень их стехиометрических коэффициентов. Например, для реакции 2NO + 02 = 2N02; v - k[NO]2[OJ. Если уравнение химической реакции не отвечает элементарному акту взаимодействия, а является просто суммарным уравнением, отражающим только связь между массой вступивших и образовавшихся веществ, то при написании выражения для зависимости скорости реакции от концентрации нужно учитывать, что степени у концентраций не будут равны коэффициентам, стоящим перед формулами соответствующих веществ в уравнении реакции.

Возможно вам будут полезны данные страницы:

Для реакции, протекание которой связано с некоторыми элементарными актами, общая скорость определяется (лимитируется) скоростью самой медленной стадии. Разобранная зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ справедлива для газов и реакций, протекающих в растворе. Она не распространяется на реакции с участием твердых веществ, так как в этих случаях взаимодействие молекул происходит не во всем объеме реагирующих веществ, а лишь на поверхности раздела двух фаз.

Поэтому скорость гетерогенной реакции зависит не только от рассмотренных нами ранее факторов, но и от величины поверхности соприкосновения между реагирующими фазами. Всякое увеличение поверхности приводит к увеличению скорости реакции. UJ Влияние температуры на скорость химической реакции согласуется с правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции увеличивается в 2-4 раза.

Математически это правило передается следующим уравнением: t/ е~ят, где А — коэффициент пропорциональности; е — основание натуральных логарифмов; R — универсальная газовая постоянная и Т — абсолютная температура. Это уравнение показывает, что при постоянной температуре константа скорости определяется энергией активации. Чем выше численное значение энергии активации, тем меньше в реакционной смеси активных молекул, тем меньше число эффективных соударений и тем, следовательно, ниже константа скорости и сама скорость химической реакции. [3) Влияние катализатора.

Катализаторами называются вещества, участвующие в химическом процессе, изменяющие его скорость, но не входящие в состав продуктов реакции, т. е. к концу реакции остающиеся химически неизменными. Явление изменения скорости реакции под действием катализаторов называется катализом. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. Когда взаимодействующие вещества и катализатор находятся в одинаковом агрегатном состоянии, говорят о гомогенном катализе.

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях; обычно катализатор в твердом, а реагирующие вещества — в жидком или газообразном.

Если катализатор снижает скорость химической реакции, то его называют ингибитором. Некоторые вещества не обладают каталитическим действием, но их добавки резко увеличивают каталитическую способность катализаторов. Их называют промоторами. Другие вещества уменьшают или полностью уничтожают активность катализаторов, их называют каталитическими ядами, а процесс снижения активности катализаторов — отравлением.

При гомогенном катализе основной гипотезой, объясняющей механизм действия катализатора, является теория промежуточных продуктов между катализатором и реагирующим веществом с меньшим значением энергии активации. Гетерогенный катализ чаще всего объясняется адсорбционной теорией, согласно которой на поверхности катализатора происходит адсорбция реагирующих веществ и их концентрация увеличивается.

При этом следует иметь в виду, что для катализатора характерна избирательность действия. Пример 2 Во сколько раз возрастет скорость реакции взаимодействия оксида углерода (II) с кислородом, если концентрации исходных веществ увеличить в три раза? Дано: [СО] и [02] возрастет в три раза Найти: Решение: 1) Записываем уравнение реакции: 2СО + 02 = 2С02. Согласно закону действующих масс v - к[С0]2[02]. 2) Обозначим [СО] = а; [02] = Ь, тогда: v = к • а2 • Ь. 3) При повышении концентрации исходных веществ в 3 раза получим: [СО] = За, а[02] = ЗЬ. 4) Рассчитываем скорость реакции и1: - k9a23b - к27а% a if к27 Д2Ь 27 v к а2Ь Ответ: в 27 раз.

Пример 3 Во сколько раз возрастет скорость химической реакции при повышении температуры на 40 °С, если температурный коэффициент скорости реакции ра вен 3? Дано: At = 40 °С Y - 3 Найти: 2 Решение: 1) Согласно правилу Вант-Гоффа: h-U vt2 = vh • у 10 , 40 и, - vt > 3 10 — vt -81. 2 1 1 Ответ: в 81 раз. а Пример 4 Реакция между веществами А и В протекает по схеме 2А + В *» С. Концентрация вещества А равна 10 моль/л, а вещества В — б моль/л. Константа скорости реакции равна 0,8 л2 4 моль"2 • сек"1. Вычислить скорость химической реакции в начальный момент, а также в момент, когда в реакционной смеси останется 60 % вещества В. Дано: к — 0,8 л2 • моль"2 • сек"1 [A] =10 моль/л [B] = 6 моль/л Найти: "нач! ^

