Скорость химической реакции

Скорость химической реакции равна изменению количества вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени в единице реакционного пространства. Скорость реакции обозначается буквой V, обычно выражают в моль на литр (моль/л), а время в секундах или минутах.

Скорость химической реакции зависит:

1) от природы реагирующих веществ;

2) концентрации реагирующих веществ;

3) температуры;

4) присутствия катализатора.

Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ

Количественно зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ выражается законом действующих масс: скорость реакции пропорциональна произведению молярных концентраций всех реагентов, в степенях, равных стехиометрическому коэффициенту при соответствующем реагенте уравнения реакции. В общем виде для гомогенной реакции:

аА + вВ = dD + fF

υ = k[A]^a -[В]^в или v = k С^аА·С^вв.

Для обозначения концентраций реагентов или продуктов реакции принято использовать букву «С» или квадратные скобки; СА, Св - концентрации вещества А и В, моль/л; [А], [В] – равновесные концентрации веществ А и В; а и в - стехиометрические коэффициенты перед веществами А и В в уравнении реакции; k -коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции, зависит от природы реагирующих веществ, температуры и наличия катализатора.

Например, выражение скорости реакции: 2СО(г) + O₂ (г) = 2СO₂(г)

имеет вид: υ = k·[CO]₂ ·[О₂]

Для гетерогенных реакций типа: аА(г) + вВ(к) = сС(к)

выражение скорости реакции имеет вид: υ = kC^aA или υ = k[A]^a.

Зависимость скорости химической реакции от температуры

Скорость реакций увеличивается с ростом температуры. Причиной этому является возрастание энергии сталкивающихся частиц, вследствие чего повышается вероятность того, что при столкновении произойдёт химическое превращение. Определяется правилом Вант-Гоффа: при повышении температуры на 10° скорость большинства химических реакций возрастает в 2-4раза.

Математическое выражение правила Вант-Гоффа:

υ2/ υ1 =  ^T/10 ( - коэффициент Вант-Гоффа)

где υ1 и υ2 - скорости реакции при температурах Т1 и Т2; γ - температурный коэффициент реакции, показывающий во сколько раз увеличивается скорость реакции при повышении температуры на 10°.

Энергия активации реакции Е_А – это пороговая энергия. Если энергия сталкивающихся частиц меньше Е_А, то при столкновении реакция не произойдет, если энергия превышает Е_А, реакция произойдет.

Химическое превращение происходит только, когда возникают условия для перераспределения электронной плотности столкнувшихся частиц. Этот процесс протекает во времени и требует затрат энергии. Рассмотрим взаимодействие газообразных веществ А₂ и В₂:

А₂ (г)+ В₂ (г) = 2АВ (г)

Путь реакции можно охарактеризовать тремя последовательными состояниями системы:

А В А……В A - B

│ + │ → : : → +

А В А…....В A - B

начальное состояние переходное состояние конечное состояние

(исходные реагенты) (активированный комплекс) (продукты реакции)

В переходном состоянии происходит перегруппировка атомов, сопровождающаяся перераспределением электронной плотности. Энергию, необходимую для перехода веществ в состояние активированного комплекса, называют энергией активации Гиббса.

Она определяется соотношением

G = H – TS

Поэтому аналогично запишем энергию активации Гиббса

∆G^≠ = ∆H^≠ - T∆S^≠ ,

где ∆H^≠ - энтальпия активации реакции; Т – температура; ∆S^≠ - энтропия активации реакции.

Образование активированного комплекса требует затраты энергии. Вероятность того, что при столкновении частиц образуется активированный комплекс и произойдет реакция, зависит от энергии сталкивающихся частиц. Реагируют только те из молекул, энергия которых для этого достаточна. Такие молекулы называются активными. Энергию, необходимую для перехода веществ в состояние активированного комплекса, называется энтальпией активации ∆H^≠.

Решение типовых задач.

Пример 1. Как изменится скорость взаимодействия исходных веществ при повышении температуры с 20 до 66°С, если температурный коэффициент реакции равен 2,5?

Решение. По условию задачи изменение температуры Т2 – Т1 == 66 - 20 = 46°. Следовательно, в результате повышения температуры на 46° отношение v₂/v₁ =  ^T/10= 4,6 • lg2,5 = 4,6 • 0,398 = 1,831, тогда υ66/ υ20 = 67,7. Скорость реакции возрастает в 67,7 раз.

Зависимость скорости реакции от катализатора

В присутствии катализатора происходит изменение скорости химической реакции. Скорость в присутствии одних катализаторов увеличивается, в присутствии других замедляется.

Катализатор – вещество, участвующее в реакции и изменяющее её скорость, но остающееся неизменным после того, как химическая реакция заканчивается. Катализатор, замедляющий химическую реакцию, называют ингибитором. Биологические катализаторы белковой природы называют ферментами.

Механизм действия катализаторов связан с тем, что они образуют промежуточные соединения с исходными веществами и тем самым изменяют путь реакции, причем новый путь реакции характеризуется меньшей высотой энергетического барьера, то есть меньшей энергией активации по сравнению с некатализируемой реакцией.