7.2. Скорость химических реакций

7.2. Скорость химических реакций

Скорость химической реакции характеризует количество элементарных актов взаимодействия частиц в течение определенного времени. Но взаимодействие между частицами может происходить только при их контакте, который определяется особенностями реакционной среды (реакционного пространства).

Напомним, что по признаку фазового состава веществ в химической кинетике различают гомогенные реакции, протекающие в одной фазе (рис. 7.2 a), и гетерогенные реакции, протекающие между разными фазами на границе их раздела (рис. 7.2 б).

Скоростью гомогенной реакции J называется физическая величина, которая определяется количеством вещества n, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции за единицу времени t в единице реакционного объема V.

Отношение количества вещества n к единице объема V – это молярная концентрация С (С = n/V). Поэтому скорость гомогенной реакции определяется изменением концентрации исходных соединений или продуктов реакции на протяжении реакционного времени. Различают среднюю и мгновенную (или истинную) скорость реакции. Средняя скорость реакции Jср определяется разностью концентраций (DС) вещества за время протекания реакции Dt: Jср = (C2 – C1) / (t2 – t1) = ± DC / Dt, где С2 и С1 – концентрации вещества в конечный t2 и начальный t1 момент времени.			Рисунок 7.2 – Иллюстрация к классификации химических реакций по фазовому составу: а) гомогенная реакция, отражающая превращение K2CrO4?K2Cr2O7 (в пробирке слева – раствор исходного вещества K2CrO4 желтого цвета, в правой пробирке – продукт реакции K2Cr2O7 оранжевого цвета); б) гетерогенная реакция при взаимодействии натрия с водой (добавление индикатора фенолфталеина вызывает малиновое окрашивание, указывающее на образование щелочи NaOH)
Знак «±» в уравнении имеет такой смысл. Скорость реакции не может быть отрицательной, поэтому при использовании разности концентраций исходного вещества DСисх, концентрация которого уменьшается, берут знак минус (рис. 7.3 а). Если скорость определяют по изменению концентрации одного из продуктов реакции DСпрод, то отношение DС / Dt надо брать со знаком плюс, потому что количество продукта возрастает по мере протекания реакции (рис. 7.3 б): С2,прод > C1,прод, С2,прод – С1,прод = DC > 0.	Рисунок 7.3 – Изменение концентрации во времени при протекании химческой реакции: а) для исходного вещества; б) для продукта реакции
При протекании реакции изменяются концентрации реагирующих веществ, поэтому изменяется и скорость реакции. Чем короче промежуток времени Dt, тем меньше изменение концентраций DС и тем ближе отношение DС / Dt к истинной скорости реакции – скорости в данный момент времени. Среднюю и истинную скорость реакции можно определить графически – через тангенс угла наклона секущей (Jср) к кривой зависимости концентраций от времени или с помощью тангенса угла наклона касательной (Jист) к этой кривой (рис. 7.4):		Рисунок 7.4 – Графическое определение средней скорости (Jср = ±DC/Dt или Jср = tg?) и истинной скорости реакции (Jист= tga)

Jист = tg a,    Jср = tg?.

На скорость реакции влияют многие факторы, например, природа реагирующих веществ (рис. 7.5 а): некоторые реакции протекают мгновенно (взрыв), другие могут продолжаться годами (коррозия). Соединения с ионной или ковалентной полярной связью в водных растворах взаимодействуют между собой очень быстро. Скорость взаимодействия соединений с неполярной ковалентной связью зависит от их химических свойств. Например, реакция водорода Н2 с фтором F2 протекает очень быстро (со взрывом) при комнатной температуре, а реакция водорода H2 с йодом I2 происходит медленно при длительном нагревании.

Кроме того, скорость реакции зависит от концентрации исходных реагентов (рис.7.5 б), площади поверхности соприкосновения фаз (для гетерогенных процессов), температуры (рис. 7.5 в), наличия катализатора (рис. 7.5 г), внешних факторов (например, облучения).

Рисунок 7.5 – Влияние на скорость реакции разных факторов:

а) природы взаимодействующих веществ; б) концентрации; в) температуры; г) катализатора

Ключевые слова и термины

Контрольные вопросы

Что изучает химическая кинетика?

Что понимают под механизмом химической реакции?

Что называется элементарной стадией химической реакции?

Что такое молекулярность реакции?

На какие типы делятся химические реакции по молекулярности?

Охарактеризуйте понятие «скорость гомогенной реакции».

Какие реакции называются: а) гомогенными; б) гетерогенными?

В чем различие между средней и истинной скоростью реакции? Как они определяются?

Что такое кинетическое уравнение химической реакции?

Какие факторы влияют на скорость реакции?

Как зависит скорость реакции от природы веществ?

Задания для самостоятельной работы

Какая скорость – средняя или истинная – точнее выражает скорость реакции и почему:

            а) средняя, т.к. она характеризует скорость протекания реакции в целом; б) истинная, т. к. определяется тангенсом угла наклона касательной к кривой, выражающей зависимость концентрации от времени; в) истинная, т. к. она отражает скорость реакции в конкретный момент времени, что особенно важно в связи с постепенным снижением скорости по мере расходования реагентов и уменьшения их концентрации; г) средняя, т. к. как зависит от концентрации реагирующих веществ.

На основании какого критерия определяется скорость реакции:

            а) количество полученного продукта; б) тепловой эффект реакции; в) изменение концентрации вещества за единицу времени; г) смещение рвновесия в реакционной системе?

Выберите утверждение относительно кинетического уравнения скорости реакции:

            а) связывает изменение внутренней энергии со временем; б) связывает скорость реакции с концентрацией веществ; в) определяет конечную концентрацию продуктов; г) определяет изменение масс исходных веществ?

Как графически определяется истинная скорость реакции:

            а) по тангенсу угла наклона касательной к кривой зависимости концентраций от времени; б) по тангенсу угла наклона секущей к кривой зависимости концентраций от времени; в) по зависимости времени от концентрации; г) по зависимости концентрации от времени?

Как графически определяется средняя скорость реакции:

            а) по тангенсу угла наклона касательной к кривой зависимости концентраций от времени; б) по тангенсу угла наклона секущей к кривой зависимости концентраций от времени; в) по зависимости времени от концентрации; г) по зависимости концентрации от времени?