Решение: 1) Находим скорость реакции в начальный момент: v - к[А]2 • [В], г> = 0,8 • 102 • б - 480 моль - л • сек"1. нач 2) По истечении некоторого времени в реакционной смеси останется 60 % вещества В. Тогда: Следовательно, [В] уменьшилась на: 6 - 3,6 = 2,4 моль/л. 3) Из уравнения реакции следует, что вещества А и В взаимодействуют между собой в отношении 2:1, поэтому [А] уменьшилась на 4,8 моль/л и стала равной: [А] = 10 - 4,8 = 5,2 моль/л. 4) Рассчитываем if: г} = 0,8 * 5,22 • 3,6 = 77,9 моль • л"1 * сек"1. Ответ: г>нач ~ 480 моль • л • сек"1, г/ = 77,9 моль • л-1 • сек"1.

протекает за 2 минуты. За сколько времени закончится эта реакция при температуре 60 °С, если в данном температурном интервале температурный коэффициент скорости реакции равен 2? Дано: t1 = 30 °С t2 = 60 °С 7 = 2 т = 2 мин = 120 сек Найти: ч Решение: 1) В соответствии с правилом Вант-Гоффа: vt - = у ю 1 vt — = 23 = 8. Vt 2) Скорость реакции обратно пропорциональна времени реакции, следовательно: Ответ: т=15сек. Вопросы и задачи для самостоятельного решения 1.

Дайте определение скорости реакции. Приведите примеры реакций, идущих с различными скоростями. 2. Выражение для истинной скорости химической реакции, протекающей при постоянном объеме системы, записывается следующим образом: dC v = ±——. d t Укажите, в каких случаях необходим положительный, а в каких — отрицательный знаки в правой части выражения. 3. От каких факторов зависит скорость химической реакции? 4. Что называется энергией активации?

Влияние какого фактора на скорость химической реакции она характеризует? 5. Чем объясняется сильное увеличение скорости реакции при росте температуры? 6. Дайте определение основному закону химической кинетики — закону действующих масс. Кем и когда он был сформулирован? 7. Что называется константой скорости химической реакции и от каких факторов она зависит? 8. Что такое катализатор и как он влияет на скорость химической реакции? 9. Приведите примеры процессов, в которых используются ингибиторы. 10. Что такое промоторы и где они применяются? 11. Какие вещества называют «каталитическими ядами»?

Приведите примеры таких веществ. 12. Что такое гомогенный и гетерогенный катализ? Приведите примеры процессов с применением их каталитических процессов. 13. Как изменится скорость реакции 2С0 + 02 = 2С02, если уменьшить объем газовой смеси в 2 раза? 14. Во сколько раз возрастет скорость химической реакции при повышении температуры с 10 °С до 40 °С, если известно, что с повышением температуры на 10 °С скорость реакции возрастет в 2 раза? 15. Скорость реакции А + В = С при повышении температуры на каждые 10 °С увеличивается в три раза. Во сколько раз увеличится скорость реакции при повышении температуры на 50 °С? 16.

Во сколько раз возрастет скорость реакции взаимодействия водорода и брома, если концентрации исходных веществ увеличить в 4 раза? 17. Во сколько раз возрастет скорость реакции при повышении температуры на 40 °С (у = 2)? 18. Как изменится скорость реакции 2NO + 02 ^ 2N02, если давление в системе увеличить в два раза? 19. Во сколько раз следует увеличить концентрацию водорода в системе N2 + 3H2^ 2NH3, чтобы скорость реакции возросла в 125 раз? 20.

Реакция между оксидом азота (II) и хлором протекает по уравнению 2NO + С12 2NOC1; как изменится скорость реакции при увеличении: а) концентрации оксида азота в два раза; б) концентрации хлора в два раза; в) концентрации обоих веществ в два раза? . 21. При 150 °С некоторая реакция заканчивается за 16 минут. Принимая температурный коэффициент равным 2,5, рассчитайте, через какой период времени закончится эта же реакция при 80 °С. 22. На сколько градусов надо увеличить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 32 раза.

Температурный коэффициент скорости реакции равен 2. 23. При 30 °С реакция протекает за 3 минуты. За сколько времени будет протекать эта же реакция при 50 °С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 3. 24. При температуре 40 °С реакция протекает за 36 мин, а при 60 °С — за 4 мин. Рассчитайте температурный коэффициент скорости реакции. 25. Скорость реакции при 10 °С равна 2 моль/л. Вычислите скорость этой реакции при 50 °С, если температурный коэффициент скорости реакции равен 2.